基于非均勻分簇的HWSN密鑰預(yù)分配方案的研究

黃慧娟，許 勇，張 海

(安徽師范大學(xué) 數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)學(xué)院，安徽 蕪湖 241003)

基于非均勻分簇的HWSN密鑰預(yù)分配方案的研究

黃慧娟，許 勇，張 海

(安徽師范大學(xué) 數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)學(xué)院，安徽 蕪湖 241003)

密鑰管理問題一直是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的熱點研究問題之一。針對傳統(tǒng)的密鑰預(yù)分配方案具有能量不均衡以及網(wǎng)絡(luò)生存周期短的問題，文中設(shè)計了一種新的基于分簇結(jié)構(gòu)的異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的密鑰預(yù)分配方案(New Clustering In Key Pre-distribution，NCIKP)。詳細(xì)給出了簇首選擇過程、非均勻分簇過程以及密鑰預(yù)分配過程,在選擇簇首時將同時考慮節(jié)點的能量消耗率、節(jié)點到基站的距離以及節(jié)點的鄰接程度。通過仿真實驗與分析，相較其他的密鑰預(yù)分配方案，此方案較好地滿足了異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全和能耗需求。

異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò);非均勻分簇;密鑰預(yù)分配;能量均衡

0 引 言

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSN)[1]的應(yīng)用發(fā)展，WSN的安全通信日益受到關(guān)注。傳感器節(jié)點通常被隨機置于無人監(jiān)聽環(huán)境之中，易遭受竊聽威脅，也容易被捕獲和破壞，這使得一些常用加密體系中的密鑰管理方法(如公鑰加密體系)不再適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)。目前，在WSN安全通信中，較為普遍使用的是密鑰預(yù)分配方案[2-9]。根據(jù)WSN構(gòu)造形態(tài)，可將其分為異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)(Heterogeneous Wireless Sensor Networks，HWSN)和同構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)。同構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的密鑰預(yù)分配方案的研究已有很多成果[3-6]，相對而言，針對異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的密鑰預(yù)分配方案[8-9]還比較少。

文中主要關(guān)注異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的密鑰預(yù)分配問題。因異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點具有能量差異性，在進(jìn)行密鑰預(yù)分配過程中，若不進(jìn)行節(jié)點能量的均衡與優(yōu)化，則可能導(dǎo)致部分節(jié)點過早耗盡能量而失效。因此文中設(shè)計了一種新的基于分簇結(jié)構(gòu)的異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰預(yù)分配方案(New Clustering In Key Pre-distribution，NCIKP)，采用二級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),綜合考慮節(jié)點的能量消耗率、節(jié)點到基站的距離以及節(jié)點的鄰接程度選擇簇首,用以均衡節(jié)點的能量消耗；同時，簇首節(jié)點通過競爭形成不同半徑的簇,以防止“熱區(qū)”的出現(xiàn)；在此基礎(chǔ)上分別對簇首節(jié)點以及簇內(nèi)節(jié)點進(jìn)行密鑰預(yù)分配。

仿真實驗表明，該方案具有較好的安全性能，有效提高了網(wǎng)絡(luò)能量利用率,延長了網(wǎng)絡(luò)生存周期。

1 相關(guān)工作

密鑰預(yù)分配一直是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全研究領(lǐng)域的一個研究熱點。對于同構(gòu)無線傳感網(wǎng)絡(luò),2003年，Eschenauer和Gligor[3]提出了最經(jīng)典的E-G方案,其基本思想是：每個節(jié)點從一個大的密鑰池中隨機分配一些密鑰來構(gòu)成自己的密鑰環(huán)，需要通信節(jié)點之間通過發(fā)現(xiàn)彼此密鑰環(huán)中的公共部分來確定共享密鑰，然后選擇一個作為其會話密鑰。該方案由于不需要任何先驗信息，所以安全性一般；隨后Chan等[4]在E-G方案上進(jìn)行改進(jìn)，提出了q-composite方案，將2個節(jié)點之間共享密鑰數(shù)提高到q個，增強了安全性；Du等[5]提出了一種根據(jù)節(jié)點部署信息的密鑰預(yù)分配方案,有效提高了網(wǎng)絡(luò)的連通性；2013年，王小剛等[6]提出了一種基于二次型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理方案，該方案利用二次型正交對角化特性建立會話密鑰，提高了安全性和可擴展性。

關(guān)于異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，早在2002年，Duarte等[7]就指出了對比傳統(tǒng)的同構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)具有更長的生命周期和可測性。據(jù)此，馬春光[8]等于2009年提出了一種基于區(qū)域的異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰預(yù)分配方案。該方案將網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測范圍劃分為多個區(qū)域，同時將密鑰池也劃分為多個子密鑰池，在一定程度上提高了相鄰節(jié)點共享密鑰的概率，但是密鑰池的劃分較為復(fù)雜;2010年，馬春光等[9]又提出了一種基于按對平衡設(shè)計的異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰預(yù)分配方案。該方案針對網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的異構(gòu)性，利用按對平衡設(shè)計構(gòu)造了不同的節(jié)點密鑰環(huán)，增加了網(wǎng)絡(luò)的連通性，有效降低了網(wǎng)絡(luò)的通信負(fù)載。但上述方案僅實現(xiàn)了安全的密鑰預(yù)分配，沒有考慮不同節(jié)點的能量差異性，在實際運行中，部分節(jié)點可能因能量過早耗盡而引起失效。

針對這個問題，研究者們給出一種分簇算法，通過合理構(gòu)造分簇結(jié)構(gòu)，將在實現(xiàn)安全通信的同時，也能達(dá)到均衡網(wǎng)絡(luò)能量消耗及延長網(wǎng)絡(luò)壽命的目的。經(jīng)典的分簇算法有LEACH[10]、HEED[11]等，但這些算法在選擇簇首節(jié)點時隨機性比較大，而且在能量節(jié)省方面也考慮不夠；2007年，陳貴海[12]等提出一種非均勻分簇路由機制(EEUC)。該算法考慮到了節(jié)點剩余能量這一因素，實現(xiàn)了節(jié)點間的能量消耗平衡，但仍沒有解決簇首節(jié)點選擇時隨機性較大的問題。2006年，卿利等[13]提出了一種異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式能量有效成簇算法(DEEC)。該算法將節(jié)點剩余能量作為選擇簇首節(jié)點的主要因素，并且給出了計算最優(yōu)簇頭公式以及優(yōu)化簇頭比例公式,可是該算法沒有考慮到節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中所處的位置，僅以節(jié)點剩余能量為依據(jù)，存在靠近基站的節(jié)點由于承擔(dān)過多的任務(wù)而過早能量耗盡的問題。2014年，劉唐等[14]提出了一種異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的分簇算法(DUBP)。該算法首先利用能耗因子進(jìn)行動態(tài)分區(qū)，再利用Floyd算法計算節(jié)點的路徑因子，隨后進(jìn)行分簇。算法在一定程度上延長了網(wǎng)絡(luò)壽命，但僅考慮普通節(jié)點間的能量消耗，卻未考慮到簇首間的能量均衡。

總體上說，現(xiàn)有的分簇算法存在的問題主要有兩點:一是在簇首選擇時考慮的因素不夠全面，具有較大的隨機性，存在部分節(jié)點過早能量耗盡的問題；二是鮮有考慮到簇首節(jié)點間的能量均衡，使得靠近基站的簇首不僅要承擔(dān)本簇的數(shù)據(jù)融合任務(wù)，且要為其他簇進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，即存在“熱區(qū)”問題。

2 NCIKP方案設(shè)計

通過對傳統(tǒng)的密鑰預(yù)分配方案的研究，針對其在進(jìn)行安全通信時未能很好地實現(xiàn)節(jié)點能量均衡的問題，給出了一種解決方案，即設(shè)計了一種針對異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的基于分簇結(jié)構(gòu)的密鑰預(yù)分配方案。

2.1 基本假設(shè)

該方案假設(shè)共有N個傳感器節(jié)點，隨機分布在一個W*W的正方形區(qū)域內(nèi)，所有的節(jié)點是靜止或者是微移動的，從而避免網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁改變。

表1為方案中的符號及其意義。

2.2 分 簇

2.2.1 分簇準(zhǔn)備

定義1(節(jié)點到基站的距離)：

(1)

定義2(節(jié)點的鄰接程度)：與節(jié)點i之間的跳數(shù)不超過2跳的節(jié)點都是i的相鄰節(jié)點。

(2)

定義3(節(jié)點的能量消耗率)：

(3)

定義4(節(jié)點權(quán)值)：

w(i)=di,BS*a+N(i)*b+v(i)*(1-a-b)

(4)

2.2.2 簇首選擇

(1)閾值T(n)的推導(dǎo)。

表1 方案中的符號及其意義

文獻(xiàn)[13]提出計算優(yōu)化簇頭的公式：

優(yōu)化簇頭比例為：

假設(shè)形成的簇共有L個節(jié)點，除去簇首節(jié)點，簇內(nèi)還有L-1個節(jié)點，則簇內(nèi)節(jié)點到基站的平均距離可表示為：

結(jié)合式(3)可推出簇內(nèi)節(jié)點的平均損耗率為：

結(jié)合式(2)可推出簇內(nèi)節(jié)點的平均相鄰節(jié)點數(shù)目為：

綜合上述分析，這里給出更適合異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點成為簇首節(jié)點的概率公式：

(5)

在LEACH給出的閾值T(n)計算公式的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，得到新的閾值計算公式：

T(i)=

(6)

其中，G為最近1/P輪中還未當(dāng)選簇首的節(jié)點的集合；r為節(jié)點連續(xù)未當(dāng)選簇首節(jié)點的輪數(shù)，一旦當(dāng)選，將r重置為0。

(2)簇首節(jié)點產(chǎn)生流程。

①通過節(jié)點與節(jié)點間、節(jié)點與基站間發(fā)送消息，每個節(jié)點分別算出自己到基站的距離、自己的鄰接節(jié)點數(shù)、能量損耗速率即di,BS,N(i)以及V(i)。

③節(jié)點根據(jù)式(6)計算成為簇首節(jié)點的概率門限閾值T(i)。

⑤其余節(jié)點在本輪競爭結(jié)束前都保持睡眠狀態(tài)，在本輪競選結(jié)束后，下一輪競選按照上述四個步驟重復(fù)進(jìn)行。

2.2.3 分簇形成

(1)簇半徑計算公式。

文中采用文獻(xiàn)[12]中節(jié)點的競爭半徑公式：

(7)

其中，dmax為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點距離基站BS的最遠(yuǎn)距離；dmin為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點距離基站BS的最近距離；C為0-1之間的一個常數(shù)；Rmax為網(wǎng)絡(luò)中允許的最大競爭半徑。

(2)每輪非均勻成簇流程。

①節(jié)點計算自己成為簇首的概率p(i)以及閾值T(i)。

③臨時簇首節(jié)點廣播自己的標(biāo)識號ID，競爭半徑Ri以及權(quán)值w(i)。

④若節(jié)點j收到i發(fā)送來的消息，便開始接下來的判斷。

⑤若滿足d(i,j)

⑥i檢查是否本簇中所有節(jié)點的權(quán)值都小于自己的權(quán)值，若是，則廣播一條消息BEHEAD_MSG(ID)給所有相鄰的臨時簇首節(jié)點，通知自己成為本輪簇首。

⑦若i收到本簇中節(jié)點j成為簇首的廣播消息，則i必須放棄本輪簇首的機會，然后廣播一條退出消息QUIT_MSG(ID)。

⑧若i收到一條來自簇中j的退出請求消息QUIT_MSG，則立刻將j從簇中刪除。

⑨在每輪簇首節(jié)點競爭結(jié)束后，其余普通節(jié)點就從睡眠狀態(tài)恢復(fù)過來，所有的簇首節(jié)點廣播一條CH__MSG到全網(wǎng)，普通節(jié)點判斷收到的來自不同簇首節(jié)點的消息，選擇加入一個信號最強的簇中，然后給該簇首節(jié)點發(fā)送消息JOIN_CH_MSG,通知其自己成為它的簇成員。此時該輪的成簇過程完成。

2.3 密鑰預(yù)分配

此階段包括四個部分：基站為簇首分配密鑰、簇首為簇內(nèi)節(jié)點分配密鑰、同一簇內(nèi)節(jié)點的通信、不同簇內(nèi)節(jié)點的通信。

2.3.1 基站為簇首分配密鑰

基站產(chǎn)生一個密鑰池S，為每一個密鑰分配一個唯一的編號KID；在上面階段通過競爭當(dāng)選簇首的節(jié)點向BS發(fā)送Cki,BS(ID,di,BS)，告知基站自己成為了簇首；基站根據(jù)di,BS來給簇分配一個唯一的編號CID(di,BS越小，CID越小)；簇首節(jié)點廣播消息(CID,ID)來發(fā)現(xiàn)自己的鄰接簇，發(fā)送給基站自己鄰接簇的CID，讓基站知道整個網(wǎng)絡(luò)的簇首之間的相鄰關(guān)系；基站根據(jù)簇首的鄰接簇數(shù)目以及鄰接簇已分配密鑰的情況為每個簇分配一定的密鑰，構(gòu)成自己的密鑰池。

2.3.2 簇首為簇內(nèi)節(jié)點分配密鑰

簇首生成本簇內(nèi)的會話密鑰CHK，簇首節(jié)點從上面分配得到的密鑰池中隨機選擇r個密鑰分配給簇內(nèi)節(jié)點，構(gòu)成節(jié)點的密鑰環(huán)，分配的密鑰數(shù)不宜過多也不宜過少，過少會出現(xiàn)“孤立點”，從而導(dǎo)致通信困難；過多可能會造成單個節(jié)點被捕，整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓的危險。

2.3.3 同一簇內(nèi)節(jié)點的通信

2.3.4 不同簇內(nèi)節(jié)點的通信

為安全起見，規(guī)定不同簇內(nèi)節(jié)點通信必須選擇簇首節(jié)點作為中間節(jié)點。假設(shè)2個位于不同簇的節(jié)點i,j想要通信，它們分屬的簇頭分別為C1,C2，若2個節(jié)點間有k1,k2,…,kL個相同密鑰，則利用hash函數(shù)計算，得到hash(k1‖k2‖…‖kL),來作為二者的共享密鑰Ki,j，節(jié)點i用Ki,j將要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，得到EKi,j(數(shù)據(jù))，然后用CHK1進(jìn)行第二次加密，即把ECHK1{EKi,j(數(shù)據(jù))}發(fā)送給C1，C1用CHK1解密，得到EKi,j(數(shù)據(jù))；C1用其與C2的密鑰KC1,C2加密EKi,j(數(shù)據(jù))，隨后發(fā)給C2；C2用KC1,C2解密，然后用CHK2加密得到ECHK2{EKi,j(數(shù)據(jù))}，發(fā)給j,j隨后兩次解密得到原始數(shù)據(jù)，通信完成。

3 安全性分析及性能分析

3.1 安全性分析

在該方案中，簇首節(jié)點需要向基站注冊自己的身份以及鄰接簇情況，因此即使一個簇首被攻擊者冒充，也會立即被基站檢測出來；基站根據(jù)簇首鄰接簇情況為其分配密鑰，隨后簇首再從自己的密鑰池中隨機取部分密鑰分配給簇內(nèi)節(jié)點，因此不同節(jié)點被分配到相同密鑰的概率較低；在同一個簇內(nèi)節(jié)點通信時，若采用以往算法中通過廣播節(jié)點密鑰來建立會話密鑰的方法，則會增加被攻擊的概率，因此該方案中同簇節(jié)點建立會話密鑰時采用節(jié)點取自己的密鑰來加密一個隨機數(shù)和本簇標(biāo)識號并與其他節(jié)點加密結(jié)果比較的方法，提高了安全性；此外該方案規(guī)定，在不同簇內(nèi)節(jié)點通信時必須經(jīng)過簇首節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)，進(jìn)行二次加密，可以保證即使一個簇被攻擊，也不會影響到其他簇的安全，且利用了hash函數(shù)的單向性，有效防止攻擊者從單個節(jié)點的密鑰來推算出節(jié)點間的通信密鑰。

3.2 性能分析

利用Matlab對文中分簇算法與LEACH和EEUC協(xié)議進(jìn)行性能比較分析。采用文獻(xiàn)[10]中提出的無線通信系統(tǒng)能量消耗模型來進(jìn)行計算。

(1)傳送一個l bit的數(shù)據(jù)包到距離d的節(jié)點需耗費的能量為：

(2)接收一個lbit字節(jié)的數(shù)據(jù)包需要的能量為：

ERx(l)=lEelec

表2為仿真采用的參數(shù)表；圖1為仿真場景圖。

表2 仿真參數(shù)表

圖1 200個節(jié)點隨機布于200 m*200 m的區(qū)域

死亡節(jié)點個數(shù)和網(wǎng)絡(luò)剩余能量隨著進(jìn)行的輪數(shù)變化情況比較見圖2和圖3。

4 結(jié)束語

文中設(shè)計了一種針對異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的基于分簇結(jié)構(gòu)的密鑰預(yù)分配方案(NCIKP)。在該方案中，首先給出了一種新的分簇算法，該算法可以有效地均衡節(jié)點間的能量消耗；在密鑰預(yù)分配過程中，將分別對簇首節(jié)點和簇內(nèi)節(jié)點進(jìn)行預(yù)分配，以降低節(jié)點被分配到相同密鑰的概率；同一簇內(nèi)節(jié)點在建立會話密鑰時，只需隨機取一個密鑰加密一個隨機數(shù)以及本簇標(biāo)識號，并與其余節(jié)點加密結(jié)果相比較即可，避免了廣播密鑰帶來的被攻擊的風(fēng)險；不同簇節(jié)點通信時，規(guī)定必須經(jīng)過簇首節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)，進(jìn)行二次加密，因此即使一個簇被攻擊，也不會影響到其他簇的安全，此外還加入了Hash函數(shù)，利用其單向性來進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)的安全性。

圖3 網(wǎng)絡(luò)剩余能量隨著進(jìn)行的輪數(shù)變化情況比較

通過仿真實驗表明，該方案具有較強的安全性，此外獲得了更好的能量利用率以及更長的網(wǎng)絡(luò)生命周期。

方案暫未考慮到異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的移動性這一問題，此外如何降低節(jié)點的計算和存儲開銷也將是下一步工作研究的重點。

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Research on Key Pre-distribution Scheme for Heterogeneous Wireless Sensor Networks Based on Unequal Clustering

HUANG Hui-juan,XU Yong,ZHANG Hai

(College of Mathematics and Computer Science,Anhui Normal University,Wuhu 241003,China)

The key management is always one of hot topics in wireless sensor network.For many traditional key pre-distribution scheme with energy imbalance and network short lifetime problem,a new cluster-based key pre-distribution scheme (New Clustering in Key Pre-distribution,NCIKP) for Heterogeneous Wireless Sensor Networks (HWSN) is proposed.The cluster head selection process,unequal clustering process and key pre-distribution process are given in detail.In the selection of cluster head,also consider node energy consumption rate,node distance to the base station and node adjacency degree.According to the simulation experiment,compared with other key pre-distribution scheme,it’s better to meet the security and consumption demand for HWSN.

heterogeneous wireless sensor networks;unequal clustering;key pre-distribution;energy balance

2015-04-03

2015-07-08

時間：2016-01-04

安徽省自然科學(xué)基金資助項目(11040606M137)

黃慧娟(1990-)，女，碩士研究生，研究方向為計算機網(wǎng)絡(luò)與信息安全；許 勇，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為計算機網(wǎng)絡(luò)與信息安全。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160104.1608.078.html

TP393

A

1673-629X(2016)02-0077-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.02.018