[論文レビュー] An Identity Based Key Management Scheme in Wireless Sensor Networks

Ashok Kumar Das, Debasis Giri|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2011

Security in Wireless Sensor Networks参考文献 12被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、擬似乱数関数（PRF）を用いて安全で低コストのペアワイズ鍵確立を可能にする、無線センサーネットワーク（WSN）向けの本人証明基盤鍵予備配布方式（IBPRF）を提案する。この方式は、ノードの乗っ取りに対して完全な耐性を示し、通信オーバーヘッドを最小限に抑え、高いネットワーク接続性を実現しており、EG、q-コンポジット、多項式プールといった従来の方式よりも、静的および移動型センサーネットワークにおけるセキュリティと効率性のトレードオフにおいて優れている。

ABSTRACT

Pairwise key establishment is one of the fundamental security services in sensor networks which enables sensor nodes in a sensor network to communicate securely with each other using cryptographic techniques. It is not feasible to apply traditional public key management techniques in resource-constrained sensor nodes, and also because the sensor nodes are vulnerable to physical capture. In this paper, we introduce a new scheme called the identity based key pre-distribution using a pseudo random function (IBPRF), which has better trade-off between communication overhead, network connectivity and resilience against node capture compared to the other key pre-distribution schemes. Our scheme can be easily adapted in mobile sensor networks. This scheme supports the addition of new sensor nodes after the initial deployment and also works for any deployment topology. In addition, we propose an improved version of our scheme to support large sensor networks.

研究の動機と目的

• リソース制限があり、動的かつ移動可能な無線センサーネットワーク（WSN）における安全な鍵管理の課題に対処すること。
• 通信オーバーヘッド、ノード乗っ取りに対する耐性、ネットワーク接続性の観点から、従来の公開鍵システムおよび既存の対称鍵予備配布方式の限界を克服すること。
• 動的ノード追加を可能とし、任意の展開トポロジに適応可能であり、一部のノードが物理的に乗っ取られてもセキュリティを維持できる方式を設計すること。
• EG、q-コンポジット、多項式プールといった既存方式を改善し、通信コスト、接続性、耐性の間でより優れたトレードオフを実現すること。

提案手法

• ノードのIDに基づいてペアワイズ鍵を導出するため、擬似乱数関数（PRF）を用い、事前共有鍵リングの必要性を排除する。
• 各センサーノードに固有のIDを割り当て、PRFを用いてそのIDに基づき隣接ノードとの共有鍵を計算する。
• ノードが隣接ノードに、共有鍵の存在を示す短いメッセージを1通送信することで鍵確立を可能とし、その後、相手ノードがローカルでPRF計算を実行する。
• 新規ノードの展開後追加を可能とする動的ネットワーク管理を可能とし、IDに基づく鍵導出により実現する。
• 大規模センサーネットワークに効率的にスケーリング可能なIBPRFの改良版を設計する。
• ノードのIDとその鍵資産が漏洩した場合でも、鍵導出が計算的に不可能であるようにすることで、ノード乗っ取りに対して完全なセキュリティを確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ノード乗っ取りに対して完全な耐性を示しつつ、WSNにおける通信オーバーヘッドを最小限に抑える鍵予備配布方式を設計できるか？
• RQ2 提案されたIBPRF方式は、EG、q-コンポジット、多項式プールといった既存方式と比較して、ネットワーク接続性と耐性の観点でどのように異なるか？
• RQ3 展開後における新規センサーノードの追加といった動的ネットワーク運用をサポートできるか？
• RQ4 ノードのIDに基づくPRFの使用は、ランダム鍵リングベースの方式と比較して、効率性とセキュリティの面でどのように向上するか？
• RQ5 この方式は大規模センサーネットワークにおいてどのようにスケーラブルであり、そのスケーラビリティをどのように向上できるか？

主な発見

• IBPRF方式は、ノード乗っ取りに対して完全なセキュリティを達成しており、一部のノードが侵害されても、非侵害ノード間の共有鍵を敵が導出できない。
• 通信オーバーヘッドが顕著に低減されている—鍵確立に必要なメッセージは1通の短いメッセージのみで、EG や q-コンポジット方式における複数の暗号化メッセージと比較して顕著に少ない。
• 同じ鍵保存容量（200キー）の条件下で、ノードの乗っ取りに対する耐性が求められる状況において、IBPRFのネットワーク接続性は多項式プールベース方式を上回っている。
• IBPRFにおける2ノード間の共通鍵確立確率はネットワークサイズと鍵リングサイズに依存し、耐性制約下でも高い接続性を維持する点で、多項式プール方式を上回っている。
• IBPRFの改良版は、大規模センサーネットワークにおいても効果的に機能し、低オーバーヘッドと強固なセキュリティを維持している。
• 鍵導出が物理的位置や事前のトポロジ知識に依存しないため、移動型センサーネットワークにも適応可能である。