【期刊】一种层次型无线传感器网络安全认证方案.pdf
《【期刊】一种层次型无线传感器网络安全认证方案.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《【期刊】一种层次型无线传感器网络安全认证方案.pdf(6页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、第 3 8 卷 增-r,l(I)2 0 0 8年 9月 东南大 学学报(自然科学版)J OUR NAL OF S OUTHEAS T UNI VERS I TY a t u r a l S c i e n c e Ed i t i o n)Vo l-3 8 S e p t S u p(I)20 0 8 一种层次型无线传感器网络安全认证方案 张治江,祝烈煌 唐 宏(北京理工大学计算机科学技术学院,北京 1 0 0 0 8 1)(空军电子技术研究所,北京 1 0 0 1 9 5)摘要:在阐述无线传感器网络及其安全问题的同时,重点对层次型无线传感器网络安全认证方案 展开研究 先对无线传感器网络安全框
2、架协议 S P I N S进行分析,指出其不足之处 为进一步提高 网络安全性,借鉴网络安全技术(如 I P S e c,S E T等)中综合采用对称密码技术和非对称密码技术 的思想,将证书应用于传感器网络中 根据传感器节点低功耗的特点,对其证书结构进行重新设 计,通过重构的证书实现了传感器节点的身份认证和数据源认证 理论分析和仿真实验结果表明,本方案与 S P I NS方案相 比,虽然使网络性能有所降低,但使网络安全性能有很大提高,能够有效 地解决层次型无线传感器网络安全认证问题 关键词:无线传感器网络;安全方案;证书重构;S P INS协议 中图分类号:T N 9 1 5 0 8 文献标识码
3、:A 文章编号:1 0 0 1 0 5 0 5(2 0 0 8)增刊(I)0 2 4 3 0 6 S e c u r i t y a n d a u t h e n t i c a t i o n s c h e me f 0 r hi e r a r c hi c a l wi r e l e s s s e ns o r ne t wo r ks Z h a n g Z h ij i a n g -Z h u L i e h u a n g T a n g Ho n g (S c h o o l o f C o mp u t e r S c i e n c e a n d T e c h
4、n o l o g y,B e ij i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y,B e i j i n g 1 0 0 0 8 1,C h i n a)(T h e E l e c t r o n i c T e c h n o l o g y I n s t i t u t e o f Ai r F o r c e,B e ij i n g 1 0 0 1 9 5,C h i n a)Ab s t r a c t:T o r e s e a r c h t h e h i e r a r c h i c a l wi r e l e s
5、s s e n s o r n e t wo r k a n d i t s s e c u r i t y,t h e s e c u r i t y fla me p r o t o c o l S P I NS i S fi r s t a n a l y z e d a n d j t s d e fi c i e n c y j S p o i n t e d o u t I n o r d e r t o f u r t h e r e n h a n c e n e t wo r k s e c u r i t y,t h e s c h e me p r o p o s e d
6、 u s e s t h e t h o u g h t o f t h e n e two r k s e c u r i t y t e c h n o l o g y(f o r e x a mp l e I P S e c,S E T a n d S O o n)t o s y n t h e t i c a l l y a d o p t t h e s y mme t r i c a l a n d a s y mme t r i c a l c r y p t o l o g y t e c h n i q u e s f o r r e f e r e n c e,a n d却
7、p li e t h e c e r t i 仃 c a t e f o t h e s e a s o r n e two r k s B e c a u s e o f t h e lo w-p o w e r e d p r o p er t y,t h e c e r t i fi c a t e s t r u c t u r e o f t h e s e n s o r n o d e s n e e d s t o b e r e d e s i g n e d By me a n s o f t h e r e d e s i g n e d c e r t i fic a
8、t e,t h e s c h e m e c a n p e r foIT n i d e n t i ty a n d d a t a o r i g in a u t h e n t l c a U o n F i n a l l y,a s e c u r i ty a 丽 p e r fo i r m anc ea n a l y s i s S p r o v i d e d b a s e d o n t h e t h e o r y a n d s i mu l a t i o n e x p e r i me n t s T h e c o n c l u s i o n
9、s h o ws t h a t t h e s c h e me gr e a t l y pr omo t e s t he s e c u r i t y bu t d e c r e a s e s t h e n e t wo r k p e r l o r ma nc e i n c o mp a ris o n wi t h S Pl I t c a n e 拜 c-t l;v-ew J yr s o l v e t h e s e c u r e p 而b l e ms f o r t h e h i e r a r c h i c a l wi r e l e s s s e
10、 n s o r n e t wo r k Ke y wo r d s:wi r e l e s s s e n s o r n e t wo r k;s e c u r i ty s c h e me;c e r t i fi c a t e r e b u i l d i n g;S P I NS p r o t o c o l 无线传感器网络主要 由具有感知能力、计算能力和通信能力的微型无线传感器节点构成,具有低成本、低功耗、多功能等特 点,能够协调地实时监测、感知和采集网络分布区域 内的各种环境或监测对象的信息,并对这些数据进行处理,从而获得详尽而准确 的信息,将其传送到需要这些信 息
11、的用户因此,传感器 网 络是信息感知和采集的一场革命,可以被广泛应用于军事斗争、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫 生、制造业和反恐抗灾等领域由于传感器 网络一般配置在恶劣环境、无人区域或敌方阵地 中,加之无线 网络本身固有的脆弱性,因此,传感器 网络除了具有传统 网络的安全需求,根据其 自身的特点还有一些特 定的安全需求【1 如何在节点计算速度、电源能量、通信能力和存储空间有限的情况下,通过设计安全机 制,提供机密性保护和 身份认证功能,防止各种恶意攻击,为传感器 网络创造一个相对安全的工作环境,是一个关系到传感器 网络 能否真正走 向实用的关键性问题 1 无线传感器网络体系结构 本文主要
12、研究层次型无线传感器网络体系结构,如 图 1所示 在这个无线传感器 网络体系结构中,根 收稿 日期:2 0 0 8 0 6 1 6 基金项目:国防预研基金资助项 目(1 1 2 0 0 2 1 2 1 0 7 0 4)作者简介:张(1 9 7 7-),男,硕士生;祝烈煌(联系人),男,博士,副教授,l i e h u a n g z b i t e d u c n 2 4 4 东南大学学报(自然科学版)第3 8 卷 据节点计算速度、电源能量、通信能力和存储空间的不同,由 3种类型的节点组成:1)应用层节点:具有很强的无线通信能力,通过组播发送的数据能够被基站和传感器节点直接或多 跳接收,而且能
13、够无线接收基站或传感器节点发送 的数据 2)基站节点:担任无线传感器节点与应用层节点问的网关传感器节点以基站为根建立路 由链路 这里的基站节点拥有足够的电源能量支撑整个传感器网络的过程,足够的内存存储密钥,并能够与应用层 节 点进行通信 3)传感器节点 C:由电源能量和计算速度有限的传感 器节 点组成,负责感应物理数据,把传感数据传送给所属 的基站节点在网络 部署后,无线传感器节点可以根据路 由协议(如 L E A P 路由协议 J)围绕一个或多个基站形成 无线传感器 网络 在层次型无线传感器网络中,应用层主要直接面向用 户提供 网络服务应用层 由用户应用程序 H i i E 书服务器组 成,
14、负责对整个 网络的密钥和证书进行管理,并对基站和 传感器节点进行访 问控制传感器节点通过相邻节点或多 跳传送 的方式将探测数据传送 到基站节点,基站节点通过 无线信道的方式传送给应用层,由应用层进行数据处理和 信息融合,并将最终结果展现给用户 2 无线传感器网络的安全解决方案 图 I 层次型 无线传感器 网络体 系结构 2 1 安全框架协议 S P I NS S P I NS I 3】(s e c u r i t yp r o t o c o l s f o r s e n s o r n e t wo r k)安全体系是 目前所提出的安全机制 中比较流行、实用的 传感器网络安全方案 S P
15、I NS安全协议包括 S N E P(s e c u r e n e t wo r k e n c r y p t i o n p r o t o c o 1)和 t T E S L A(mi c r o t i me d e f fi c i e n t s t r e a mi n g l o s s t o l e r a n t a u t h e n t i c a t i o n p r o t o c o 1)2个部分 在 S NE P协议 中,为达到双向认证和数据完整性的 目的,使用一个消息认证码 MA C加密数据格式为:E=D 。,这 里 是 密 文,J )是 明 文,为 加
16、 密 密 钥,Q 为 计 数 器 消 息 认证 码MA C 为 M=MA C(K,OI)节点 发送给节点 的消息为:A_ B:D ,MA C(K,,OI)其中 为认证密钥,QI E为计数器值 Q和密文 E的粘接,表明消息认证码是对计数器和密文一起进行运算。和。这 2个密 钥都是通过基站共享的主密钥按照相同的算法推演出来的 S NE P协议实现新鲜性保护是通过使用现 时(No n c e)机制节点 通过一个现时 NA(一个有足够长 度和不可预知的随机数)保证节点 应答消息的新鲜性节点 随机产生一个现时消息 并和一个请求 消息 一起发送给节点 节点 按照认证协议在应答消息中包括现时 的消息认证码
17、MAC 如下所示:A B:N,R;B :R 8 ,p),MAC(K a c,N I Q l R (口)如果 MAC验证正确,节点 就可以确定应答的消息是节 点 发 出的 t T E S L A 协议是基于时间的高效的容忍丢包的流广播认证协议 t T E S L A 协议要求基站和节点拥有松 散的时问同步,并且每一个节点知道上一跳节点的时问误差范围发送认证包时,基站简单计算一个消息 认证码 MA C加入包 中,MAC中含一个标 明时问点的密钥节点收到消息包,通过 己知的必要信息(松散 的 时间同步、时间误差范围)和消息包中的信息(密钥中的时间点)验证是否由基站发出只要验证这一密钥只 有基站才能发
18、出,收到信息的节点就可 以确定消息包在传输过程中没有被敌对方篡改,然后将这一消息包 存入 自己的缓冲器其后基站向所有节点广播验证密钥,节点可以很容易鉴别这一密钥 的正确性,如果鉴 别结果正确,就使用这一密钥对缓冲器中存储 的信息进行认证 每个消息认证码 MAC密钥都是单向密钥链,由公开的单向函数 F产生,信息发送者随机选取密钥链 中 一个密钥,并重复应用函数 F计算其他所有的密钥:醐)每个节点都可以很容易地执行时间同步 并从密钥链 中找到属于 自己的验证密钥 虽然 S P I NS安全协议在数据机密性、完整性、新鲜性、可认证等方面都作了充分的考虑,但是存在以 增刊(I)张治江,等:一种层次型无
19、线传感器网络安全认证方案 2 4 5 下 2个主要问题:QS P I NS是一个共享主密钥方案,虽然能够通过 S NE P协议有效解决节点之间消息的安全 通信,但不能有效解决密钥管理问题,从而影响方案的实用性 )p T E S L A是一个流广播认证协议,传感器 节点能够有效地对基站广播数据流进行认证,但是 p T E S L A协议不能有效解决传感器节点身份认证和数据 源认证,从而不能对传感器节点实现有效的访问控制 2 2 一种基于证书的安全认证方案 今天广泛使用的网络安全技术中,如保护 I P通信的 I P安全协议(I P S e c),保护电子商务的安全 电子 交易协议(S E T)等,
20、都是综合采用对称密码技术与非对称密码技术实现网络安全认证 鉴于这种思想,针 对无线传感器节点低功耗的特点,本文在安全框架协议 S P I NS基础上,建立一个基于证书的安全认证系统,以进一步提高网络安全性为了实现这一 目标,需要对传感器节点的证书结构进行重新设计【4】2 2 1 证 书 网络中每个节点在初建网络或进入 网络时,由可信第三方(T T P)颁发不同类型的证书(C e r t r r P),通 过证书来进行身份识别并建立信任关系 1)应用层节点:A有 T T P的X 5 0 9证书 C e r t T r P()和公私钥对(+K A,一 K A)A的公钥+被 网络 中所有节点存储 2
21、)基站节点:假定 是一个高性能大功率的设备,能签名验签,因此 也具有 T T P的 X 5 0 9证书 C e r t wP()和公私钥对(+-KB)3)传感器节点 C:T T P颁发 C的证书不同于 X 5 0 9证书,其证书格式为 C e r t T T P(C)=(I Dc,Kc +K ,T S r r P,S I G N ()其中,T S T T P 是一个时间戳,标明颁发证书的有效期 虽然 C有 T T P颁发的证书 C e r t P(C),但 C没有能力 执行签名验签操作,所有 C只存储证书而没有公私钥对 C使用证书 C e r t T T p(C)中认证密钥 K c 来进行身份
22、识 别由于 C的初始密钥被 的公钥加密,仅仅 A能够从证书中获得这个密钥并证实 C的身份如果 C计划 连接几个应用 A,可 以拥有多个证书 2 2 2 身份认证 1)基站节点 假如基站节点 要加入网络,此时 向 A发一个服务请求(s e r v i c e o f f e r)B将数字签名和证书加入 服务请求 接收到该服务请求后进行验签:如果验签成功,则向 B返回接受消息(a c c e p t me s s a g e),其 中 包括 和 A的共享密钥 K A B;如果验签不成功,则向 返回缺乏兴趣消息(1 a c k-o f-i n t e r e s t me s s a g e L o
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 期刊 一种 层次 无线 传感器 网络安全 认证 方案
限制150内