[論文レビュー] Security-Performance Tradeoffs of Inheritance based Key Predistribution for Wireless Sensor Networks

Rajgopal Kannan, Lydia Ray+2 more|ArXiv.org|May 10, 2004

Security in Wireless Sensor Networks参考文献 21被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、ランダムおよび継承的キー割り当てを組み合わせることで、セキュリティと性能のトレードオフを改善する、無線センサネットワーク向けの2フェーズキープレディストリビューション方式を提案する。解析的に、2フェーズ方式はランダムキープレディストリビューションに比べ、平均接続性が高く、q-コンポosite接続性が優れており、ノードの乗っ取りに対してリンクの脆弱性が低いことを示している。シミュレーション結果は、リンクの損傷が低減され、排他的なキー共有が増加することを確認している。

ABSTRACT

Key predistribution is a well-known technique for ensuring secure communication via encryption among sensors deployed in an ad-hoc manner to form a sensor network. In this paper, we propose a novel 2-Phase technique for key predistribution based on a combination of inherited and random key assignments from the given key pool to individual sensor nodes. We also develop an analytical framework for measuring security-performance tradeoffs of different key distribution schemes by providing metrics for measuring sensornet connectivity and resiliency to enemy attacks. In particular, we show analytically that the 2-Phase scheme provides better average connectivity and superior $q$-composite connectivity than the random scheme. We then prove that the invulnerability of a communication link under arbitrary number of node captures by an adversary is higher under the 2-Phase scheme. The probability of a communicating node pair having an exclusive key also scales better with network size under the 2-Phase scheme. We also show analytically that the vulnerability of an arbitrary communication link in the sensornet to single node capture is lower under 2-Phase assuming both network-wide as well as localized capture. Simulation results also show that the number of exclusive keys shared between any two nodes is higher while the number of $q$-composite links compromised when a given number of nodes are captured by the enemy is smaller under the 2-Phase scheme as compared to the random one.

研究の動機と目的

• 敵対的環境に展開される大規模かつリソース制限のある無線センサネットワークを保護する課題に対処する。
• ノードの乗っ取りに対して脆弱で、接続性が低いという問題を抱える、完全にランダムなキープレディストリビューションの限界を克服する。
• キープレディストリビューション方式におけるセキュリティと性能のトレードオフを定量化するための解析的フレームワークを構築する。
• ネットワーク接続性とノードの改ざんに対する耐性を両方向上させる2フェーズキープレディストリビューションメカニズムを設計する。
• セキュリティおよび性能のための新しい定量的指標を用いて、2フェーズ方式とランダムキープレディストリビューションを評価・比較する。

提案手法

• 階層的クラスタ構造における親ノードから継承するキーとランダムに割り当てられたキーの混合を受け取る、2フェーズキープレディストリビューション方式を提案する。
• ノード間の共有キーをエッジとする論理的グラフモデルを導入し、これによりネットワーク接続性およびq-コンポサイト接続性を分析する。
• リンク脆弱性、不敗性、排他的キープロバビリティといった指標を定義・分析し、ノード乗っ取り下でのセキュリティを評価する。
• 単一および複数ノード乗っ取り下でのリンク損傷確率の解析的表現を導出し、2フェーズ方式とランダム方式を比較する。
• 共有キーを、キーを共有するノード数に基づく有効性（エリギビリティ）でソートするメカニズムを実装し、安全な通信に排他的キーポイントを優先する。
• キープールサイズが8000〜10000、ノードあたりのキースペースが40〜150の1000ノードネットワークを用いたシミュレーションにより、解析的結果を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2フェーズキープレディストリビューション方式は、ランダムキープレディストリビューションに比べ、平均ネットワーク接続性およびq-コンポサイト接続性においてどのように異なるか？
• RQ2 任意の数のノード乗っ取り下で、通信リンクが安全である確率はどの程度で、2フェーズ方式とランダム方式ではどのように異なるか？
• RQ3 2フェーズ方式では、ネットワークサイズの増加に伴い、ノードペア間で共有される排他的キーナンバーはどのように変化するか？ランダム配布と比較して。
• RQ4 両方のネットワーク全体および局所的乗っ取りモデル下で、単一ノード乗っ取りに対する通信リンクの脆弱性はどの程度か？
• RQ5 各方式において、捕獲ノード数の増加に伴い、損傷を受けるq-コンポサイトリンク数はどのように変化するか？

主な発見

• 2フェーズ方式は、qが増加するにつれて、ランダムキープレディストリビューションに比べ、顕著に高い平均q-コンポサイト次数を達成する。
• 2フェーズ方式では、ノードあたりのキーナンバーが増加するにつれて、ノードペアが少なくとも1つの排他的キーライドを共有する確率が急激に上昇する。
• 単一および複数ノード乗っ取りの両状況下で、2フェーズ方式ではランダム配布に比べ、損傷を受ける通信リンクの平均数が低い。
• 通信リンクの脆弱性指標VCは、2フェーズ方式の方がランダムキープレディストリビューションよりも低く、ネットワークサイズが大きくなるほどその優位性が顕著になる。
• ノード乗っ取りが任意に発生する状況下で、2フェーズ方式では、捕獲されたノードが通信ペアと共有キーを持つ可能性が低いため、通信リンクの不敗性が高くなる。
• シミュレーション結果は、特定の数のノードが捕獲された場合に、2フェーズ方式が損傷を受けるq-コンポサイトリンク数を減らし、ノードペアあたりの排他的キーナンバーを増加させることを確認している。