自組網(wǎng)是由無(wú)線節(jié)點(diǎn)組成的不需要固定基站的臨時(shí)性的計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)。以提供安全、可靠的保密通信為目標(biāo)的密鑰管理方案和協(xié)議的設(shè)計(jì)是自組網(wǎng)安全中一個(gè)重要的研究課題，自組網(wǎng)的多跳通信和資源受限等固有特性使得密鑰管理面臨許多挑戰(zhàn)。該文在基于團(tuán)的快速分簇算法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于簇的分層密鑰預(yù)分配方案。分析表明，相比于傳統(tǒng)隨機(jī)密鑰預(yù)分配方案，新方案不僅能夠提高網(wǎng)絡(luò)的連通性，而且可以減少節(jié)點(diǎn)所需存儲(chǔ)空間。
關(guān) 鍵 詞 自組網(wǎng); 分簇; 預(yù)密鑰分發(fā); 安全性

自組網(wǎng)[1]由一些相互通信的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)間的通信不需要通過(guò)已存的通信設(shè)施。在其無(wú)線通信范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)是直接通信的，而一些相隔很遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)間的通信要通過(guò)中間節(jié)點(diǎn)來(lái)傳遞消息。盡管自組網(wǎng)很容易快速部署和方便地移動(dòng)，但是這種網(wǎng)絡(luò)與生俱來(lái)的弱點(diǎn)(如受到竊聽(tīng)、偽造、拒絕服務(wù)等攻擊)使得它很容易受到惡意的攻擊。為保證自組網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)行，節(jié)點(diǎn)間的通信應(yīng)加密，重要的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)需認(rèn)證。要達(dá)到此目的，首先必須解決密鑰分配問(wèn)題，在相互通信的節(jié)點(diǎn)間建立會(huì)話密鑰。
由于自組網(wǎng)絡(luò)特性，不宜采用公鑰密碼[2]，應(yīng)采用對(duì)稱加密算法、低能耗的認(rèn)證機(jī)制和Hash函數(shù)。在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中使用的基于可信第三方的密鑰分配協(xié)議[3]也不適用于自組網(wǎng)絡(luò)。目前普遍認(rèn)為可行的方法是采用密鑰預(yù)分配方案(Key Pre-distribution Scheme，KPS)，把需要的密鑰預(yù)先分發(fā)給節(jié)點(diǎn)。
1 相關(guān)工作
KPS有多種實(shí)現(xiàn)方法。文獻(xiàn)[4]提出一種隨機(jī)密鑰預(yù)分配方案R-KPS(Random Key Pre-distribution Scheme)，自組節(jié)點(diǎn)在部署前，從生成的密鑰池(Key Poo1)中隨機(jī)選取一定數(shù)目的密鑰子集，節(jié)點(diǎn)部署到指定簇后，通信雙方在各自的密鑰子集中尋找共同密鑰，每對(duì)節(jié)點(diǎn)協(xié)商密鑰時(shí)，只需在各自的密鑰子集中找到一個(gè)共同密鑰。在此方案基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[5]提出q重隨機(jī)密鑰預(yù)分配方案(q-Compositerandom Key Pre-Distribution Scheme)，如果一對(duì)節(jié)點(diǎn)之間要進(jìn)行安全通信，則必須在各自的密鑰子集中找到至少q個(gè)共同密鑰。文獻(xiàn)[8]利用正交向量表快速生成cover free family，并進(jìn)行密鑰預(yù)分配，同時(shí)在連通性和抗合謀兩方面取得較好的性能。文獻(xiàn)[9]基于LU Deco- mposition提出了計(jì)算復(fù)雜度較低的密鑰預(yù)分發(fā)策略。文獻(xiàn)[6]在隨機(jī)密鑰分配方案基礎(chǔ)上，提出一種適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的利用部署和位置信息的KPS方案。本文受文獻(xiàn)[6]研究工作的啟發(fā)，在分簇算法的基礎(chǔ)上，針對(duì)自組網(wǎng)特性進(jìn)行改進(jìn)，消除了節(jié)點(diǎn)需定位的缺點(diǎn)，并考慮兩兩鄰居簇間不同重疊因子，提出了基于簇的隨機(jī)密鑰預(yù)分配方案(Cluster-Based Random Key Pre-distribution Scheme，CB-KPS)。網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分簇算法后，覆蓋范圍劃分為較小的簇，節(jié)點(diǎn)按照所屬簇部署密鑰，在一定程度上能提高相鄰節(jié)點(diǎn)共享密鑰的概率。