[論文レビュー] Hierarchical Approach for Key Management in Mobile Ad hoc Networks

A Renuka, K C Shet|ArXiv.org|Oct 1, 2009

Security in Wireless Sensor Networks参考文献 16被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、集中型の管理機関に依存しない完全分散型で階層的なグループ鍵管理方式を、モバイルアドホックネットワーク（MANET）向けに提案する。中国剰余定理（CRT）を活用し、再鍵処理手順を1ラウンドに限定し、定数サイズのメッセージ（3）にすることで、計算量、通信量、エネルギー消費量を削減した。解析とシミュレーションにより、大規模かつ高移動性環境下で、DLKH や DOWFT といった既存方式を上回ることを示した。

ABSTRACT

Mobile Ad-hoc Network (MANET) is a collection of autonomous nodes or terminals which communicate with each other by forming a multi-hop radio network and maintaining connectivity in a decentralized manner. The conventional security solutions to provide key management through accessing trusted authorities or centralized servers are infeasible for this new environment since mobile ad hoc networks are characterized by the absence of any infrastructure, frequent mobility, and wireless links. We propose a hierarchical group key management scheme that is hierarchical and fully distributed with no central authority and uses a simple rekeying procedure which is suitable for large and high mobility mobile ad hoc networks. The rekeying procedure requires only one round in our scheme and Chinese Remainder Theorem Diffie Hellman Group Diffie Hellmann and Burmester and Desmedt it is a constant 3 whereas in other schemes such as Distributed Logical Key Hierarchy and Distributed One Way Function Trees, it depends on the number of members. We reduce the energy consumption during communication of the keying materials by reducing the number of bits in the rekeying message. We show through analysis and simulations that our scheme has less computation, communication and energy consumption compared to the existing schemes.

研究の動機と目的

• インfraストラクチャのない、高移動性を示すモバイルアドホックネットワーク（MANET）におけるスケーラブルで安全なグループ鍵管理の課題に取り組む。
• 鍵配布および管理における信頼できる第三者や集中型サーバーへの依存を排除する。
• 大規模な MANET における再鍵処理の計算、通信、エネルギー消費オーバーヘッドを低減する。
• グループサイズにかかわらず定数の複雑さを維持する再鍵処理手順を設計する。
• DLKH や DOWFT といった既存方式と比較して、スケーラビリティと効率性を向上させる。

提案手法

• ノードをクラスタにグループ化し、各クラスタをクラスターヘッドが管理する階層的構造を採用することで、スケーラブルな鍵配布を実現する。
• 中国剰余定理（CRT）を用いて、効率的な鍵導出と再鍵処理時のメッセージサイズの縮小を実現する。
• 再鍵処理プロセスを1回の通信ラウンドに限定することで、遅延とエネルギー消費を最小限に抑える。
• 安全な鍵交換を実現するため、Burmester-DesmedtプロトコルとDiffie-Hellman鍵交換の要素を統合する。
• 鍵情報の送信にコンactなメッセージフォーマットを採用し、再鍵処理ごとの送信ビット数を削減する。
• 中央集権的機関が存在しない完全分散型アーキテクチャを実現することで、動的変化が激しいMANET環境におけるレジリエンスを高める。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 インfraストラクチャのない大規模かつ高移動性を示すモバイルアドホックネットワーク（MANET）において、グループ鍵管理をどのようにしてスケーラブルかつ効率的に実現できるか？
• RQ2 階層的で分散型の鍵管理方式は、DLKH や DOWFT といった既存方式と比較して、再鍵処理のオーバーヘッドを低減できるか？
• RQ3 中国剰余定理（CRT）を用いることで、鍵再鍵処理におけるメッセージサイズと通信コストはどの程度低減されるか？
• RQ4 定数サイズの再鍵処理メッセージが、動的変化が激しいMANET環境における計算量およびエネルギー消費量に与える影響はいかほどか？
• RQ5 通信、計算、エネルギー効率の観点から、本方式は既存方式と比較してどの程度のパフォーマンス向上を達成できるか？

主な発見

• 提案方式では、グループサイズにかかわらず再鍵処理の複雑さが定数の3メッセージに保たれる。これに対して、DLKH や DOWFT といった方式はメンバー数に比例して複雑化する。
• 中国剰余定理（CRT）の活用により、鍵情報のメッセージがコンactに小さく抑えられ、再鍵処理時の送信ビット数が顕著に削減される。
• シミュレーション結果から、特に高移動性環境下において、既存方式と比較して計算および通信オーバーヘッドが低減していることが示された。
• 送信回数の減少とメッセージサイズの縮小により、エネルギー消費が低減され、モバイルノードのバッテリー寿命が延びる。
• 信頼できる第三者に依存しない完全分散型環境でも、セキュリティとスケーラビリティを維持できる。
• パフォーマンス解析により、大規模なMANET環境において、通信、計算、エネルギー効率の観点で、DLKH や DOWFT を上回ることが確認された。