基于制造技术

本发明专利技术涉及一种基于

【技术实现步骤摘要】
基于Blom方案的动态对称矩阵的WSN密钥管理方法


[0001]本专利技术属于网络安全及通信领域，涉及一种基于
Blom
方案的动态对称矩阵的
WSN
密钥管理方法
。

技术介绍

[0002]无线传感器网络是由大量部署到监测区域，主要用于感知和采集信息的无线传感器节点组成
。
目前，无线传感器网络已经在军事监测
、
环境监控
、
医疗应用
、
智能交通
、
机器人控制
、
危险区域的远程控制等领域得到广泛应用
。
在
WSN
中，除了一些特殊情况需要多播通信外，无线传感器网络更多地是节点间点对点单播通信
。
[0003]虽然目前对无线传感器网络密钥管理方案的研究已经实现了多种安全单播通信，但是它们没有充分考虑到无线传感器网络的动态变化
(
例如由于传感器节点的资源有限，节点的能耗耗尽导致其必须退出网络，这样一个过程势必导致网络发生动态变化
)
，使得整个方案中缺乏对密钥更新机制；部分密钥管理方案的密钥池不能产生足量的密钥元素，导致无线传感器网络没有很强地抵御节点捕获攻击的能力，且网络不能容纳大量的节点导致网络的可扩展性较差且不利于大规模的应用；部分方案对密钥在建立的过程中，需要较多的数据信息传送，耗费了传感器大量的能量，降低了节点的使用寿命和对密钥的生成效率
。
[0004]因此，亟需一种能有效降低基于单播通信的计算开销
、
通信开销和存储开销
、
能抵抗多种密钥攻击，同时能够保证密钥高连通率的
WSN
对密钥管理方法
。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于
Blom
方案的动态对称矩阵的
WSN
密钥管理方法，在减小每个节点存储开销的基础上，完成对密钥的建立和对密钥的更新，实现基于
Blom
密钥管理方案对称矩阵
D
的动态建立和对密钥的动态分配，克服基于
Blom
密钥管理方案
λ
‑
secure
问题
(Blom
密钥管理方案所有的节点公用同一个对阵矩阵
D
，本专利技术每对通信节点使用唯一的对称矩阵
D)。
同时，保证整个网络运行过程中的前向安全性和后向安全性，而且该方案能有效降低基于单播通信的计算开销
、
通信开销和存储开销，同时能够保证高达
100
％的密钥连通率
。
密钥池能够产生大量的密钥元素，具有良好网络扩展性能，且有很强地抵御节点捕获攻击的能力
。
[0006]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]一种基于
Blom
方案的动态对称矩阵的
WSN
密钥管理方法，具体包括以下步骤：
[0008]S1
：初始化无线传感器网络系统参数；
[0009]S2
：计算通信双方节点的专属对称矩阵和秘密矩阵；
[0010]S3
：以
Blom
方案密钥管理方法为基础，根据步骤
S2
计算的专属对称矩阵，建立通信双方节点的对密钥；
[0011]S4
：根据网关向网络内所有节点发送的随机数
Nonce
完成对网络内节点的共享矩阵
M
的更新，然后根据步骤
S1
～
S3
更新对密钥
。
[0012]进一步，步骤
S1
中，初始化网络系统参数，具体包括以下步骤：
[0013]S11
：网络内所有节点预存共享矩阵
M
，共享矩阵
M
是由
(
λ
+1)
×
(
λ
+1)
个元素组成的对称矩阵
(M
＝
M
Τ
)
或非对称矩阵
(M≠M
Τ
)
，表达式为：
[0014][0015]其中，
m
i,j
是在有限域
GF(q)
上的任意整数；
q
是有限域
GF(q)
内元素数量，且大于所需的成对密钥长度；
[0016]S12
：网络内节点
Nk
预存公共矩阵
G
的第
k
列
G(k)
，
k
＝
1,2,
…
,N
，
N
是公共矩阵
G
的列数
。
[0017]进一步，步骤
S2
中，以
Blom
方案密钥管理方法为基础，为每对通信节点分配一个专属的对称矩阵
D
，实现对称矩阵
D
的动态分配
。
从而，克服基于
Blom
密钥管理方案的网络内节点共用一个对称矩阵
D
引起的
λ
‑
secure
问题缺陷
。
[0018]Blom
方案密钥管理方法为：
[0019]K
＝
A
·
G
＝
(D
·
G)
T
·
G
＝
G
T
·
D
T
·
G
[0020] ＝
G
T
·
D
·
G
＝
(A
·
G)
T
[0021] ＝
K
T
[0022]其中，
A
表示秘密矩阵，
K
表示密钥矩阵
。
[0023]进一步，步骤
S2
中，每对通信节点通过自身节点身份标识
(
设备
ID)
计算他们之间的专属对称矩阵，主要分为以下三种情况：
[0024]情况1：当共享矩阵
M
为对称矩阵
。
[0025]计算专属对称矩阵的具体步骤为：
[0026]S201
：网络内节点
Nz
和
Nl
分别依据身份标识
ID
Nz
和
ID
Nl
进行异或运算，得到节点
Nz
和
Nl
的映射身份标识
ID
zl...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于
Blom
方案的动态对称矩阵的
WSN
密钥管理方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
S1
：初始化无线传感器网络系统参数；
S2
：计算通信双方节点的专属对称矩阵和秘密矩阵；
S3
：以
Blom
方案密钥管理方法为基础，根据步骤
S2
计算的专属对称矩阵，建立通信双方节点的对密钥；
S4
：根据网关向网络内所有节点发送的随机数
Nonce
完成对网络内节点的共享矩阵
M
的更新，然后根据步骤
S1
～
S3
更新对密钥
。2.
根据权利要求1所述的
WSN
密钥管理方法，其特征在于，步骤
S1
中，初始化网络系统参数，具体包括以下步骤：
S11
：网络内所有节点预存共享矩阵
M
，共享矩阵
M
是由
(
λ
+1)
×
(
λ
+1)
个元素组成的对称矩阵或非对称矩阵，表达式为：其中，
m
i,j
是在有限域
GF(q)
上的任意整数；
q
是有限域
GF(q)
内元素数量，且大于所需的成对密钥长度；
S12
：网络内节点
Nk
预存公共矩阵
G
的第
k
列
G(k)
，
k
＝
1,2,
…
,N
，
N
是公共矩阵
G
的列数
。3.
根据权利要求1所述的
WSN
密钥管理方法，其特征在于，步骤
S2
中，以
Blom
方案密钥管理方法为基础，为每对通信节点分配一个专属的对称矩阵
D
，实现对称矩阵
D
的动态分配；从而，克服基于
Blom
密钥管理方案的网络内节点共用一个对称矩阵
D
引起的
λ
‑
secure
问题缺陷；
Blom
方案密钥管理方法为：
K
＝
A
·
G
＝
(D
·
G)
T
·
G
＝
G
T
·
D
T
·
G
＝
G
T
·
D
·
G
＝
(A
·
G)
T
＝
K
T
其中，
A
表示秘密矩阵，
K
表示密钥矩阵
。4.
根据权利要求2所述的
WSN
密钥管理方法，其特征在于，步骤
S2
中，当共享矩阵
M
为对称矩阵时，每对通信节点通过自身节点身份标识计算他们之间的专属对称矩阵，具体包括以下步骤：
S201
：网络内节点
Nz
和
Nl
分别依据身份标识
ID
Nz
和
ID
Nl
进行异或运算，得到节点
Nz
和
Nl
的映射身份标识
ID
zl
＝
P(ID
Nz
,ID
Nl
)
和
ID
lz
＝
P(ID
Nl
,ID
Nz
)
，即，即
S202
：网络内节点
Nz
和
Nl
分别依据映射身份标识
ID
zl
和
ID
lz
，经哈希运算输出大于
t(
λ
+1)bits
数据，即
L
＝
Hash(ID
zl
或
ID
lz
)
＝
…
,w0,w1,
…
,w
λ
,
…
S203
：
Hash()
函数的输出值
L
取其中
t(
λ
+1)
位，映射成共享矩阵
M
的行坐标
w
i
，即
W1＝
w0,w1,
…
,w
λ
其中，
W1表示行坐标系列；
w
i
(0≤i≤
λ
)
的字长固定为
t(t
＝
1,2,
…
)
位，指示共享矩阵
M
的行坐标，
λ
＝
20+21+
…
+2
(t
‑
1)
；映射函数
Hash()
不公开，网络内节点共同保有；
S204
：
Hash()
函数的输出值
L
取其中
t(
λ
+1)
位，映射成共享矩阵
M
的列坐标
w
j
，即
W2＝
w0,w1,
…
,w
λ
其中，
W2表示列坐标序列；
w
j
(0≤j≤
λ
)
的字长固定为
t(t
＝
1,2,
…
)
位，指示共享矩阵
M
的列坐标，
λ
＝
20+21+
…
+2
(t
‑
1)
；映射函数
Hash()
不公开，网络内节点共同保有；
S205
：网络内节点
Nz
和
Nl
依据生成的行坐标
w
i
和列坐标
w
j
，生成共享矩阵
M
的矩阵坐标
{(w
i
,w
j
)|i,j
＝
0,1,
…
,
λ
}
；
S206
：网络内节点
Nz
和
Nl
依据
M
的矩阵坐标
{(w
i
,w
j
)|i,j
＝
0,1,
…
,
λ
}
，生成对称矩阵的元素元素其中，
D
zl
、D
lz
分别表示节点
Nz
和
Nl
的专属对称矩阵，
D
zl
＝
D
lz
。5.
根据权利要求2所述的
WSN
密钥管理方法，其特征在于，步骤
S2
中，当共享矩阵
M
为非对称矩阵，且由单个数据生成矩阵时，每对通信节点通过自身节点身份标识
(
设备
ID)
计算他们之间的专属对称矩阵，具体包括以下步骤：
S211
：网络内节点
Nz
和
Nl
分别依据身份标识
ID
Nz
和
ID
Nl
进行异或运算，得到节点
Nz
和
Nl
的映射身份标识
ID
zl
＝
P(ID
Nz
,ID
Nl
)
和
ID
lz
＝
P(ID
Nl
,ID
Nz
)
，即，即
S212
：网络内节点
Nz
和
Nl
分别依据映射身份标识
ID
zl
和
ID
lz
，经哈希运算输出大于
2t(
λ
+1)bits
数据，即
L
＝
Hash(ID
zl
或
ID
lz
)
＝
…
,w0,w1,
…
,w
λ
,
…
,v0,v1,
…
,v
λ
,
…
S213
：节点
Nl
的
Hash()
函数的输出值
L
取其中
t(
λ
+1)
位，映射成共享矩阵
M
的行坐标
w
i
，即
W
＝
w0,w1,
…
,w
λ
其中，
W
表示行坐标序列；
w
i
(0≤i≤
λ
)
的字长固定为
t(t
＝...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘中亚，田鹏，顾会平，武军伟，张奇隆，
申请(专利权)人：刘中亚，
类型：发明
国别省市：