一種改進的水下無線傳感器網絡聚合簽名方案

華國新

一種改進的水下無線傳感器網絡聚合簽名方案

華國新

(浙江廣廈建設職業技術大學 信息與控制工程學院, 浙江 東陽, 322100)

水下無線傳感器網絡(UWSN)是由動態連接節點組成的網絡, 其特點為構建戰場信息網提供了有利保證。但UWSN數據中心需要對收到的節點消息進行快速驗證, 并保證消息不被篡改, 同時保護節點身份和位置的私密性。現有的UWSN采用聚合簽名方案實現了消息的快速簽名并保證了消息的完整性, 但需要較復雜的模冪運算, 導致了計算復雜度增加, 計算開銷提高。針對此問題, 文中提出了一種不使用模冪運算的聚合簽名方案, 該方案中信任機構和私鑰生成中心根據節點提交的身份標識字符串生成節點臨時密鑰, 節點利用其臨時密鑰生成節點假名集、私鑰和公鑰, 并通過節點假名集和私鑰對發送的消息進行簽名, 數據中心將收到所有的簽名消息進行聚合, 并利用節點公鑰對簽名進行驗證。在計算橢圓曲線離散對數難題(ECDLP)和隨機預言機模型假設下, 該方案被證明能夠抵抗適應性選擇消息攻擊和ID攻擊下的存在性偽造。與其他傳統簽名方案相比, 在完成消息快速簽名及認證的同時, 該方案具有更高的計算效率, 并且能夠保護節點的身份和位置的私密性。

水下無線傳感器網絡; 聚合簽名; 隨機預言機模型; 橢圓曲線離散對數難題

0 引言

水下無線傳感器網絡(underwater wireless sensor network, UWSN)通常包括水下節點、匯聚(sink)節點、地面基站、衛星等部分[1]。在UWSN中, 傳感器節點定期收集數據并將它們傳輸到匯聚節點, 最后通過互聯網到達地面基站。其在數據傳輸方面面臨的主要挑戰包含如下幾個方面: 1) 監控傳感器網絡通常包括成百上千個傳感器節點, 它們產生大量的傳感器數據需要傳送到匯聚節點; 2) 由于水下傳感器節點能量有限, 在惡劣的環境下, 一旦部署了節點就無法及時進行能量補充, 因此, 為了降低節點能耗, 對信息的傳輸必須使用高效的傳輸手段; 3) 防止受損節點或惡意節點發送大量虛假數據甚至篡改數據并保護傳輸過程中起到重要作用的源節點和中繼節點的位置隱私。

為了降低節點信息傳輸能耗, 國內外學者提出了數據聚合方法: 文獻[2]提出了一種基于聚類的數據聚合技術, 其通過最大限度地減少數據冗余來減少整個網絡消耗的能量; 文獻[3]提出設計一種基于模糊集的UWSN數據聚合方案, 該方案利用節點剩余能量、節點密度、鏈路負載和鏈路質量作為模糊邏輯模塊的輸入, 基于模糊邏輯模塊的輸出, 選擇合適的簇頭充當聚合器節點; 文獻[4]通過減小數據包大小和最小化數據冗余來減少能量消耗。上述文獻均只考慮了數據傳輸時的能耗, 然而在傳輸過程中, 如果傳輸數據包的節點位置信息暴露給攻擊者, 對整個網絡結構會造成極大的影響。針對此問題, 文獻[5]提出了一種包含多條虛假路徑的節點位置隱私保護方法, 其通過在通信范圍內隨機選擇能量較高的隨機節點進行虛假數據包的傳輸, 同時為了避開攻擊者的監測區范圍, 通過產生對攻擊者起到干擾作用的反向節點, 增加攻擊者追蹤真實數據包的難度, 但其不能保護數據傳輸的完整性。為此, 文獻[6]提出了基于代數簽名的水下數據傳輸方案, 但其需要進行代價較高的模冪運算。

文中提出了一個低計算代價的數據聚合簽名方案, 該方案中不使用模冪運算, 數據簽名只需相對較少的能量損耗。此外, 新方案利用信任機構和私鑰生成中心根據節點提交的身份標識字符串生成節點臨時密鑰,節點利用其臨時密鑰生成節點假名集、私鑰和公鑰, 并通過節點假名集和私鑰對發送的消息進行簽名, 護了節點的身份和位置的私密性, 性能分析和比較表明, 新方案與相關的基于數字簽名的水下數據傳輸方案相比, 計算開銷更低。

1 系統模型及流程

系統模型由信任機構(trust agency, TA)、私鑰生成中心(key generation center, KGC)、水面信息采集平臺、水下節點、匯聚(sink)節點、水面網關和衛星等部分組成, 如圖1所示。

圖1 系統模型

其具體流程為:

1) TA對系統進行初始化以生成系統參數;

2) KGC對網絡上的所有節點進行注冊, 生成節點的臨時密鑰;

3) 水下節點在收到其臨時密鑰后, 利用假名集和密鑰生成算法生成其偽身份、私鑰和相應的公鑰;

4) 水下節點利用其偽身份、私鑰、狀態信息和當前時間戳等生成其獨特的簽名, 然后將此簽名附加到需發送的匯聚節點消息上;

5) 當匯聚節點接收到多個水下節點消息后, 為了實現效率和減少開銷, 匯聚節點將所有的簽名進行聚合, 并對聚合簽名進行驗證, 將驗證失敗的消息丟棄, 通過驗證的消息被匯聚節點接受并發送到水面信息采集平臺。

2 UWSN聚合簽名方案

UWSN聚合簽名方案由5 個部分組成, 分別是系統初始化、臨時密鑰生成、私鑰生成、消息簽名及消息批量認證。

2.1 系統初始化

系統初始化由TA完成, 其步驟如下。

1) TA隨機選取2個安全的大質數和, 以及1個由下式定義的非奇異橢圓曲線[7]

2.2 臨時密鑰生成

KGC根據式(6)進行驗證計算

節點的臨時密鑰

2.3 假名集及私鑰生成

分別計算私鑰和公鑰

2.4 消息簽名

然后生成密文

2.5 消息批量認證

當匯聚節點收到多條信息時, 采用式(18)進行批量認證來提高效率。

匯聚節點可由下式批量驗證簽名的正確性[8]。

3 安全性證明

由上式可得

4 仿真試驗結果

試驗利用一臺CPU為英特爾I7-4770、內存4GB、操作系統為Windows 7的電腦得到簽名算法相關操作的運行時間, 如表1所示。表中考慮4種類型運算:上的模冪運算、點加運算、點乘運算及小數字點乘運算。仿真試驗中和為160位的大素數, 并假定在1 km×1 km×1 km 的區域隨機部署2000個傳感器節點, 為了增加試驗的真實性, 水下所有的傳感器節點服從隨機分布, 其中匯聚節點漂浮于海平面, 源節點部署于海底。具體的系統參數設置如表2所示。

表1 簽名方案相關操作運行時間

表2 仿真參數設置

4.1 計算代價比較

表3 簽名算法計算代價比較

圖2和圖3比較了文中方案與已有方案消息簽名和批量消息認證的計算與通信代價。從圖2可以看出, 文中方案與文獻[6]相比簽名時間代價更小。從圖3可以看出, 因文中采用了無模冪運算的批量消息認證方案, 與已有方案相比具有更高的消息認證計算效率。

4.2 通信帶寬比較

圖2 不同簽名方案消息簽名時間代價比較

圖3 不同簽名方案消息批量認證時間代價比較

5 結束語

針對現有UWSN簽名方案需要復雜的模冪運算, 文中提出了一種有效的消息聚合簽名方案。新方案中TA和KGC根據節點提交的身份標識字符串生成節點臨時密鑰, 節點利用其臨時密鑰生成節點假名集、私鑰和公鑰, 并通過節點假名集和私鑰對發送的消息進行簽名, 當節點需要向數據中心發送數據時, 首先利用其偽身份、私鑰、狀態信息和當前時間戳等生成其獨特的簽名, 然后節點將此簽名附加到需發送到的匯聚節點消息上。匯聚節點接收到多個消息后, 為了實現效率和減少開銷, 將所有的簽名進行聚合, 并利用節點公鑰對聚合簽名進行驗證。性能分析和比較表明, 新方案與已有簽名方案相比, 計算開銷更低, 帶寬消耗更小。

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An Improved Aggregate Signature Scheme for Underwater Wireless Sensor Networks

HUA Guo-xin

(Zhejiang Guangsha Construction Vocational & Technical University, Information and Control Engineering College, Dongyang 322100, China)

Underwater wireless sensor networks(UWSN) is a network composed of dynamic connection nodes. Its characteristics provide a favorable guarantee for the construction of battlefield information network. However, it is necessary that data center in UWSN quickly verifies the received messages, ensures that the message is not tampered, and can protect both identity and location privacies of nodes. The existing aggregate signature schemes can achieve rapid verification of messages and ensure integrity of the messages, but they incur high computation and communication overhead because their constructions rely on complex mathematical operations such as modular exponentiation. In this paper, an effective aggregate signature scheme without modular exponentiation is proposed. This scheme is performed by the trust agency(TA) and key generation center(KGC) to generate a temporary secret key(TSK)according to the identity string submitted by the node. On receiving TSK from the KGC, each node generates a set of pseudonym, private key and public key. Then node signs a message using its pseudonym and private key. The data center aggregates all signed messages received and validates the signature using public key of the node. Under the assumption of calculating the elliptic curve discrete logarithm problem (ECDLP) and the random oracle model, the new scheme is proved to be able to resist the existence forgery under adaptive selection message attack and identity document(ID) attack. Compared with other traditional signature schemes, the proposed scheme can provide fast signature and verification of message, have higher computing efficiency, and protect privacy of identity and location of node.

underwater wireless sensor networks(UWSN); aggregate signature; random oracle model; elliptic curve discrete logarithm problem

TJ630.34; TP309

A

2096-3920(2020)04-0428-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.04.011

2019-07-29;

2019-10-08.

華國新(1965-), 男, 副教授, 主要研究方向為機械制造與自動化技術.

華國新. 一種改進的水下無線傳感器網絡聚合簽名方案[J]. 水下無人系統學報, 2020, 28(4): 428-433.

(責任編輯: 陳 曦)