无线自组织网络组播密钥管理研究

论文摘要

随着无线自组织网络研究的逐渐深入，无线自组织网络的组播安全问题成为研究的热点之一，无线自组织网络中，很多网络功能，包括路由、邻居发现、密钥分发和拓扑控制都是面向群组的，需要一个发送节点将相同的信息发送给多个接收节点，对于需要机密传输的敏感信息，采用安全组播通信模式，能有效的降低网络传输负载，提高带宽利用率，因而在网络会议、车载通信、无线MESH网、战地自组织网等领域有着广泛的应用。组播密钥管理是组播安全研究的核心问题，在无线自组织网络中，由于其特有的移动性和开放性等特点，使得无线自组织网络的组密钥管理面临很大的挑战。首先，由于无线自组织网络无中心节点，无固定基础设施支持，如何在分布式的环境中对节点身份进行认证，是无线自组织网络组密钥管理面临的首要问题。对于大规模自组织网络，采用完全集中式或完全分布式的组密钥管理的方式容易形成系统单一失效点、产生网络分割、不同步等问题，实际应用中宜采用结合集中式和分布式优点的分散式的组密钥管理框架，子组中心管理和用户子组管理是框架的两个管理层次，对子组中心管理关注的是组密钥分发的安全性和效率，如何实现分布式身份可验证的组密钥分发是自组织网络组密钥管理的关键问题。其次，对于用户子组管理，由于只是在子组范围内的局部区域中进行的，一般采用树型的集中式管理方法，组密钥更新问题是目前该领域研究的重点，现有的方案大多基于平衡密钥树的思想进行构建，组密钥的更新问题主要是为了解决在成员加入和退出组时，能够提供满足组密钥更新的前向安全性和后向安全性条件下，如何提高组密钥更新的效率，尽量降低组密钥的更新开销，是自组织网络平衡树组密钥更新研究的核心问题之一。最后，采用非平衡的Huffman树可以保证理论上最佳的组密钥更新效率，实现平均用户密钥更新代价最低，但在实际应用中，由于成员加入或退出组的概率无法准确预估，而且Huffman树实际上是一个静态树，无法随着成员进出组的预估概率进行动态变化，如何提高Huffman树的动态性，提供实际可性的用户概率模型，是自组织网组密钥更新研究的另一个重要方向。本文针对上述问题，从如下三个方面研究无线自组织网络的组播密钥管理问题：(1)无线自组织网络组播密钥生成研究；(2)平衡树组播密钥更新研究(3)Huffman树组播密钥更新研究。以上工作得到了国家自然科学基金“基于网络效用最大化的无线传感器网络研究”(No．90104033)和“自组织认知无线电网络关键技术研究“(No．60602029)的资助。本文取得研究成果包括如下几个方面：1．无线自组织网络组密钥分发技术：对无线自组织网络的身份认证机制进行研究，针对无线自组织网络分布式无中心的特点，提出一种本地化的基于身份密码体制，简化身份认证过程；对无线自组织网络组密钥管理框架进行研究，并分析了子组中心管理、用户子组管理和子组间切换这三个关键技术，对子组中心管理问题，提出了一种分布式可容错的组密钥分发和重构算法，增强了分发的安全性和效率。2．平衡树组密钥更新技术：对子组中心管理方法进行分析，针对目前组密钥更新方案中离开节点更新开销大的问题，提出了一种基于M维几何球形的组密钥更新算法，并提出一种批量更新策略，降低了组密钥更新开销。3．Huffman树组密钥更新技术：针对现有算法中Huffman密钥树只能静态创建，而无法动态调整的问题，提出了一种根据用户进出组的频率而自适应调整的Huffman树组密钥更新算法，使得用户动态进出组时，实现在保证组密钥更新安全性前提下，能始终保持Huffman树用户平均密钥更新代价最小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 MANET组播应用
• 1.2 研究背景与课题意义
• 1.3 本文的工作
• 1.4 论文结构
• 2 MANET组密钥管理概述
• 2.1 MANET安全概述
• 2.2 MANET网络密钥管理
• 2.3 安全组播系统
• 2.4 本章小结
• 3 基于身份的组播密钥分发技术
• 3.1 无线自组织网络组密钥管理技术
• 3.2 秘密共享和基于身份的密码体制
• 3.3 MANET中本地化基于身份的密码体制
• 3.4 自组织网组播密钥管理框架
• 3.5 分布式组密钥分发和重构
• 3.6 本章小结
• 4 平衡树组播密钥更新技术
• 4.1 现有密钥更新方案
• 4.2 一种 M维几何球形组密钥更新方案
• 4.3 组密钥批量更新方案
• 4.4 仿真和性能分析
• 4.5 本章小结
• 5 Huffman树组播密钥更新技术
• 5.1 Huffman树组播密钥更新研究现状
• 5.2 自适应 Huffman密钥树模型
• 5.3 自适应 Huffman树组密钥更新
• 5.4 性能分析
• 5.5 仿真实验
• 5.6 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 1 攻读博士学位期间发表论文目录
• 附录 2 英文缩略表