安全组播中的组密钥管理算法研究

论文摘要

随着互联网的发展，出现了越来越多的面向一组用户的网络应用。为了保证资源的有效利用，这些网络应用通常采用组播进行通信。组播通信与单播通信类似，也面临着互联网上潜在的安全问题。因为单播所采用的安全机制无法直接应用到组播中，所以组播上的安全保障方法，即安全组播成为了当前网络研究的热点之一。安全组播主要通过一个组内用户共享的密钥对通信内容加密来保证通信的机密性，其中加密所用密钥材料的管理和分发，即组密钥管理是有效加密的关键，因此组密钥管理是安全组播中的核心技术之一。 本文针对如何提高安全组播中的组密钥管理性能这一问题进行了研究，主要包含以下内容： 首先本文深入研究了安全组播中基于密钥树的组密钥管理算法。安全组播目前主要采用基于密钥树的组密钥管理算法。这种算法中的组密钥更新性能受密钥树结构影响很大，因此本文对具有不同更新概率的成员集合上的密钥树最优结构进行了理论探讨，并给出了一系列关于密钥树最优结构的结论，证明了存在非根内部结点的度均为2或3的最优密钥树结构。 其次本文利用已得到的最优密钥树结构的相关结论和动态规划(Dynamic Programming)的原理设计了一种密钥树最优结构求解算法，与其它同类算法的对比实验表明了该算法得到的密钥树结构具有较好的性能。 然后本文针对密钥树的不平衡问题进行了分析。基于密钥树的组密钥管理算法在密钥树不平衡时，组密钥更新性能会大大下降。密钥树的不平衡程度难以判定，本文利用外部通路长度(External Path Length)来表示密钥树上的平均更新路径，从而更好地定义了密钥树的不平衡度。 接下来针对如何保障密钥树平衡的问题，本文提出了一种新的路径洗牌算法来进行组密钥更新。这种算法能够将密钥树的平衡操作分散到一般的组密钥更新操作中，在保证密钥树平衡的同时只需要少量额外的系统开销。理论分析证明了这种算法具有对数级的平均更新代价，而实验结果也验证了这种算法的平均性能明显优于其它同类的几种组密钥更新算法。 最后本文研究了安全组播中的批量更新组密钥方法。批量更新组密钥方法阶段性地更新组密钥，每次更新都能处理多个组成员加入或离开，这样能够显著提高组密钥更新性能，因此被广泛研究并使用。本文结合批量更新组密钥方法与本文所设计的路径洗牌算法，提出了一种多路径洗牌算法。实验结果表明这种算法无论是平均更新代价还是密钥树的平衡性，都要优于基本的批量更新密钥方法。 综上所述，本文从密钥树结构、密钥树平衡算法和批量更新组密钥算法三个

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 图目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 组播研究
• 1.1.2 组密钥管理算法研究
• 1.2 IETF中的安全组播
• 1.2.1 IETF工作介绍
• 1.2.2 IETF中的安全组播
• 1.3 本文概述
• 1.3.1 本论文研究目的
• 1.3.2 论文主要工作
• 1.3.3 章节安排
• 第2章 组密钥管理算法研究现状
• 2.1 安全组播概述
• 2.1.1 安全组播框架
• 2.1.2 安全组播会话建立过程
• 2.2 组密钥管理概述
• 2.2.1 组密钥管理框架
• 2.2.2 组密钥管理算法的分类
• 2.3 适合于小型组的组密钥管理算法
• 2.3.1 星形密钥分配算法
• 2.3.2 SMKD方法
• 2.3.3 安全锁方法
• 2.4 适合于大型组的组密钥管理算法
• 2.4.1 LKH算法
• 2.4.2 OFT算法
• 2.4.3 带分簇的度-α树方法
• 2.4.4 AKMP算法
• 2.5 批量更新组密钥的组密钥管理算法
• 2.5.1 Batch Rekey方法
• 2.5.2 Kronos方法
• 2.6 小结
• 第3章 组密钥管理算法中密钥树最优结构
• 3.1 密钥树结构与树结构
• 3.1.1 密钥树的定义
• 3.1.2 树结构的定义
• 3.2 密钥树的基本特征与操作
• 3.2.1 基本特征
• 3.2.2 加入操作
• 3.2.3 删除操作
• 3.2.4 密钥树最优结构分析
• 3.3 密钥树最优结构的分析与求解
• 3.3.1 基本模型
• 3.3.2 最优密钥树相关推导
• 3.3.3 最优密钥树的求解
• 3.3.4 最优密钥树性能分析
• 3.4 小结
• 第4章 密钥树的平衡算法研究
• 4.1 密钥树实验设计
• 4.1.1 实验设计框架
• 4.1.2 基本的Wong算法实验
• 4.2 密钥树平衡问题概述
• 4.2.1 密钥树的删除代价
• 4.2.2 密钥树不平衡性的判断问题
• 4.2.3 基本的Moyer密钥树平衡算法
• 4.2.4 Moyer方法实验分析
• 4.3 路径洗牌算法
• 4.3.1 密钥树平衡算法简介
• 4.3.2 算法要求与描述
• 4.3.3 路径洗牌算法PSA（Path shuffling Algorithm）
• 4.3.4 算法性能分析
• 4.3.5 实验结果
• 4.4 小结
• 第5章 基于密钥树的批量组密钥更新算法
• 5.1 批量更新组密钥算法简介
• 5.1.1 单独更新与批量更新组密钥方法的比较
• 5.1.2 已有的批量更新组密钥研究进展
• 5.1.3 基本的批量更新组密钥算法
• 5.2 多路径洗牌算法
• 5.2.1 基本算法的缺点
• 5.2.2 多路径洗牌算法
• 5.2.3 实验结果
• 5.3 小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 论文研究总结
• 6.2 进一步研究展望
• 参考文献
• 读博期间完成的学术论文
• 读博期间参加的科研项目
• 致谢