無線傳感器網絡密鑰管理技術在空間網絡中的應用研究

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(北京空間飛行器 總體設計部，北京 100094)

無線傳感器網絡密鑰管理技術在空間網絡中的應用研究

吳廣,孫楊,閆春香,張天為

(北京空間飛行器總體設計部，北京100094)

現有空間網絡密鑰管理技術研究成果多數基于公鑰密碼算法，且對航天器硬件資源與通信能力受限、空間網絡動態特性考慮相對不足;從工程應用可行性角度出發，在對空間網絡密鑰管理需求進行詳細分析的基礎上，將空間網絡劃分為小型星座網絡、每個節點只有少數固定鏈路的星座網絡、包含多個星座子網的空間網絡以及ad hoc空間網絡，對無線傳感器網絡密鑰管理技術在各類空間網絡中的應用進行研究分析，提出了工程上實用可行的空間網絡密鑰管理方案。

空間網絡；密鑰管理；無線傳感器網絡

0 引言

隨著航天技術的不斷進步以及航天器任務需求的不斷擴展，航天器組網運行在一定程度上成了發展趨勢，空間網絡成了當前技術研究熱點。空間網絡在軍事與民用兩個領域都有廣闊的應用前景，其中信息安全是技術研究重點。因為網絡環境高度開放，網絡拓撲動態變化且具有周期性，空間網絡信息安全技術具有相應的特殊性。

密鑰管理技術作為空間網絡信息安全的核心，獲得了學術界的重點關注。當前，國內外學者對空間網絡密鑰管理進行了一系列研究。文獻[1]提出一種可以提供身份認證、基于邏輯密鑰樹的層簇式密鑰管理(LCGKM)方案。文獻[2]提出一種包含公鑰、會話密鑰和主密鑰的密鑰管理模型，并對公鑰、會話密鑰和主密鑰的更新策略進行了設計。文獻[3]提出了一種基于身份的衛星網絡密鑰管理方案，由地面控制中心計算私鑰，并通過shamir秘密共享方案將私鑰發給衛星網絡節點。文獻[4]提出一種可認證且無需安全信道的衛星網絡組密鑰管理方案，該方案基于橢圓曲線密碼體制和門限秘密共享技術。文獻[5]提出一種利用地面站作為密鑰生成中心KGC的MEO/LEO雙層衛星網絡群組密鑰管理方案。文獻[6]提出了基于shamir(k,n)門限密鑰共享算法的ad hoc空間網絡分布式密鑰管理方案。文獻[7]提出了一種各網絡節點加密密鑰相同、解密密鑰不同的密鑰管理方案，一個節點的離開或者加入只需要更新共享加密密鑰及其自身解密密鑰，對其他節點沒有影響。文獻[8]提出了一種深空網絡組密鑰管理方案，該方案基于一個加密密鑰、多個解密密鑰的邏輯密鑰樹。上述密鑰管理方案都基于公鑰密碼算法，對處理器計算能力要求較高，或者通信協議偏復雜，通信交互次數過多。

文獻[9]提出了一種基于對稱密碼算法的方案，主密鑰采用預存亂碼本進行加密，節點之間通過協商交互得到會話密鑰，會話密鑰由主密鑰進行加密，而每個衛星節點的主密鑰則由地面測控站進行更新。因衛星可見弧段有限且各衛星可見弧段不重合，該方案實際應用困難，也不利于網絡動態擴展。研究證明，即使全球布站，低軌衛星的測控覆蓋率也不超過20%，原因在于可見測控弧段受到地球曲率的限制[10]。

現有空間網絡密鑰管理方案對當前航天器硬件計算資源、無線通信能力以及空間網絡動態特性欠缺考慮，工程實用性相對不足。本文將對當前無線傳感器網絡密鑰管理技術進行概括總結，對空間網絡密鑰管理需求特征進行分析，并著重對無線傳感器網絡密鑰管理技術在空間網絡中的應用進行研究。

1 無線傳感器網絡密鑰管理研究與應用現狀

當前多數無線傳感器網絡使用對稱密碼算法[11]。對稱密碼算法與公鑰密碼算法相比，同樣的加密強度下，需要更少的計算資源與計算時間。

1.1 對稱密碼算法密鑰管理方案

1.1.1 非概率分布密鑰管理方案

1.1.1.1 有基站參與的密鑰管理方案

文獻[12]提出一種有基站參與的密鑰管理方案，每個節點均與基站共享一個密鑰，任意兩個節點需要進行通信時，通信加密密鑰由基站采用共享密鑰加密后送往相應節點。本方案組網靈活性強，節點加入、退出網絡方便。受限于基站通信距離，本方案不宜用于分布范圍廣的網絡。

1.1.1.2 基于萬能密鑰的預分配方案

文獻[13]提出一種基于master key(萬能密鑰)的預分配方案，即所有網絡節點預存入同一個master key，兩個節點間通信所需的密鑰由master key及節點間交換的隨機數來構建。此方案具有良好的網絡可擴展性，而且只需要極少的密鑰存儲空間，但缺點也同樣明顯，一旦master key泄露，所有節點間通信密鑰都存在暴露的可能[11]。文獻[14]對本方案做了一些改進，即在節點間通信密鑰建立完成后清除master key，這對網絡通信密鑰的安全起到一定改善作用。但是，因為新加入節點同樣預存了master key，所以master key仍然存在泄露的危險。

1.1.1.3 節點對密鑰預分配方案

文獻[15]提出一種節點對密鑰(pair-wise key)預分配方案，每個節點存儲了與網絡中任意其他節點通信所需的共享密鑰，對一個n個節點的網絡，每個節點需要存儲n-1個密鑰。此方案的優點在于點到點認證以及抗節點復制。本方案缺點主要有3點：1)每個節點存儲密鑰過多，消耗大量存儲空間，且很多密鑰實際上不會被使用；2)對網絡規模有限制，適用于小規模網絡；3)很難加入新的網絡節點，因為新節點加入帶來的新密鑰難以加入原有節點，這導致網絡可演進性不強。

1.1.2 隨機密鑰預分配方案

文獻[16]提出一種基于隨機圖理論的隨機密鑰預分配方案，該方案在很多文獻中被稱為基本方案(Basic Scheme)。對一個n個節點的網絡，生成一個包含S個密鑰的大密鑰池，每個節點需要從密鑰池中隨機選取k個密鑰存入自身存儲器中，要求S?K。由所需的網絡連通概率Pc、網絡節點數n來確定任意兩個節點間存在共享密鑰的概率p，并根據S和p進一步確定預先裝載到單個節點的密鑰數量k。

此方案主要優點有兩個：一是使得節點不再需要存儲大量的、且不會被使用到的密鑰；二是使得節點的增加、刪除以及密鑰重置變得簡單可行。

針對基本方案，一些學者提出了改進[17]，改進方案具有更優良的抗節點俘獲能力。

1.2 公鑰密碼算法密鑰管理方案

對稱密碼算法一般比公鑰密碼算法快1 000倍[18]。在同等密碼強度需求下，對稱密碼算法相比公鑰密碼算法需要更少的硬件資源、更少的處理時間，適用于硬件資源受限的無線傳感器節點。相同攻擊難度下，對稱密碼算法和公鑰密碼算法密鑰長度的比對如表1所示[18]。

公鑰密碼算法對計算與存儲資源的要求相對較高，部分學者認為其難以運用到資源受限的無線傳感器網絡中，但仍有一些學者在無線傳感器網絡中成功實現了公鑰密碼技術[11]。

表1 對稱密碼算法與公鑰密碼算法密鑰長度比對

文獻[19]提出了基于RSA的TinyPK，并在Berkley 的MICA2上采用TinyOS開發環境實現。文獻[20]提出一種基于ECC的公鑰基礎設施(public key infrastructure)，用于TinyOS下的密鑰分配。文獻[21]、文獻[22]提出了基于身份的密鑰協商方案。

2 無線傳感器網絡密鑰管理技術在空間網絡中的應用

2.1 空間網絡密鑰管理需求特征分析

廣義空間網絡的節點包括臨近空間飛行器、低軌道(LEO)航天器、中軌道(MEO)航天器、地球同步軌道(GEO)航天器以及深空探測器。網絡具有以下特點：1)節點分布空間范圍廣，節點距離遠，深空網絡節點與其他網絡節點距離可達數十萬公里以上，網絡時延大；2)各網絡節點高速運動，其運行軌跡具有周期性與可預測性，網絡形狀動態變化同時又具有周期性，未來某個時刻的網絡形狀在一定程度上是可預知的；3)很多網絡節點與軍事任務緊密相關，安全防護要求高；4)衛星陸續發射，組網時間跨度大，且不同衛星壽命不一樣，衛星工作壽命結束后可由新發射的衛星替代，所以空間網絡是一個節點動態加入、動態退出的不斷演進的網絡，網絡壽命可達數十年之久；5)硬件資源有限，與地面網絡相比，計算處理能力受限，通信帶寬受限。

空間網絡的特點決定其密鑰管理需求具有以下特征：1)系統高度安全性，與軍事應用有關的網絡尤其如此；2)高密碼強度，確保每個節點全壽命期的信息安全；3)前向保密性，即使一個節點的密鑰被攻破，也不能影響已使用密鑰的安全；4)后向保密性，即使一個節點的密鑰被攻破，也不能影響將來密鑰的安全；5)不宜采用交互次數過多、過于復雜的協議，因為網絡時延大、網絡通信帶寬有限甚至通信時間窗口也有限。

2.2 無線傳感器網絡密鑰管理技術在空間網絡中的應用研究

現有無線傳感器網絡密鑰管理方案通常和具體應用場景相關，且每種方案都有各自的優點和不足。本文主要研究無線傳感器網絡對稱密碼算法密鑰管理技術在空間網絡中的應用問題。典型無線傳感器網絡對稱密碼算法密鑰管理方案的優缺點總結如表2所示。

本文從空間網絡的規模、每個節點的鏈路數量、網絡構型組成等因素出發，對空間網絡的可能應用情況進行分類，并對現有無線傳感器網絡密鑰管理技術在各類空間網絡中的應用進行研究分析。

2.2.1 小型星座網絡

有些小型星座只有少數幾個衛星節點，各衛星節點發射入軌時間相差不多，各節點工作壽命幾乎同時到期，無接替星，不需要考慮網絡節點動態接入、退出問題。對這樣的小型星座網絡，可以參考基于萬能密鑰的管理方案。因星座工作壽命比無線傳感器網絡長得多，故不能只使用單個密鑰，而是使用包含一定數量密鑰的密鑰集，密鑰數量取決于星座壽命以及密鑰更換周期。各衛星節點均在發射前預先存儲同一個密鑰集。在軌工作期間，各衛星節點遵循既定的方案從密鑰集中選取密鑰，定期更換或人工干預更換，可以確保星間通信密鑰同步。

表2 無線傳感器網絡密鑰管理方案優缺點

以AES-256分組密碼算法為例，其密鑰長度是256 bit，即32字節。假定星座設計壽命Y年，密鑰更換周期是T天，則每顆衛星攜帶密鑰集總字節數是：

密鑰總量與星座設計壽命成正比，與密鑰更換周期成反比。密鑰更換周期與具體密碼算法、數據加密方案設計以及星座網絡通信數據流量有關。假定密鑰更換周期是30天，星座設計壽命是16年，則密鑰總量是6 230字節，不足8 K字節，這在存儲空間上是可以接受的。

2.2.2 每個節點只有少數固定鏈路的星座網絡

有些星座規模稍大，包含了數十顆衛星，但每顆衛星只和特定的少數幾顆衛星存在星間鏈路，網絡規模與構型基本固定，無線考慮節點動態接入、退出問題，這類星座網絡的密鑰管理可以參考節點對密鑰預分配方案。因衛星工作壽命比無線傳感器節點長得多，故存在通信鏈路的兩個衛星節點不能只存儲一個共享密鑰，而是應該存儲一個共享密鑰集，根據既定方案進行密鑰選取，自動或人工干預完成密鑰更換。因為每顆衛星只和少數幾顆衛星存在星間鏈路，所以每顆衛星只需要相應存儲少數幾個共享密鑰集。

以24/3/1 walker星座為例，假定一個衛星節點與同一軌道面上的其他衛星節點都存在鏈路，同時只和其他軌道面上的特定2顆衛星存在鏈路，則每個衛星節點只和其他9個節點存在通信鏈路。假設采用AES-256密碼算法，星座設計壽命Y年，密鑰更換周期是T天，則每顆衛星攜帶密鑰總字節數是：

假定密鑰更換周期是30天，星座設計壽命是16年，則密鑰總量是56 064字節，不足64 K字節，這在工程實施上是可以接受的。

2.2.3 包含多個星座子網的空間網絡

如果一個大規模的空間網絡在功能或任務性質上可以劃分為多個子網，則可以考慮采用兩級密鑰管理方案。

在子網內部，如果各個節點幾乎同期發射且各節點工作壽命幾乎同期結束，則可以將其視為小型星座網絡，采用2.2.1節所述的小型星座網絡密鑰管理方案。如果子網內衛星節點數量多且每個節點只和子網內部少數節點存在通信鏈路，則可以采用2.2.2節所述的密鑰管理方案。

在各子網之間，可以采用有基站參與的密鑰管理方案。根據星座網絡構型特征以及各子網節點分布情況，為每個子網選取一個子網間通信節點，通過子網間通信節點完成各子網之間的通信交互。每個子網間通信節點均與地面測控站共享一個密鑰集，任意兩個子網間通信節點建立通信鏈路前，由地面測控站采用共享密鑰對會話密鑰進行加密后送往相應節點，相應節點采用共享密鑰進行解密以恢復會話密鑰，子網間通信則由會話密鑰進行加密。

此方案有2項明顯優點，一是某個子網的非子網間通信節點密鑰被攻破時，其他子網不受影響；二是子網可以動態接入或退出。

如果子網間通信節點密鑰被攻破，則該子網以及與其存在通信鏈路的子網都要重新選擇子網間通信節點。

2.2.4 ad hoc空間網絡

隨著微衛星、納衛星乃至皮衛星技術的飛速發展，以及低等級器件在短壽命衛星上的應用，微小型化航天器建造成本快速下降，加上一箭多星(印度已實施一箭發射104星)快速發射技術的日益成熟，使得采用大量衛星節點構建ad hoc空間網絡在經濟成本與時間進度上均已沒有障礙。

對衛星節點數量多、各節點工作壽命長短不一且網絡鏈路呈現動態特性的ad hoc空間網絡，可以采用隨機密鑰預分配方案。ad hoc空間網絡衛星節點工作壽命比無線傳感器網絡節點壽命長得多，所以衛星節點間不能只共享一個密鑰，而是應該共享一個密鑰集。相應地，文獻[16]提出的隨機密鑰預分配方案應用于ad hoc空間網絡時，需作相應更改。ad hoc空間網絡密鑰管理方案詳細描述如下：

1)密鑰集預分配。生成總共含有S個密鑰集的大密鑰池，每個密鑰集有獨立ID。對每個衛星節點，隨機從大密鑰池中選擇k個密鑰集，將這k個密鑰集及其ID裝載到對應節點中。采用通信距離遠、存儲容量大、計算能力強的地面測控站作為可信控制節點。每個網絡節點最少受一個可信控制節點管轄。網絡初始化階段，網絡節點與可信控制節點間需建立共享密鑰。網絡節點與第i個可信控制節點間的共享密鑰通過式子Kci=EK0(ci)計算得到，其中ci為第i個可信控制節點的ID，Ek0是指k0以為密鑰進行加密，K0=K01⊕K02⊕,…，⊕K0k,K01～K0k指該節點k個密鑰集各自的第0個密鑰。

2)共享密鑰集發現。每個節點廣播一個消息列表{a,Ek0i(a),i=1,…,k}，a是詢問信息，K0i是該節點上第i個密鑰集的第0個密鑰。該節點通信范圍內的其他節點接收到消息后，依次以自身k個密鑰集的第0個密鑰對該消息列表進行解密，如果成功解密消息恢復a，則接收節點與發送節點含有共享密鑰集，由此可以進一步確定共享密鑰集的ID。共享密鑰集用于兩個節點間的網絡通信加密處理。

3)其他路徑密鑰集建立。共享密鑰集發現過程結束后，在通信距離范圍內，如果兩個節點之間存在共享密鑰集，則它們之間存在直接鏈路。如果兩個節點之間不存在直接鏈路，但可以通過1個或多個節點建立鏈接，則它們之間存在間接鏈路。如果兩個節點之間既不存在直接鏈路也不存在間接鏈路，則需要通過地面可信控制節點，采用有基站參與的密鑰管理方案，從大密鑰池中隨機選擇1個未被任何節點選用的密鑰集分別注入到這2個節點中，作為這兩個節點建立直接鏈路的共享密鑰集。

如果網絡中某個節點被攻破或壽命到期退出網絡時，則其所攜帶的k個密鑰集必須從全網刪除。通過通信距離遠的可信地面控制節點廣播密鑰集刪除消息，消息含有該節點k個密鑰集ID列表，并以密鑰進行簽名認證。在廣播該消息前，可信地面控制節點通過單播消息將發送給網絡中每個節點，該單播消息需要采用節點與可信控制節點間的共享密鑰進行加密。各節點收到密鑰集刪除廣播消息后，用解密恢復得到的對消息進行認證，消息認證正確后，將自身攜帶密鑰集ID列表與消息中的密鑰集ID列表進行比對，如有ID重合，則將重合的密鑰集所有密鑰數據及其ID從自身存儲區刪除。在這之后，全網通過重新執行共享密鑰集發現以及其他路徑密鑰集建立2個步驟，重新確定節點間共享密鑰集，也就是重新建立鏈路，這樣就完成了節點動態刪除。

如果一個新的節點加入網絡，則同樣從大密鑰池中隨機選擇k個密鑰集，將這k個密鑰集連同密鑰集ID一起裝載到新節點中，通過重新執行共享密鑰集發現以及其他路徑密鑰集建立2個步驟，可以和已有節點建立共享密鑰集，也就是建立鏈路，從而完成新節點動態接入。

根據隨機圖理論[23]，假定網絡有n個節點，任意兩個節點之間存在直接路徑即共享密鑰集的概率是p，則網絡連通概率:

假設大密鑰池總共含有S個密鑰集，網絡節點數為n，每個節點裝載了隨機從密鑰池中選擇的k個密鑰集，則任意兩個節點間至少含有一個共享密鑰集的概率[16]:

實際應用中，我們可以根據所需的網絡連通概率Pc來確定常數c，再根據網絡節點數n來確定p，而k的數值應由網絡節點存儲空間決定，在p和k都已知的情況下，可以確定密鑰池所含密鑰集的數量S。

假定Pc=0.999 99，那么網絡中任意兩點間存在共享密鑰集的概率p需要大于等于某個門限值，且該門限值隨網絡節點數變化而變化。經仿真，p的門限值隨著網絡節點數n的增大而降低，如圖1所示。

圖1 節點間共享密鑰集概率門限

密鑰集離線生成，且可以由多個裝置并行產生，故可以認為數量S不受限制。在Pc=0.999 99的情況下，單個節點所需存儲密鑰集數量k的門限值由網絡節點數n、密鑰池中密鑰集數量S決定。經仿真，單個節點所需密鑰集數量k的門限值隨著網絡節點數n增大而減小，隨著密鑰池中密鑰集總數S的增大而增大，如圖2所示。

圖2 單個節點所需密鑰集數量門限

特別地，假定網絡有500個節點，要求網絡連通概率Pc=0.999 99，當密鑰池中密鑰集數量S=10 000時，單個節點最少只需存儲19個密鑰集；當密鑰池中密鑰集數量S=20 000時，單個節點最少只需存儲27個密鑰集。假設單個密鑰集數據量為8 k，則單個節點所需要的密鑰存儲空間總量在工程上是可以接受的。

當網絡節點數大于500以后，圖1、圖2中的曲線均變得平緩，表明網絡任意兩點間存在共享密鑰集概率p的門限值以及單個節點所需密鑰集數量的門限值均隨著網絡節點數的增加而略有下降，但變化不大。

3 結束語

從工程應用可行性角度出發，對無線傳感器網絡密鑰管理技術在空間網絡中的應用進行研究。文章對當前主要的無線傳感器網絡密鑰管理技術優缺點進行總結，在對空間網絡密鑰管理需求特征進行詳細分析的基礎上，按照空間網絡的組網規模、節點鏈路數量以及組網特點的不同，對現有主要無線傳感器網絡密鑰管理技術在空間網絡中的應用進行研究分析，給出具體應用方案建議。

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ResearchonApplicationofWirelessSensorNetworkKeyManagementTechnologyinSpaceNetworks

Wu Guang， Sun Yang， Yan Chunxiang， Zhang Tianwei

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China)

Most of the existing research results of space network key management technology are based on public key cryptography algorithm, and limited hardware resources, inadequate communication capabilities and network dynamics are not considered sufficiently. For better feasibility of engineering application, space network is classified into several stages, including small constellation network, constellation network that each node has only several static links, constellation network composed of several subnets and ad hoc space networks, and key management schemes for these kinds of space networks are proposed after summarizing space network key management requirements and analyzing the application of current wireless sensor network key management technology in space network in detail.

space networks; key management; wireless sensor networks

2017-04-28；

2017-06-12。

吳 廣(1982-)男，廣西陸川人，工程師，碩士研究生，主要從事航天器信息安全、空間數據系統方向的研究。

1671-4598(2017)09-0307-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.078

V443.1;TP309

A