安全组播密钥更新方案的研究

论文摘要

随着音频视频会议、多媒体广播、网络协同工作组的出现与迅速发展组播被广泛应用于一点到多点（one-to-many）和多点到多点（many-to-many）的通信中。安全组播需要满足:机密性（group secrecy）、前向安全（forward access confidentiality）和后向安全（backward access confidentiality）。只有拥有最新组密钥的当前组成员能够加密和解密组播报文,每当有成员离开或加入组时必须更新组密钥。近年来,安全组播的密钥更新（rekeying）问题一直受到关注。逻辑密钥树LKH（Logical Key Hierarchy）方案把密钥更新的复杂度从Ο（N）降至Ο（logN）,其中N是组成员的数量。这是一个非常突出的贡献,目前很多关于密钥更新的研究都是基于LKH的优化。组成员的加入和离开导致密钥更新,如果组成员变动频繁发生,或在短时间内集中大量发生,会对系统的性能造成很大的影响。本文针对安全组播中多成员集中变动引起的密钥更新管理问题,提出一种LKH优化方法。文章从成员属性间的内部联系出发,根据相同属性对成员关系变动的影响因子RIF（Rekeying Influence Factors）,对成员进行逐级分层聚类,使得相关度越高的成员在优化后的LKH中分布越集中。当大量同类成员由于同一个RIF的作用集中发生动态变化时,由于他们分布集中,更新过程涉及的分枝较少,因而能有效地节约平均密钥更新量和更新时所占用的带宽。本文研究基于影响因子的LKH优化,并给出相关算法,包括密钥树的构造算法和更新算法。我们还通过对比分析优化前后的密钥更新代价,证明了上述优化方法对于具有内在联系的大量同类成员集中发生动态变化的情况十分有效。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 组播的发展历史
• 1.2 组播的应用
• 1.2.1 点对多点的应用
• 1.2.2 多点对点的应用
• 1.2.3 多点对多点的应用
• 1.3 组播的安全
• 1.3.1 安全组播概述
• 1.3.2 安全组播密钥管理
• 1.3.3 安全组播密钥管理的关键问题
• 1.4 本文主要工作和篇章结构
• 第二章 LKH 方案
• 2.1 集中控制方式逻辑密钥树的产生
• 2.1.1 GKMP
• 2.1.2 Clique
• 2.1.3 Iolus
• 2.2 密钥树的构造
• 2.2.1 LKH 方案的数学定义
• 2.2.2 密钥树的初始生成
• 2.3 密钥树的更新
• 2.3.1 成员加入
• 2.3.2 成员离开
• 2.4 LKH 方案的性能分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于 LKH 方案的相关优化方法
• 3.1 单成员更新的优化方法
• 3.1.1 维持LKH 密钥树平衡的优化方法
• 3.1.2 降低GC 保存密钥数的优化方法
• 3.1.3 降低密钥更新延迟和带宽占用的优化方法
• 3.2 多成员更新的优化方法
• 3.2.1 批量更新LKH 优化方法
• 3.2.2 建立临时密钥树的优化方法
• 3.2.3 组成员概率的优化方法
• 3.3 本章小结
• 第四章 安全组播中基于影响因子的 LKH 优化方法
• 4.1 基于影响因子的LKH 优化
• 4.1.1 密钥更新影响因子
• 4.1.2 LKH 优化原理
• 4.2 优化方法的密钥树构造算法
• 4.2.1 限定条件分析
• 4.2.2 构造算法
• 4.2.3 深度调整
• 4.3 优化方法的密钥树更新算法
• 4.3.1 多成员离开（mass leaving）
• 4.3.2 单成员加入（individual joining）
• 4.3.3 多成员加入（mass joining）
• 4.4 理论性能分析
• 4.4.1 优化前的性能
• 4.4.2 优化后的性能
• 4.5 本章小结
• 第五章 仿真实验与实验结果
• 5.1 案例设计
• 5.2 仿真实验与实验结果
• 5.2.1 仿真实验
• 5.2.2 实验结果
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 硕士在读期间发表的论文
• 致谢