千家方案库

针对无线传感器网络的秘钥管理方案，目前存在多种方案可供选择。下面将对几种典型的方案进行分析，包括E-G方案、q-composite随机秘钥预分配方案、多秘钥空间的秘钥预分配方案以及基于多秘钥空间随机秘钥分配方案。

首先是E-G方案，该方案采用随机秘钥分配模式。在节点部署之前，生成一个包含P个秘钥及其对应标识的秘钥池。每个节点从秘钥池中随机选取k个不同的秘钥（k ≤ P）。节点部署后，通过广播各自的秘钥标识来发现直接邻居节点之间是否存在相同的秘钥。如果相邻节点没有相同的秘钥，则需要通过已建立的链路迂回建立密钥对。该方案易于部署且具有较好的网络连通性，但安全性较弱，少数被俘节点容易导致网络被攻陷。

其次是q-composite随机秘钥预分配方案，该方案基于预置密钥对，并引入随机图理论。在节点部署之前，每个节点不需要存储与其他所有节点的密钥对，只需预存部分秘钥对。每个节点从秘钥池S中随机选取m个秘钥存储在本地空间中（m ≤ q）。通过预先设置的哈希函数创建通信秘钥K=hask(K1|K2|…|Kt)。该方案具有较强的自恢复能力，少数节点被俘不会导致网络完整性的破坏。然而，要求相邻节点具有相同秘钥的数量大于t个，导致网络连通性稍差。

第三是多秘钥空间的秘钥预分配方案，该方案旨在让网络中的任意两个节点直接存在共享密钥对，并预设一个安全系数，确保网络中被俘节点没有超过该系数整个网络的安全性。在部署时，秘钥服务器在有限域GF(q)上生成矩阵G，矩阵G的大小为(λ+1)×N（N为网络节点数，λ为安全系数）。G作为公共信息公布，同时生成一个大小为(λ+1)×(λ+1)的随机对称矩阵A=(D×G)T，A作为私有信息保密。每个节点根据自己的编号i，记忆A矩阵的第i行A(i)和G矩阵的第i列G(j)。当两个节点i和j要生成密钥时，彼此交换各自记忆的G矩阵的列G(j)，按照矩阵的乘法各自可以计算Aij=A(i)×G(j)=A(j)×G(i)=Aji。该方案在相同的存储空间的支持下，能够获得更好的网络安全性，提高被破解的难度。但计算开销较大，攻击者只需破解一个密钥空间就能俘获使用该密钥空间的一对节点。

最后是基于多秘钥空间随机秘钥分配方案，该方案结合了q-composite随机密钥预分配模型，并通过引入地理位置信息有效提高了节点之间安全连通的概率。在节点部署前，给每个节点分配一个唯一的标识ID，并设定安全参数t、p、λ、ω（2≤t≤ω）和q。类似多秘钥空间预分配方案，私钥服务器生成一个大小为(λ+1)×N的公共信息矩阵G，同时生成ω个大小为(λ+1)×(λ+1)的随机对称矩阵D1、D2、…、Dω。计算矩阵Ai=(Di×G)T（i=1，2，…，ω），同时给Ai分配一个目标区域期望值(Xi，Yi)，将所有的生成矩阵A和对应的期望位置作为密钥池。节点部署后，节点通过定位得知自己的位置(x，y)，计算所存储的t个密钥空间的期望位置与实际坐标的距离distance(i)=(i=1，2，…，t)，将计算得到的t个距离值从小到大进行排序，选取前面p个较小距离值的密钥空间作为最终存储的密钥空间。节点将所存储的密钥空间对应矩阵的i行进行相加，然后与G矩阵的第j列进行内积得到K?ij。该方案能大大降低无线传感器网络通信密钥被破解的概率，并引入地理位置信息，可以删除一些无效的秘钥信息，减小存储空间的需求。

综上所述，针对无线传感器网络的秘钥管理，可以根据具体需求选择适合的方案，以提高网络的安全性和连通性。