[논문 리뷰] Hierarchical Approach for Key Management in Mobile Ad hoc Networks

A Renuka, K C Shet|ArXiv.org|2009. 10. 01.

Security in Wireless Sensor Networks참고 문헌 16인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 중앙 집중식 기관에 의존하지 않는 완전히 분산된 계층적 그룹 키 관리 기법을 모바일 애드혹 네트워크(MANETs)에 제안한다. 중국의 나머지 정리와 재키잉 절차를 최적화하여 단 한 번의 라운드로 일정한 메시지 크기 3을 유지함으로써 계산, 통신 및 에너지 소비를 감소시킨다. 분석과 시뮬레이션을 통해 기존의 DLKH 및 DOWFT와 같은 기법들보다 대규모 고속도 이동 환경에서 뛰어난 성능을 보임을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기반 시설이 없는 고속도 이동 성향이 높은 모바일 애드혹 네트워크(MANETs)에서 확장성 있고 안전한 그룹 키 관리의 과제를 해결하기 위해.
• 키 배포 및 관리에서 신뢰할 수 있는 기관이나 중앙 집중형 서버에 의존하지 않기 위해.
• 대규모 MANET에서 키 재키잉 동안 계산, 통신 및 에너지 오버헤드를 줄이기 위해.
• 그룹 크기에 관계없이 일정한 복잡도를 유지하는 재키잉 절차를 설계하기 위해.
• 기존 기법들인 DLKH 및 DOWFT와 비교해 확장성과 효율성을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 노드들이 클러스터로 조직되고 각 클러스터는 클러스터 헤드에 의해 관리되는 계층적 아키텍처를 사용하여 확장 가능한 키 배포를 가능하게 한다.
• 재키잉 중 메시지 크기를 줄이고 효율적인 키 유도를 위해 중국의 나머지 정리(CRT)를 사용한다.
• 재키잉 과정이 단 한 번의 통신 라운드만 요구하도록 설계되어 지연 시간과 에너지 소비를 최소화한다.
• 안전한 키 합의를 위해 버미스터-데스메드 프로토콜과 디피-헬먼 키 교환 기법의 요소를 통합한다.
• 작은 메시지 포맷을 사용해 각 재키잉 이벤트당 교환되는 비트 수를 줄인다.
• 중앙 기관이 없는 완전한 분산 구조를 확보하여 동적인 MANET 환경에서의 내구성을 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기반 시설이 없는 대규모 고속도 이동 모바일 애드혹 네트워크에서 그룹 키 관리의 확장성과 효율성을 어떻게 확보할 수 있는가?
• RQ2 계층적이고 분산된 키 관리 기법이 기존 기법들인 DLKH 및 DOWFT와 비교해 재키잉 오버헤드를 줄일 수 있는가?
• RQ3 중국의 나머지 정리를 사용할 경우 키 재키잉에서 메시지 크기와 통신 비용이 얼마나 감소하는가?
• RQ4 고정 크기의 재키잉 메시지가 동적인 MANET 환경에서 계산 및 에너지 소비에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 기존 기법들과 비교해 통신, 계산 및 에너지 효율성 측면에서 제안된 기법의 성능은 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 기법은 그룹 크기에 관계없이 항상 3개의 메시지로만 재키잉 복잡도를 일정하게 유지하지만, DLKH 및 DOWFT와 같은 기법들은 구성원 수에 따라 증가함을 보여준다.
• 중국의 나머지 정리를 활용해 키 메시지의 크기를 작게 유지함으로써 재키잉 중 전송되는 비트 수를 크게 감소시킨다.
• 시뮬레이션 결과, 특히 고속도 이동 환경에서 기존 기법들보다 계산 및 통신 오버헤드가 낮음을 입증한다.
• 더 적은 전송과 더 작은 메시지 크기 덕분에 에너지 소비가 감소하여 모바일 노드의 배터리 수명이 연장된다.
• 신뢰할 수 있는 제3자에 의존하지 않고도 완전히 분산된 환경에서 보안성과 확장성을 유지한다.
• 성능 분석 결과, 대규모 MANET에서 통신, 계산 및 에너지 효율성 측면에서 DLKH 및 DOWFT를 능가하는 것으로 확인된다.