WSN中基于NTRUSign的改进密钥分发方案

无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是物联网（Internet of Things, IoT）发展的重要组成部分，其网络规模的扩展加重了负载，如何实施密钥管理成为研究的热点。信息安全性是衡量WSN的关键目标，其中密钥是基础元素。由于节点自身资源限制，对称密钥密码系统在WSN中一直是主要应用。与离散对数和椭圆曲线分解相比，NTRU（Number Theory Research Unit）作为一种公钥密码系统，具有更快的运算速度、更小的存储空间需求以及对量子计算攻击的抵抗力。 NTRU加密体系的显著优点已被公认为，NTRU签名算法被提出以改进WSN中密钥分发的安全性和保密性，克服NTRUSign的可塑性问题。提出了一种改进的基于NTRUSign的密钥分发方案，通过在节点间应用节点身份标识（Node ID）进行密钥协商，以实现节点间的认证并建立共享通信密钥；同时，在密钥协商完成后增加密钥更新过程，采用随机多项式和'01'多项式改变通信密钥以实现在公共通道上的安全通信。通过分析证明，所提出的算法在安全性、运行时间和内存消耗方面优于NTRUSign和NTRU。 NTRU签名算法是一种基于格的公钥签名方案，其安全性基于特定数学问题的困难性，这与传统的基于数论的密码体系不同。NTRU加密算法使用了多项式环上的运算，这使得它在某些方面比传统的基于椭圆曲线或离散对数问题的算法更为高效。这一点在资源受限的WSN中尤为重要。 改进方案的关键创新之一是使用节点ID进行密钥协商，这样可以确保每个节点的身份，保证密钥的唯一性和私密性。在WSN中，节点的ID可以被看作是唯一的标识符，结合NTRUSign可以为通信双方提供一种认证机制，这对于防止伪造和重放攻击至关重要。 密钥更新机制是改进方案的另一个重要组成部分。在密钥协商之后，为了防止长期使用的密钥遭受攻击，系统会定期或在特定条件下更新密钥。采用了随机多项式和'01'多项式来改变通信密钥，这些方法可以确保即使在公共通道上进行通信时，敌手也无法轻易获取密钥信息，从而实现了安全通信。 该方案在安全性、运行时间和内存消耗方面优于传统方案，这使得它更适合资源受限的WSN环境。由于WSN节点通常能量有限、计算能力较弱，以及内存较小，改进方案解决了这些限制下的密钥管理问题。这一点对于推动WSN向“智能地球”方向的发展具有重要意义。 通过国家自然科学基金的支持，该研究在提高WSN密钥管理的安全性和效率方面取得了进展。随着物联网和WSN技术的持续进步，对于密钥管理方法的研究，特别是在NTRU体系下的改进方案，将对未来的WSN应用和“智能地球”的构建产生深远影响。