基于聚类算法的无线网络群密钥提取及容量分析

发布时间：2020-07-18 13:09

【摘要】：利用无线信道的随机性来生成密钥为保证移动环境安全提供了新的选择。由于接收信号强度相比于其它无线信道特征更容易获取,因此基于接收信号强度的点对点密钥提取研究方案受到广泛关注。相比于大量点对点无线密钥产生的研究,基于无线信道特征如何在多个设备之间生成群密钥的研究工作相对较少。为此,本文主要关注多个无线设备(设备个数大于2个)之间的群密钥生成问题,主要贡献如下:1)分析了三种现有的无线群密钥生成算法,包括差分提取群密钥算法、基于最大生成树的群密钥生成算法以及逐段提取群密钥算法,逐个讨论了算法中存在的不足。其中,差分提取算法生成群密钥的过程需要进行多次密钥协商,且提取的群密钥容量较低;基于最大生成树的群密钥生成算法需要判断群组内的最大生成树,但是在实际情况中寻找群组内的最大生成树实属不易,且每产生1比特密钥就减小对应边重的方法时效性较差;逐段提取群密钥的方案虽然安全性较高,但是分段提取的做法最终可能会造成密钥生成过程的时延较长。2)提出了一种新的单群密钥提取方法。针对差分提取群密钥算法存在的不足,本文提出了一种新的基于成对生成策略的群密钥提取算法。该方案根据群内中心节点与其余各节点间本地密钥的最短长度,利用均匀分布随机产生密钥,随之通过一次一密的方式成对生成群密钥。进而从理论上证明了当群内节点数大于2时,所提方案的群密钥容量完全优于文献方案,同时实现复杂性更低。3)针对现实情况中群内节点的分布可能较为分散,则上述单群群密钥提取方案存在重大缺陷:考虑距离带来的传播路径损耗,则节点之间相互提取的本地密钥容量差异较大,致使群密钥容量严重受限。为此,我们提出了群密钥的多子群层次提取算法,该算法可分解为两个问题:一是子群划分问题,二是群密钥协商协议。第五章研究了子群划分问题,研究如何将群内节点划分至多个子群,以最大化每个子群内相互节点间的信噪比(以优化子群密钥容量),随后证明了该信噪比以子群划分的最优化模型可以通过执行固定K类的置信度传播(K-AP,Generating Specified K Clusters by Affinity Propagation)算法得到。第六章则基于子群划分结果进一步提出一种基于聚类算法的群密钥提取方案,此方案适用于群内节点的分布为任意拓扑结构的情况。并证明了所提算法相较于成对生成策略群密钥生成算法可以实现密钥容量的提升,实验仿真验证了上述理论的正确性。
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN918;TP311.13
【图文】：

加密系统,经典

渗透到当今社会的各行各业，深刻的影响着人们的生活方式。数据在信道实现传输的，但是由于无线通信固有的广播特性使得允许通信范收到传输的信息，因此攻击者可以利用此特性对无线信道进行监听并有甚者，攻击者还可以对数据进行破坏、篡改等操作。为此，近些年信息在无线设备间生成密钥的技术成为了保证移动安全的较好选择，群密钥以保证实际环境中群组内安全通信的问题仍然保持开放。网络安全动通信已经渗入到社会的各行各业，深深地影响着人们的生活方式，量的信息共享和数据传输，因此移动通信网络的安全性便受到了广泛持数据传输的机密性、数据的完整性、多个无线设备间的相互认证具

加密系统,密钥生成

Denial of Service）攻击等[1]。护无线传输，已经有足够广泛的研究[2]。传统意义来说，数据是由经这是假设该算法足够复杂，使得窃听者破解密码系统所花费的时间远。经典的加密方案包括对称加密方案和非对称加密方案，这取决于两。对称加密方案使用相同的密钥，由于其在数据加密方面的效果高，护。非对称加密方案通常也被称为公钥加密，使用相同的公共密钥，并且通常应用于密钥分发。图 1.1 所示为经典的传统加密系统，Alice全分享信息的合法通信用户。加密方案都面临着几个漏洞。以公共密钥加密来说。首先，它取决于度，例如，离散对数。由于硬件技术的发展，这种计算意义上的安全，对密钥管理基础设施的安全性要求很高。因为传感器节点有限的计是分散的，因此，在许多无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor N中就很少应用这种方案。

系数,传播因子,信道衰落,模差

大学硕士研究生学位论文第二章基于无线信道特征的密钥生成模差异，但是在本文考虑的广播策略提取群密钥结构中，由中心节点向其他节点所有信道所处环境相同，所以0是一个固定的值，记为 10M。所以将式（般形式有，0lg该结果是在未考虑观察噪声的情况下，所以结合式（2.1）可知0lg射功率，所以可以看出信道衰落系数为0lg2.6）的结果可知，在本文所考虑的群密钥提取结构下，信道衰落系数仅与两节传播因子有关，而我们之前假设群内所有信道的传播因子是一样的，所以更深落系数仅与距离有关。

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