[论文解读] 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 12

一句话总结

本文提出一种用于无线传感器网络的两阶段密钥预分配方案，结合随机分配与继承机制，以优化安全性能权衡。该方案在理论上证明了两阶段方案相较于随机密钥分配，在平均连通性、q-复合连通性以及节点被捕获时的链路脆弱性方面表现更优，仿真结果也证实了其在降低链路泄露风险和提升专属密钥共享方面的优势。

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.

研究动机与目标

• 解决在敌对环境中部署的大规模、资源受限的无线传感器网络的安全挑战。
• 克服纯随机密钥预分配方案存在的连通性低和抗节点捕获能力差的局限性。
• 构建一个分析框架，用于量化密钥预分配方案的安全性与性能权衡。
• 设计一种两阶段密钥预分配机制，以增强网络连通性及抗节点篡改能力。
• 采用新型定量指标对两阶段方案与随机密钥预分配方案进行评估与比较。

提出的方法

• 提出一种两阶段密钥预分配方案，其中传感器节点接收来自层次化簇结构中父节点的继承密钥与随机分配的密钥的混合组合。
• 引入一种逻辑图模型，其中边表示节点之间的共享密钥，并利用该模型分析网络连通性与q-复合连通性。
• 定义并分析关键指标，如链路脆弱性、不可攻破性以及专属密钥概率，以评估在节点被捕获情况下的安全性。
• 推导出在单个与多个节点被捕获情况下，链路被攻破的概率的解析表达式，并对两阶段方案与随机方案进行比较。
• 实现一种机制，根据密钥的共享节点数（即密钥的“可及性”）对共享密钥进行排序，优先选择专属密钥用于安全通信。
• 在包含1000个节点的网络中进行仿真，密钥池大小为8000–10000，每节点密钥空间为40–150，以验证分析结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在平均网络连通性与q-复合连通性方面，两阶段密钥预分配方案相较于随机密钥预分配方案表现如何？
• RQ2 在任意数量的节点被捕获情况下，通信链路保持安全的概率是多少？该概率在两阶段方案与随机方案之间有何差异？
• RQ3 在两阶段方案下，节点对之间共享的专属密钥数量如何随网络规模变化？与随机分布相比有何不同？
• RQ4 在全局与局部化节点捕获模型下，单节点捕获对通信链路脆弱性的影响分别如何？
• RQ5 在每种方案下，被攻破的q-复合链路数量如何随被捕获节点数的增加而变化？

主要发现

• 两阶段方案在q值增大时，显著优于随机密钥预分配方案，其平均q-复合度更高。
• 在两阶段方案下，随着每节点密钥数量的增加，节点对之间至少共享一个专属密钥的概率急剧上升。
• 在单节点与多节点捕获场景下，两阶段方案的平均被攻破通信链路数均低于随机密钥分配方案。
• 在两阶段方案下，通信链路的脆弱性度量VC低于随机密钥预分配方案，且该优势随网络规模增大而增强。
• 由于被捕获节点与通信对共享密钥的可能性降低，两阶段方案下通信链路的不可攻破性更高。
• 仿真结果证实，当给定数量的节点被捕获时，两阶段方案能有效减少被攻破的q-复合链路数量，同时提升节点对之间的专属密钥数量。