一种高效的传感器网络加密方案

散布在指定的感知区域内。在簇形成过程结束后，它广播一个信息：

*表示节点A所在簇内的任意节点，LA表示节点A的位置信息。

（5）收到该信息的所有节点将确信它在节点A的传输范围内，即二者在同一个簇中，并通过遍历其密钥环，检查是否存在与A广播的密钥标识符集相交的元素。假定节点C在其密钥环上发现存在与A标识符集相交的元素IDAC，则证明节点C与A共享有与IDAC对应的会话密钥KAC。于是，节点C返回给A一响应消息：

（6）A使用共享会话密钥KAC对响应消息进行解密，确信其密钥环与节点C有交集。

单跳密钥发现过程使得节点能够通过广播消息的方式，找到簇内与其共享有密钥环上某个会话密钥的节点。在单跳密钥发现过程结束后，节点A保存已找到共享实体的密钥，并将密钥环上其余密钥删除。

（7）对于簇内尚未与A建立共享密钥的节点来说，可以通过如下过程生成会话密钥。假定节点D在单跳密钥发现过程结束后，仍未与节点A建立共享密钥，但它找到与节点C共享的会话密钥KDC，且节点A与节点C也共享有密钥KAC。此时，A发送一个挑战信息给节点C在对其进行身份认证后，该信息包含A和D共享的密钥KAD及A的位置信息LA
（8）节点C解密消息，并将其使用密钥KDC对消息再次加密后转发给节点D：

（9）节点D验证挑战消息的合法性，并发送一个响应信息给节点A：

其中，nonce是一个随机数，LD是节点D的位置信息。

（10）节点A使用共享密钥KAD对响应消息进行解密，确信与D共享的密钥已经建立。

在多跳密钥建立过程结束后，簇内任意两个节点之间都共享有一个会话密钥。


2.消息加密协议
传感器网络中的会话密钥建立后，任意两个节点之间即可遵循消息加密协议进行安全通信。

（1）假定节点A需要与节点C进行通信，他首先计算加密密钥Ke和认证密钥Km:
（2）节点A使用加密密钥、认证密钥和计数器C对消息M进行加密并将其发送给节点C，发送的消息格式如下：

（3）节点C收到A发送来的消息后，重新根据共享密钥KAC来计算Ke和Km，并验证消息的合法性。

三、性能分析
1.安全性分析
节点A和C在会话过程中，使用了共享密钥KAC对消息进行了加密，节点C和D、D和A在会话密钥建立时也采取了相应的共享密钥加密的方法，使得攻击者无法获知传输消息的内容，因而机密性得到了保证。

由于通信双方共享唯一的会话密钥，该会话密钥具有与数字签名相似的身份认证功能，接收者可以通过数据源认证确信消息是从正确的节点处发送过来的，从而确保了消息的真实性。

消息认证码要求将共享密钥和待检验的消息连接在一起进行散列运算，根据散列函数的强无碰撞特性，对数据的任何细微改动都会对消息认证码的值产生较大影响，从而能够有效地防止攻击者对截获的信息进行篡改，保证了消息的完整性。

本方案将计数器信息包含在待加密消息中，共享密钥加密确保了攻击者无法获知和篡改计数器的信息，计数器的内容又能使接收者确信收到的数据是在最近时间内生成的最新数据，即消息是新鲜的。

在本方案中，会话过程不需要基站的参与，认证密钥和加密密钥可由通信双方根据共享的会话密钥自主地计算，从而有效地降低了基站的工作负荷，避免基站成为网络通信的瓶颈，这使得方案具有很好的可扩展性。

由于引入了认证密钥、加密密钥和计数器，本方案具备了身份验证、消息保密和内容保鲜等诸多功能，并能够有效防止各种攻击（如重放攻击），从而使得其可用性大大提高。

2.效率分析
在构建传感器网络加密方案时，我们充分考虑到节点计算速度、电源能量、通信能力和存储空间非常有限的特点，会话密钥建立协议和消息加密协议都设计得比较简单，参与各方在通信过程中需要传输的内容尽可能地少，并采取科学的分簇方法，合理确定簇的规模，确保通信的质量，减少因节点通信能力有限造成会话失败的机率。

同时，本方案避开了代价昂贵的公钥运算，通过引入对称密钥、散列算法和计数器，来达到公钥基础设施的类似功能，并通过减少会话步骤、简化计算方法来降低节点的工作负荷，从而使得整个方案的计算、存储和通信开销都非常小，大大提高了方案的执行效率。

四、结论
本文提出了一种传感器网络中的加密方案，该方案不需要基站的参与，认证密钥和加密密钥可由通信双方根据共享的会话密钥自主地计算，因而具有良好的可扩展性；方案在加密过程中使用了计数器和消息认证码，从而较好地满足了传感器网络的安全需求。同时，考虑到传感器节点计算速度、电源能量、通信能力和存储空间非常有限的实际情况，方案中有关的协议和算法设计得都比较简单，并使用对称加密算法来代替了代价昂贵的公钥算法，从而使得方案的各种开销都比较小，执行效率大大提高。

参考文献
I. F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, et al. A survey on sensor networks. IEEE Communications, August 2002, 40(8): 102~114.

Haowen Chan, Adrian Perrig. Security and Privacy in Sensor Networks. IEEE Computer, October 2003, 36(10): 103~105.来源：778论文在线  www.qiqi8.cn

Adrian Perrig, John Stankovic, David Wagner. Security in Wireles

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