一种WIA-PA网络的密钥分配方案

一种WIA-PA网络的密钥分配方案

文章编号：１６７１—４５９８（２０１０）０１—０１８６一０３中图分类号：ＴＰ３０９．７文献标识码：Ａ

一种ＷＩＡ—ＰＡ网络的密钥分配方案

韩

瑞，刘

枫

（西南大学计算机与信息科学学院，重庆４００７１５）

摘要：密钥分配是ＷＩＡ—ＰＡ网络通信安全的基础，由于ＷＩＡ—ＰＡ用于Ｔ业现场环境恶劣、节点资源非常受限、ｍｅｓｈ与ｓｔａｒ双层拓扑结构等特点，传统的基于公钥和可信任的街钥分配中心等方式不能实用；针对ＷＩＡ－ＰＡ网络特点，提出用对称加密算法和单向哈希函数的密钥管理方案，并可满足前向和后向安全性Ｉ与目前使用的随机密钥分配相比。方案不仅具有较好的效率。并且更适合于ＷＩＡ－ＰＡ网络。

关键词：ＷＩＡ－ＰＡ；密钥分配；组密钥；网络安全

Ｋｅｙ

ＭａｎａｇｅｍｅｎｔＳｃｈｅｍｅ

ｏｆ

ＷＩＡ—ＰＡ

Ｎｅｔｗｏｒｋｓ

ＨａｎＲＵｉ。ＬｉｕＦｅｎｇ

（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｅｅ，ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｋｅｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ

ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ

Ｑｉｏｎｇ

ａｒｅ

４００７１５，Ｃｈｉｎａ）

ｕｓｅｄ

ｉｎ

ｐｌａｙｓ

ａ

ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ

ｒｏｌｅｉｎ

ｓｔａｒ

ＷＩＡ—ＰＡｎｅｔｗｏｒｋｓ．ＡｓＷＩＡ－ＰＡｎｅｔｗｏｒｋｓ

ｔｗｏｔｏｐｏｌｏｇｉｅｓ，ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ

ｄｉｓｃｕｓｓ

ｋｅｙ

ｅｘｅｃｒａｂｌｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ

ａｓ

ｉｎ

ｆｉｅｌｄ，ｎｏｄｅｒｅｓｏｕｒｃｅ—ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ。ｍｅｓｈａｎｄ

ｏｒ

ｍａｎａｇｅｍｅｎｔｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ｓｕｃｈｐｕｂｌｉｃｋｅｙｃｒｙｐ—

ａ

ｔｏｇｒａｐｈｙ

ｋｅｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ

ｕｓｉｎｇ

ｃｅｎｔｅｒ，ａｒｅ

ｏｆｔｅｎｎｏｔ

ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ．Ｗｅ

ａｎｄ

ｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＷｌＡ－ＰＡｎｅｔｗｏｒｋｓ，ａｎｄ

ｆｏｒｗａｒｄａｎｄ

ｐｒｏｐｏｓｅｋｅｙｍａｎａｇｅ—

ｍｅｎｔｓｃｈｅｍｅ

ｐｒｏｖｉｄｅｓ

Ｋｅｙ

ｓｙｍｍｅｔｒｉｃｅｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ

ｉｓ

Ｈａｓｈｉｎｇ

ｆｕｎｃｔｉｏｎｗｈｉｃｈｃａｎａｃｈｉｅｖｅ

ｂａｃｋｗａｒｄｓｅｃｕｒｉｔｙ．Ｔｈｉｓｓｃｈｅｍｅ

ｈｉｇｈｅｒｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｍｏｒｅｓｕｉｔａｂｌｅｔｈａｎｐｒｅｖｉｏｕｓｒａｎｄｏｍｋｅｙｍａｎａｇｅｍｅｎｔｓｃｈｅｍｅｓｆｏｒ

ｓｅｃｕｒｉｔｙ

ＷＩＡ—ＰＡｎｅｔｗｏｒｋｓ．

ｗｏｒｄｓ：ＷＩＡ－ＰＡ；ｋｅｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ；ｇｒｏｕｐｋｅｙ；ｎｅｔｗｏｒｋ

Ｏ

引言

ＷＩＡ—ＰＡ是我国制定的用于过程自动化的工业无线网络规

范，采用星型和ｍｅｓｈ结合的两层网络拓扑结构［１］，如图１所示。第一层是ｍｅｓｈ结构，由网关设备及路由设备构成；第二层是星型结构，由路由设备及现场设备或手持设备构成。网关是整个ＷＩＡ—ＰＡ网络与外界网络的接口，将接收来自ＷｌＡ－ＰＡ网络中节点发送过来的所有数据。网关一般作为ＷｌＡ－ＰＡ网络的控制中心，部署在可控制的环境下不会被敌人俘获，而且处理能力、内存及无线发射功率都不受限制。簇首节点不仅负责对簇内数据进行预处理，并把处理好的数据发送给网关，而且负责簇内的组密钥管理。普通节点只需采集周围环境的数据并发往簇首节点，节点与其他簇内节点之间的通讯通过簇首转发。

ＷＩＡ—ＰＡ要用于工业现场，安全问题值得关注。由于ＷＩＡ—ＰＡ网络节点在能量、计算能力和通信带宽方面的限制，非对称式的加密算法，高成本的运算方式如模、指数型等运算，都不能直接运用于ＷＩＡ—ＰＡ网络的通信。在传统网络中使用的基于第三方的密钥协议也不适用于ｗＩＡ－ＰＡ网络。因此，对称加密算法更适应于ＷＩＡ—ＰＡ网络。在安全密码系统中，其核心问题是密钥的分发问题，如何根据ＷＩＡ—ＰＡ网络的特点，设计合理、安全、高效的密钥分发方案是提高ＷＩＡ－ＰＡ安全的关键问题。

根据图１所示的ＷＩＡ－ＰＡ网络模型，在ＷＩＡ－ＰＡ网络中

收稿日期：２００９一０７—０６；修回日期：２００９一０８—２７．基金项目：国家８６３基金项目（２００７ＡＡ０４１２０１—７）。

作者简介：韩瑞（１９８４一）。男，硕士研究生，主要从事计算智能与计算机控制系统方向的研究。

图１

ＷＩＡ—ＰＡ网络结构

存在两个通信层Ｌ２］。第一层是网关与簇首之间的通信，第二层是簇首与簇内普通节点之间的通信。另外，根据不同的安全性需求，各通信层还可采用配对与群组密钥来保证点对点通信。簇首节点和普通节点都可能会被俘虏，一旦被俘虏，这个节点上的所有信息将被泄露，本文中假定网关始终是安全的，且一个被俘虏的节点能够被它的邻居节点发现。

ｌ安全解决方案

１．１预共享密钥分发方案

预共享密钥分发方案【３３是在所有的传感器节点内预先配置一个相同的密钥，所有的节点均利用该密钥进行加密、解密、认证以及密钥的更新。这种方案能够快速有效地添加新增加节点，但是它的整个网络使用一个相同的密钥，一旦密钥被攻破，整个网络将无安全性。

１．２

Ｅ－Ｇ随机密钥预分配方案Ｈ１

该方案的基本思想是在节点部署前，部署服务器首先生成

中华测控网

ｃｈｉｎａｍｃａ．ｃｏｍ

万方数据　

一种WIA-PA网络的密钥分配方案

笙！塑堕塑：竺！二登！！尘！垒塑笪丝查塑坌堡查室：！！！：

一个密钥总数为Ｐ的密钥池及密钥标识，每个节点从密钥池里随机选取奄个不同的密钥。节点部署后，节点间通过密钥协商建立直接或间接共享密钥。

则两个相邻节点之间共享密钥的概率：

，一，７—１

（２）簇首节点之Ｉ’日Ｊ建立簇问通讯密钥后，簇首节点ＣＨ。广播包含自己ＩＤ，的Ｂｅａｃｏｎ，进行簇内节点发现。当节点侦听到簇首Ｂｅａｃｏｎ（可能是一个或几个簇首所发送的Ｂｅａｃｏｎ）后，根据簇首节点的信号强度来判断离簇首节点的远近，进而确定加入那个簇。假定节点Ｊ要加入簇户，则

Ｖ０≤Ｊ≤ｍ，Ｍ—ＣＨｐ：｛ＪＤ，，ＩＤｐ

（（Ｐ一是）！）２

（户一２ｋ）！ｐ！

ｋｐ｝（Ｋｗ。ｊ）

根据这个公式可以看出，每个节点预分配密钥数女只受限于节点的存储资源大小。在确保密钥共享图连通的条件下，安全连通概率越大越有利，为此可以适当减小密钥池大小，不过密钥池减小在增大安全连通概率的同时将导致方案安全耐受性的

ｒ陴。

由于簇首节点ＣＨｐ无法解开数据包，直接将其转发给网关，网关解开数据包，知道节点Ｊ请求加入簇Ｐ。当网关收集到所有请求加入的节点后，根据节点的请求，确定全网的分簇

拓｝ｈ结构

（３）网关分别用与各节点共享的密钥加第ｐ簇的节点Ｊ与 …… 此处隐藏：5926字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……