基于代码片段的无线传感器网络密钥更新方案

（ ＆ ｄｔ，Ｄ ｆ ） ｋ｛ａ Ｉ 。 ， ａ
的密钥 。由于每个节点保存 的代码 片段 数不 是很 大 （ ） 交 ｋ个 ，
换代码片段所需的时间较短 ； 同时 ， 输入 当前密 钥获得新 密钥
也仅仅需要 ｋ 次数学运算 ， 所需 的时间也很 短 ， 因此 ， 以上 假设 是符合实际 的。Ｃ Ｋ Ｓ方案 主要 包含 预分配 、 ＳＵ 密钥材 料交 换 和对称密钥使用 与更新 三个 阶段。预分 配阶段负责 为每一 个 节点分配初 始密钥 和代码 片段 ， 密钥更新阶段负责定期对节点
网络密钥更新 的问题 ， 本文提 出了一种基于代码片段的无线传 感器 网络密钥更新方案 ， 为方便描 述 ， 文在叙述 中将该方案 下
简称 为 Ｃ Ｋ Ｓ ｃｄ ｌ ｅｂｓｄｋｙｕ ｄｔｄｓｈ ｍ ｒ Ｎ） Ｓ Ｕ （ｏ ｅｓｃ ａｅ ｅ ｐ ａ ｃｅ ｅｆ ｉ ｅ ｏ ＷＳ ｏ
１ Ｃ Ｋ Ｓ方案 Ｓ Ｕ
—
作者简介： 朱凌 志 （９ ９ ） 男 ， 南邵 阳人 ， 教 ， 士研 究 生 ， 要 研 究 方 向为 无 线 传 感 器 网 络 密 钥 管理 （ｈ ｌ ｇｈｃ＠ １６ ｃｒ） 王 建 新 １７ 一 ， 湖 助 硕 主 ｚｕ ｉ ｚｉｓ ２ ．南邵 阳人 ， 教授 ， 博导 ， 主要研 究方向为计算机 网络 、 生物信息学 ； 马行坡 （９０ ） 旁， １８一 ， 河南郑 州人 ， 士研 究生 ， 博 主要研 究方向为无
超过 Ａ时 ， 整个密钥矩阵都会被 泄露 。文献 ［ ］ 出了一种基 ５提 于双变量多项 式 的对称 密钥 建立方 案 ，然而 该方 案具 有 “ — Ｋ ｓｃｒｙ 的性质 Ｊ 即如果传感器 网络用 一个 ｋ度多项式建 立 ｅｕ ｔ” ｉ ， 对称密钥 ， 那么 一旦被捕 获的节点 个数大于 ， 整个 网络 的 则 对称密钥都会被泄露 。针对这一 缺陷 ， 文献 ［ ］ ６ 作出 了一些 改 进。文献［ ］ ７ 提出了一种基 于位置 的多项式密钥 预分配方案 ，
敌对环境 中时 ， 传感器 网络可能会遭 遇种种恶 意攻击 ， 这些恶 意攻击包括窃听 、 装 、 点捕 获等 。为 了确保传感器 网络 的 伪 节
安 全性 ， 常需 要 在 节 点 之 间建 立 对 称 密 钥 。 目前 ， 术 界 在 常 学
对称密钥建成后 ， 需要 定期对其进 行更新 ， 以保证传感 器
Ｚ ｉ ｇ ｚ ｉ ．ＷＡＮＧ Ｊａ — ｉ ＨＵ Ｌ ｎ —ｈ ｉｎ ｘｎ ．ＭＡ ｎ — ｏ Ｘｉ ｇ ｐ
（ ．Ｓｈｏ ｎ ｒａｉ ｅ ｍ＇＆ Ｅ ｇｎｅｉ Ｃ ｎ ａ ｏｔ ｎｖ ｓｙ， ｈ ｎｓａ４０ ８ Ｃ ｉａ ２ Ｄｐ．ｏ ｏ ｐ ｔ ＆ Ｉ ｏｍ ｔ ｎＳｉ １ ｃｏｌｆｌ ｂｍ ｔｎＳｉ ｅ ｏ Ｊ ｏ ｅ ｎ ｉ ｒ ｇ， ｅｔ ｌ ｕ Ｕ ｉｒ ｔ Ｃ ａｇｈ １０ ３， ｈｎ ；． ｅｔ ｆＣ ｍ ｕｅ ｅ ｎ ｒ Ｓ ｈ ｅｉ ｒ ｎ ｒａｉ ｃ ｆ ｏ －
网络 的安全性 。上述密钥预分配 方案 主要解 决的 问题 是如何 高效建立节点之间的对称密钥 ， 对于如何高效安全 地进行密钥 更新这一 问题缺乏有效 的解 决办法 。为了有效地解决 传感器
如何安全高效地建立节点之 间对称密钥 方面 已经取 得了许多 成果。文献 ［ ］ １ 首先提 出了一种基于密钥池 的密钥管理 方案 ， 该方案 在确保较高的安全前提下 ， 节点之间拥有共享密钥 的概
ｕ ｄｔ ｇｓｈｍｅｂｓｄｏ ｏ ｅ ｌｅ（ ａ Ｓ Ｕ ｒ ｈ ｒ ．Ｉ Ｓ Ｕ ，ｒｌ ｄｄａ ｉａ ｋ ｙａｄｓｍ ｏｅｓｃｓ ｎ ｐａｉ ｅ ａｅ ｎｃｄ ｉ ｓ ｃｌｉＣ Ｋ Ｓｆ ｏｔ ｎＣ Ｋ Ｓ ｐｅｏ ｅ ｎｉ ｔ ｌ ｅ ｎ ｅｃｄ ｉ ｎ ｃ ｓｃ ｌｔ ｏｓ ） ａ ｎ ｉ ｏ ｌｅ ｏ
案， 然而该方案具有“ －ｅｕ ｔ” Ａ ｓｃｒｙ 的性质 ， ｉ 即被 捕获节点个数
０ 引言
电子技术和计算机技术 的发展 为无线传感器 网络 （ Ｎ） ＷＳ 的发展铺平 了道路。然 而 ， 无线传感器 网络 和传统 的无线 网络 相 比仍有一些差距 ， 这主要表现在传感 器节点拥有较低 的计算 能力 ， 较小 的存储空 问， 较短 的通信半径 以及有 限的电量 。因
点要 求是 为 了 使 节 点 之 问 保 持 对 称 密 钥 更 新 的 同 步 性 。每 个
相邻节点之 间能够完成 ：） ａ 交换代码 片段 信息 ； ） 照代码 片 ｂ按
段 的组 合 序 列 组 合 成 程 序 ； ） 入 当 前 密 钥 得 出下 一 次 使 用 ｅ输
节点用一个变量 ｉ 来记录该节点进行密钥更新 的次数。节点 ａ 使用第 ｉ 次更新 的对称密钥 向节点 ｂ发送的数据包格式为
此， 许多传 统无线 网络 的协议不适合应用于无线传感器 网络 。
无线传感器网络可应 用于多种领域 ， 当传感 器节 点部署在
这种密钥预分 配方案提 高了传感器 网络 的安全性 ， 但传感器节
点的部署方式 不太灵活。文献 ［ ］ ８ 提出 了一种基 于 Ｉ Ｄ的无 线 传感器网络密钥预分配方 案。
第２ ８卷第 ６期
２１ ０ １年 ６月
计 算 机 应 用 研 究
Ａｐ ｌ ａｉ ｎ Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｏ ｕ ｅｓ ｐ ｉ ｔ ｓ ａ ｃ ｆＣ ｍｐ ｔｒ ｃ ｏ
Ｖ０ ． ８ Ｎｏ ６ １２ ．
Ｊｎ ２ １ ｕ ． ０１
基 于 代 码 片 段 的 无 线 传 感 器 网络 密 钥 更 新 方 案
ｅ ｃ ｅ ｓ ｒ ｎ ｄ ． Ａ ｔｒ ｅ ｃ ａ ｇｎ ｏ ｅ ｓ ｃ ｓ ｂ ｅｇ ｂ ｒ ｎ ｄ ｓ ａ ｙ ｔ ｏ ｎ ｉｈ ｏ ｏ ｅ ｏ ｌ ｅ ｈ ａ ｅ ｆｃ ｄ ａ ｈ ｓ ｎ ｏ ｏ ｅ ｆ ｘ ｈ ｎ ｉ ｇ ｃ ｄ ｌ ｅ ｙ ｎ ｉ ｈ ｏ ｏ ｅ ， ｎ ｗ ｅ ｇ ｂ ｒｎ ｄ ｓ ｃ ｕｄ ｇ ｔｔ ｅ ｓ ｍｅ ｓ ｔｏ ｏ ｅ ｅ ｉ ｓ ｃ ｓ ｈ ｎ ｔ ｅｓ ｔ ｆ ｏ ｅ ｓｉｅ ｏ ｌ ｋ ｐ ａ ｋ ｙ ｕ ｄ ｔ ｇ ｐ ｏ ｒ ｍ ｗｈｃ ｏ ｌ ｅ ｕ ｅ ｐ ａｅ ｔｅ ｐ ｉ－ ｓ ｅ ． ｃ ｌ ｅ ．Ｔ ｅ ｅ ｄ ｌ ｓ ｕ ｄ ｍａ ｅ ｕ ｅ ｐ ａ ｉ ｒ ｇ ａ ｉｈ ｃ ｕ ｄ ｂ ｓ ｄ ｔ ｕ ｄ ｔ ａｒｗｉ ｋ ｙ Ａ — ｉ ｈ ｏｃ ｃ ｃ ｎ ｏ ｈ ｅ
ｃ ｒ ｎ ｏ ｔ ｅ ｔ ｏｙ ａ ａｙｓｓ，ＣＳＫＵＳ ｃ ｎ ｉ ｕ ｅ ｈｇ ｅ ｕ ｔ ｔ ｏ ｏ ｅ ｈ ａ ｆｃ ｍｐｕ ａｉｎ ａ ｄ ｃ ｍｍｕｎ ｃ ｔｏ ｏｄｉｇ ｔ ｈ ｈｅ ｒ ｎ ｌ ｉ ａ ｎｓ ｒ ｉｈ ｓ ｃ ｒ ｙ ｗｉｈ ｌｗ ｖ ｒ ｅ ｄ ｏ ｏ ｉ ｔｔｏ ｎ ｏ ｉａ ｉｎ， ａ ｄ ｉ ｎ ｔ ｓ ｐ ｒｅ ａｇ ｃ ｌ ｒｌ ｓ ｅ ｓ ｒｎｅｗｏ ｋ ｌ． ｕ ｐｏ ｓｌｒ ｅ ｓ ａｅ ｗｉｅｅ ｓ ｓ ｎ ｏ ｔ ｒ ｓｗｅ１ ｔ Ｋｅ ｏ ｄ ｙ ｗ ｒ ｓ： ｉ ｔａ ｙ； ｃ ｄｅ ｓｉ ｅ ｎｉ ｌｋｅ ｉ ｏ ｌｃ ｓ；ｋｅ ｐｄ ｔｎ ｙ ｕ ａ ｉｇ
自身保存的变量 ｉ 的值 与节点 。发来 的数据包 中 的值是否一
致 ， 果 不 一 致 ， 节点 ｂ 自身 保 存 的 与节 点 ｎ之 间 的对 称 如 则 将
ｄ ｉ１ ． ９９ ｊｉ ｎ １０ — ６ ５ ２ １ ．６ ０ ８ ｏ：０ ３ ６ ／．ｓ ．０ １ ３ ９ ．０ １０ ．５ ｓ
Ｋｅ ｐ ａｉ ｇ ｓ ｈ ｍｅｆｒｗｉｅｅ ｓ ｓ ｎ ｏ ｅｗｏ ｋ ａ ｅ ｎ ｃ ｄ ｌｃ ｓ ｙ ｕ ｄ ｔｎ ｃ ｅ ｏ ｒｌｓ ｅ ｓ ｒｎ ｔ ｒ ｓｂ ｓ ｄ ｏ ｏ ｅ ｓｉｅ
朱凌志 ， 王建新 马行坡 ，
（． １ 中南大 学 信 息科 学与工程 学院 ， 长沙 ４０８ ； ． 南工 学院 计算机 与信 息科 学系 ， 南 衡 阳 ４ １０ ） １０３ ２ 湖 湖 ２０ ８
摘 要 ：针 对 当前 无线传 感器 网络密钥 更新 技 术存 在 的安 全 隐 患 ， 出了一 种基 于代 码 片段 的 密钥 更新 方 案 提
之 间 的对 称 密 钥 进 行 更 新 。 １ １ 预 分 配 阶 段 ．
Ｅ ｛ａ ， 。 表示节点 ａ使用第 ｉ ‰ ｄ ｔ Ｉ ｝ ａＤ 次密钥更 新后 的对称 密钥对传输数据以及节点 ａ的 Ｉ Ｄ进行加密 ，表示节点 ａ进行
密 钥 更 新 的 次 数 。 当节 点 ｂ 到 ａ发 来 的数 据 包 时 ， 先 比较 收 首
具 有很 高的安全 性 ， 同时具 有计算 、 通信 开销低 的特点 ， 完全支持 大规模 无线传 感 器网络 。
关 键词 ：初 始密钥 ； 代码 片段 ；密钥更 新 中图分类 号 ：Ｔ ３ ３ ０ Ｐ ９ ．８ 文献标 志码 ：Ａ 文章编 号 ：１０ — ６ ５ ２ １ ）６ ２ １ —３ ０ １３ ９ （０ １ ０ —２ ２ ０
率较低 ， 同时节点的抗捕 获能力较差 。文献 ［ ］ ２ 提出 的 ｑＣｍ— －ｏ
ｐｓｅ ｏｉ 方案对文献 ［ ］ ｔ １ 中提 出的方 案进行 了改进 ， 出将 两个 提 节点之 间的所有共享密钥的异或值作 为节点之 间的对称密钥 ， 然而 ， 文献［ ］ ２ 无法有 效解决 节点 之间对称 密钥 的更新 问题。 基于 Ｂｏ ｌ ｍ等人 提 出的基于对称矩 阵 的对称 密钥建立 方案 ，
本文假设传感器节点随机分布 ， 并假设从节点被捕 获到获
文献［ ］ 出了一 种能够应 用于传 感器 网络 的密钥预分 配方 ４提
收稿 日期 ：２ １ —８ ２ ；修回 日期 ：２ １ ・１ １ ００ ０ －３ ０ １Ｏ — １
基金项 目：新世纪优 秀人才支持计划资助项 目（ Ｃ Ｔ０ －６３ Ｎ Ｅ －５０ ８ ）
线 传 感 器 网络 密钥 管理 、 线 传 感 器 网络 数 据 管 理 ． 无