无线传感器网络轻量级广播认证技术研究

Broadcast authentication is one of the important security services in wireless sensor networks, in which the energy-limited characteristics of wireless sensor nodes need to be considered. The project will combine the message recovery signature and efficient identity-based short signature scheme to construct the ID-based short signature scheme with message recovery. Then the proposed scheme will be applied to broadcast authentication in wireless sensor network, which can minimize the broadcast message’s length. As the sensor nodes in the broadcast authentication need to receive messages one time and forward messages N times (N is neighbor density), broadcast message’s length is the main factor affecting the energy consumption of nodes. Therefore, the proposed broadcast authentication protocol may make the node’s energy consumption minimization. Through the communication and calculation energy consumption analyses based on Mica2 node and simulation experiment based on OPNET, and the building of experimental platform for testing, the project analyzes the relationship between the energy consumption of nodes and neighborhood density and the size of the network, and studies the relationship between the storage space and scalability. The project can clarify the main factor affecting the energy consumption of nodes in broadcast authentication from the point of shortening the broadcast message’s length, and provide new ideas and theoretical bases for the wide application of wireless sensor network in various fields of our country, and promote the rapid development of China's Internet of things.

广播认证是无线传感器网络中很重要的安全服务之一，需要考虑无线传感器节点能量有限的特性。本项目拟结合消息恢复签名与高效的基于身份的短签名方案，构造基于身份的可恢复消息的短签名方案，并将所提出的方案应用于无线传感器网络中的广播认证，可实现广播消息长度的最小化。由于传感器节点在广播认证时接收1次消息而需要转发N次消息（N为邻居密度），广播消息的长度是影响节点能量消耗的主要因素，因此，所提出的广播认证方案拟可以使节点的能量消耗最小。通过基于Mica2节点模型对节点通信与计算能量消耗进行分析，并进行基于OPNET的实验仿真，搭建平台进行测试，分析节点能量消耗与邻居密度和网络规模的关系，研究占用存储空间与方案可扩展性的关系。从缩短广播消息长度的角度阐明影响传感器节点在广播认证时的能量消耗的主要因素，为无线传感器网络在我国各个领域的广泛应用提供新思路和理论依据，推进我国物联网的快速发展。

无线传感器网络是物联网的重要组成部分，具有广阔的发展前景。部署区域环境的开放特性和无线电通信的传播特性使得无线传感器网络更易受到被动窃听、数据篡改和重放、拒绝服务(Denial of Service, DoS)攻击、伪造身份及节点俘获等安全攻击，因此消息的认证对于传感器网络的正常运作是关键的。考虑到传感器节点能量有限的特性，本项目主要围绕传感器网络中消息的轻量级认证问题进行了研究，解决了无线传感器网络中抗DoS攻击的多用户广播认证问题，也解决了特殊的无线传感器网络——车联网中消息的认证和密钥协商问题，以及无线传感器网络中隐私保护的集合相交问题，提出了系列适用于无线传感器网络的轻量级广播认证协议、消息认证协议、密钥协商协议以及隐私保护的集合相交协议。主要研究成果包括：1）在广播消息的认证方面，提出了适用于无线传感器网络的抗DoS攻击的多用户广播认证协议，适用于车联网广播消息认证的可撤销的群签名方案；2）在消息的认证和密钥协商方面，提出了车联网高效的可撤销的批量验证群签名方案，基于对用户隐私保护的批量验证签名方案，系列适用于无线传感器网络的无证书群密钥协商协议，以及基于代理重加密的通信群组密钥分发方法；3）在数据集合相交方面，提出了适用于无线传感器网络的隐私保护集合相交协议。本项目的研究成果形成了一套针对无线传感器网络消息认证的兼顾安全与效率的理论与方法，为无线传感器网络的实用化提供了一系列理论依据和关键技术。