信ｌ息ｌ科 学 吕奎彭志娟 科 椭圆曲线密码在无线传感器网络中的应用研究 （南通大学计算机科学与技术学院，江苏南通２２６０１９） 摘要：分析比较无线传感器网络现有密钥管理方案，从节省资源消耗和提高安全性出发研究椭圆曲线密码在无线传感器网络中应用的必要 性和可行性，为无线传感器网络安全研究指引新的方向。 关键词：无线传感器网络；安全；椭圆曲线密码 １概述 安全通信。ｑ－ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ随机密钥预分配模型基 无线传感器网络（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔ— 本随机密钥预分配模型的连通性进行了改进，ｗｏｒｋｓ，ＷＳＮ）就是由部署在监测区域内大量的 仍无法保证１００％安全连通。随机密钥对模型 廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式 是一个概率模型，同样存在安全拓扑图不连通 形成的一个多跳的自组织的网络系统ｆ如图１）， 的问题。已提出的无线传感器网络其它的密钥 在军事、环境、医疗健康、智能家居、城市车辆监 管理方案往往局限于特定的场合和特定的条件 ３．２优越性 目前被认为是安全和有效公钥密码 测和跟踪等其它商业领域具有广泛的应用前 下，不具有通用性。 景，甚至在空间探索和灾难拯救等特殊领域也 上述种种缺陷表明，采用对称技术进行密 的算法有：ＲＳＡ、ＥＣＣ、ＤＳＡ，相比较而言，ＤＳＡ的 有得天独厚的技术优势，是近几年国内外学者 钥的管理和分发是一个潜在危险的和繁琐的过 安全强度和速度均低于ＲＳＡ，它仅提供数字签 ＥＣＣ基于离散对数 和科研机构的研究热点。无线通信方式、部署环 程，只有通过非对称密码技术才能使密钥管理 名，不提供数据加密功能；境的开放性恶劣性和网络的自组织性使其更容 变得更加简单和更加安全，并能解决纯对称密 的计算困难性，与ＲＳＡ方法相比，具有安全性能 更高、计算量小、处理速度快、存储空间占用小、 易遭受包括窃听、身份伪造、节点被俘、强大的 钥模式中存在的可靠性问题和鉴别问题。 攻击点的破坏等攻击。安全是制约其实际应用 ３椭圆曲线密码在ＷＳＮ中应用的可行性 带宽要求低等更加适合于ＷＳＮ的优势。具体表 现为：ａ．１６０位ＥＣＣ与１０２４位ＲＳＡ有相同的安 的主要因素之一。 和优势 全强度。而２２４位ＥＣＣ则与２０４８位ＲＳＡ具有 ３．１可行性 ＥＣＣ的密钥尺寸和系统参 非对称密钥管理由于对节点的计算、存 相同的安全强度。ｂ．储、通信等能力要求比较高，曾一度被认为不适 数与ＲＳＡ相比要小得多，意味着它所占的存贮 用于ＷＳＮ，但一些研究表明，非对称加密算法经 空间要小得多。ｃ．带宽要求低使ＥＣＣ在无线网 络领域具有广泛的应用前景。 过优化后能适用于ＷＳＮ。例如：Ａｒｖｉｎｄｅｒｐａｌ等 表３不同公钥算法能耗比较（ｒｎＪ） 图ｌ无线传感器网络结构 用Ｍｉｃａ２ｄｏｔ为平台，试验并计算了运行其上的 无线传感器网络的安全性要求通信节点 基于公钥密码技术的认证和密钥交换所消耗的 能够彼此认证身份并加密通信的数据。认证和 能量，结果表明仅用８位的微控制器平台就可 加密都离不开密钥的管理，有效的密钥管理机 以基于公钥实现两个传感器节点之间的认证和 制也是其他安全机制的基础。目前针对无线传 密钥交换。就算采用软件实现，各方面的资源消 感器网络的密钥管理技术可以分为预共享和随 耗也是允许的。Ｄａｖｉｄ Ｊ．Ｍａｌａｎ等首次在 ｔ，７．３８２８一ＭＨｚ的ＭＩＣＡ２微尘节点上基于 机密钥预分配模型。它们都建立在对称密码技 ８－ｈｉ术之上，存在安全性低、适用网络规模小、可扩 ＥＣＣ实现了ＴｉｎｙＯＳ的ＴｉｎｙＳｅｃ密钥的分发。他 ４结论 展性弱和缺乏节点身份认证等问题。本文旨在 们在３４秒钟内生成了公钥，并在相同时间内完 ＥＣＣ具有密钥小、安全性高、计算速度快 详细分析无线传感器网络现有安全解决方案不 成了共享密钥的分发，消耗了１ｋ字节的ＳＲＡＭ 足的基础上，探索解决安全问题的新途径。从资 和３４ｋ字节的ＲＯＭ。Ｒｏｎａｌｄ ｗａＥｒ０等也为ＷＳＮ 和消耗资源小等众多优点。许多国际标准化组 织包括ＩＥＥＥ、ＡＮＳＩ、ＳＥＣＧ、ＩＳＯ、ＩＥＴＦ等已经将 源消耗和安全性两方面研究椭圆曲线密码（Ｅｌ— 提出了一个基于公钥的认证和密钥协商协议。ｌｉｐｔｉｃ Ｃｕｒｖｅ Ｃｒｙｐｔｏ，ＥＣＣ）在无线传感器网络中 Ｂｅｎｊａｍｉｎ Ａｒａｚｉ等从长短密钥混合使用、协同处 各种椭圆曲线密码作为标准颁布。在标准 一些基于标准的各种椭圆曲线加密、 应用的可行性和必要性，并基于椭圆曲线密码 理、自认证等多方面论述了在无线传感器网络 化的同时，密钥交换的软、硬件也相继问世。这些都 研究设计一种适用于无线传感器网络的动态密 中采用公钥技术对密钥进行管理可以进行的优 签名、将加速ＥＣＣ技术在ＷＳＮ中的广泛应用。本文 钥管理方法。最后，对所提方案进行验证分析。 化。 表１一种典型的无线传感器 旨在抛砖引玉，希望有更多研究者加入到基于 ２现有ＷＳＮ密钥管理方案的不足 公钥的ＷＳＮ安全技术的研究中来，寻求新技术 现有ＷＳＮ密钥管理方案可分为预共享密 网络节点性能参数 和新方法早日建立ＷＳＮ的公钥基础设施。 钥模型和随机密钥预分配模型两大类，都有各 处理器８－ｂｉｔ，４ＭＨｚ 实践研究表明ＥＣＣ在无线传感器网络中 具有更广阔的应用前景，且随着软、硬件技术的 进一步发展，节点成本将不断降低，配置也将不 断增强，资源问题将不再是非对称密码体 制在无线传感器网络中应用的重要因素。 誊 ’￣、－ 一 、、 葛 自的变体形式。 对于全局共享主密钥模型，一个节点的破 坏会导致整个网络的安全受损。网络中任意两 个节点共享一个主密钥方式扩展性不好，无法 加入新的节点，对复制节点没有任何防御力，网 络的免疫力很低，每个节点需要存储的密钥多， 支持的网络规模小。如果让每个普通节点与网 关节点之间共享一对主密钥，可以节省每个节 点的密钥存储空间，但是该模型过分依赖基站， 节点被俘会泄漏与基站的秘密，而基站被俘则 整个网络被攻破。 基本随机密钥预分配模型中可能存在这 样的节点或着一组节点，它们和它们周围的节 点之间没有共享密钥，所以不能保证它们进行 存储器 通信 ｕｃ曲 Ｋ ｂｙｔｅ ｓ ｉ ｎｓｔｒＭ“ ５１２ ｂｙｔｅｓ ＥＥＰＲＯＭ 带宽 ９１６／ｖＩｎｚ ｒａｄｉｏ １０Ｋｂｐｓ 表２密钥长度比较（单位：ｂｉｔ） 责任编辑：曲庆莲 一９７—
