论文研究-基于矩阵的无线传感器网络密钥预分配.pdf

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为了提高邻居节点建立共享密钥的概率, 减少无线传感器网络资源的消耗, 从而进一步提高无线传感器网络中的连通性, 提出了一种基于矩阵的无线传感器网络的随机密钥部署方案。该方案在无线传感器的目标划分区域中采用3×3矩阵的方式进行密钥预分配, 使邻居节点共享直接密钥的个数为q, 提高了节点间共享密钥的阈值, 减少了节点存储冗余密钥的数量。数据分析和仿真结果表明, 该方案不但在存储密钥数量和安全性方面有较好的性能, 而且连通率为100%。
第9期 郑亚红,等:基于矩阵的无线传感器网络密钥预分配 2801 钥,相互只需一跳就能进行通信,有效地减少了通信负载。假 从图2可以看出,本文方案不但有100%的连通概率,同 设发送和接收一条消息的能量消粔为ε,和c,计算消耗为e,时也保证了很好的安全性能,当捕获相同数量的节点时,破坏 密钥建立概率为P。表1为本方案和E-G方案、TGKP方案在络中安全链路的比例与EG方案和矩形、六边形方案相比 通信消耗和计算消耗的对比 更低。另外,由于本文方案相邻节点共享至少g个密钥,在有 表1节点能量消耗 共亭密钥的节点中进行通信时,可以随机选择其中一个共享密 方案 信消耗 计算消耗 钥建立安全链路,每次通信所用密钥不同,可以进一步增强无 EG方案 e +ce+ 线传感器网络的安全性。 本方案 TGKP方案 +ce.+ 通过表1可以看出,本文方案的通信消耗是最低的,计算消 邮C.6 耗略高。但硏究表明,无线传感器网络中传输消耗比计算消耗 要大得多,将Ili信息传至100m外的消耗与运行三千条指 大致相当。总的来说,本方案在能量消耗方面优于其他方案。 200400600800100012001400160018002000 被捕获节点个数 3.2连通性 图2节点抗捕获能力分析 全局连通性是指传感器网络的所有节点最大连接部分占 个网络的比例。如果全局连通性为9%,就意味着在尤线4结束语 传感器网络中有99%的节点相互之间是连通的。因此,全局 连通性可以衡量无线传感器网络中的节点由于无法连通而浪 本文提出了运用部署信息的基于矩阵的无线传感器网络 费的比例。本地连通性表示个网终中任意两个节点至少共 随机密钥预分配方案。该方案的每个传感器节点与其他方案 享一个密钥的概率。从2.2节可以看出,在本文方案中任意两 柑比仪需要存储少量密钥就能达到相同的安全性能,同时还能 保证百分之百的连通率。这对于具有有限资源的传感器来说, 个节点至少共享一个密钥的概率为1,即本地连通性为1。假 设n为每个节点的邻居节点数,为节点的通信半径,P.为本 是|分必要的。通过数据分析和仿真表明,只要相应参数满足 地连通性,P。为全局连通性,为节点总数,节点的度d指有 要求,邻居节点之间共享q个密钥的概率均为I,在通信时随 共享密钥的节点的个数,则有 机选择其中一个共亨密钥就能建立安全链路,提高了节点间共 n=(丌xr2xN)/(xn) 享密钥的阈值,减少了节点存储的冗余密钥,在保证很高网络 n×p1=(N-1)×(hn(N)+c)/N 连通性的同时减少了节点的存储消耗。 参考文献 则P与P满足 [I YICK J, MUKHERJEE B, GHOSAL D. Wireless sensor network sur vey[ J. IEEE Computer Networks, 2008, 52( 12 ): 2292-2300 h÷b×n×(N-1)×(g(N)-log(-lg(P) [2 MAO Guo-qiang, FIDAn B, ANDERSON B D 0. Wireless sensor mxr2×A2 network localization techniques[ J]. IEEE Computer Networks 在本方案中有如下配置r=40m,t=n=1000m,N 2007,51(1):2529-2553 1000。表2列出了矩形方案和六边形方案P与P2的关系。[3: DU Wen-liang, DENG Jing, HAN Y S,al. A key management 表2矩形方案与六边形方案木地连通性与仝局连通性 sensoR ployment 0.1 0.7 0.9 [C]//Proc of IEEE International Conference on Computer Communi 矩形方案的P0.16660.18490.20360.22790.2746 [4 ESCHENAUER L, GLIGOR V. A key management scheme for dis- 六边形方案的P10.26630.29560.32560.36440.4391 ributed sensor networks C]//Proc of the 9th ACM Conference on 通过计算可以得出,本方案的全局连通性约等于1,明显 Compuler and Comrmnical ions See urily. New York: ACM Press 2002:41-47 高于传统的矩形和六边形方案。 5 CHAN Hao-wen, PERRIG A, SONG D. Random key predistribution 3.3安全性分析 schemes for sensor nctworks[ C]//Proc of IEEE Symposium on Scc rity and Privacy. 2003: 197-213 假设当节点部署在目标区域后会遭受到敌手的物理攻击,[6 LIU Dong-gang, NING Peng, DU Wen-liang. Group-based key pre 敌手会捕获节点并获取节点内存中的信息。当敌手捕获定 distribution for wireless sensor nel works J. ACM Trans on Sensor 数量的节点时,对传感器网络中通信链路破坏的比例可以衡量 Networks,2008,4(2):1-30 尢线传感器网络的安全性。捕获一定数量的节点,对网络中通[7. DU Wen,iang, DENG Jing, HAN S,atat. A key pre-distribution 信链路影响的比例越小说明方案越安全。假设被捕获节点的 scheme for sensor nctworks using deployment knowledge[C]//Proc of IEEE INFOCOM. 2004: 586-597 数量为x,网络被俘通信链路的比例可用下式定义 [8 KONG Bei-bei, CHEN Hong-yang. Key pre-distribution schemes for large-scale wireless sensor nel works usiny hexagon partition[C]// Proc of wireless communications and Networking Conference. 2010 经过分析和统计,在大部分方案中无线传感器网络的全局 18-21. 连通性为0.6左右,本方案中全局连通性和本地连通性均为1,「9余旺科无线传感器网络密钊管理方案研究「D1.西安:西安电子 提高了节点间其享密钥的阈值,同时减少了节点冇储的冗余密 科技大学,201 钥。随着共享密钥阈值的增大,攻击者破坏安全链路的难度呈101 YU Zhen, GUAN Yong. A key management scheme using deployment 指数増大,同时保证了较高的网络安全连通性。当捕获相同数 knowledge for wireless sensor networks[ J]. IEEE Trans on Parallel and Distributed Systems, 2008, 19(10): 1411-1425 量的节点时,被俘的通信链路比例低于其他方案,冇效地提高了[1]余旺科,马文平.无线传感器网络密钥预分配方案研究[J].网络 网络的抗毁性。图2为几种密钥预分配方案的安全性能对比。 安全技术与应用,2010,10(5);19-21

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