[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出一种基于身份的密钥预分配方案（IBPRF），利用伪随机函数（PRF）实现无线传感器网络中安全、低开销的成对密钥建立。该方案在抵抗节点捕获方面具有完美安全性，通信开销最小，网络连通性极强，相较于现有方案如EG、q-composite和多项式池，在静态与移动传感器网络中均展现出更优的安全性与效率权衡。

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.

研究动机与目标

• 解决资源受限、动态且移动的无线传感器网络（WSNs）中的安全密钥管理挑战。
• 克服传统公钥体系及现有对称密钥预分配方案在通信开销、抵抗节点捕获能力及网络连通性方面的局限性。
• 设计一种支持动态节点添加的方案，适用于任意部署拓扑结构，并在部分节点被物理捕获时仍保持安全性。
• 在EG、q-composite和多项式池等现有方案的基础上，实现通信成本、连通性与抗性之间更优的权衡。

提出的方法

• 使用伪随机函数（PRF）基于节点身份派生成对密钥，消除对预共享密钥环的依赖。
• 为每个传感器节点分配唯一身份，并利用PRF根据其身份计算与邻近节点的共享密钥。
• 通过节点向邻居发送一条简短消息宣告共享密钥的存在，随后由邻居本地执行PRF计算，实现密钥建立。
• 通过基于身份的密钥派生机制，支持部署后新增节点的动态网络管理。
• 设计IBPRF的改进版本，以实现大规模传感器网络中的高效可扩展性。
• 通过确保即使节点身份及其密钥材料被泄露，密钥派生在计算上仍不可行，实现对节点捕获的完美安全性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种密钥预分配方案，在无线传感器网络中实现对节点捕获的完美抗性，同时最小化通信开销？
• RQ2 与现有方案（EG、q-composite、多项式池）相比，所提出的IBPRF方案在网络连通性与抗性方面表现如何？
• RQ3 该方案能否支持动态网络操作，如部署后的新增传感器节点？
• RQ4 基于节点身份的PRF相比基于随机密钥环的方案，在效率与安全性方面有何提升？
• RQ5 该方案在大规模传感器网络中的可扩展性如何？如何进一步增强其可扩展性？

主要发现

• IBPRF方案实现了对节点捕获的完美安全性，即即使有限数量的节点被攻破，攻击者也无法推导出非被攻破节点之间的任何共享密钥。
• 通信开销显著降低——每对密钥建立仅需一条简短消息，而EG与q-composite方案需多条加密消息。
• 在相同密钥存储容量（200个密钥）下，IBPRF的网络连通性优于基于多项式池的方案，尤其在需要抵抗节点被攻破的情况下。
• IBPRF中两节点间建立共享密钥的概率取决于网络规模与密钥环大小，且在满足抗性约束条件下，其连通性表现优于多项式池方案。
• IBPRF的改进版本能有效支持大规模传感器网络，保持低开销与强安全性。
• 该方案可适配移动传感器网络，因为密钥派生仅依赖于身份，而不依赖于固定物理位置或预先部署的拓扑知识。