楊凡凡，肖詩意，2

（1.國網安徽省電力有限公司安慶供電公司，安徽 安慶 246003；2.湖北工業(yè)大學 電氣與電子工程學院，武漢 430068）

0 引言

電力物聯(lián)網通過安裝大量感知設備、智能終端等形成感知末梢網絡，將信息空間和物理空間緊密耦合，組成二元異構復合系統(tǒng)[1]。這些感知末梢網絡處于信息物理耦合界面，使原本相對封閉、專業(yè)、安全的電力工控系統(tǒng)不斷開放，生產控制網和管理網常態(tài)化雙向信息交互，生產端、研發(fā)端、管理端、消費端都可以訪問底層系統(tǒng)，使得利用感知末梢節(jié)點脆弱性進行信息竊聽、病毒和木馬注入等安全威脅變得更加嚴峻[2]。輸電線路在線監(jiān)測設備的接入是電力物聯(lián)網建設中的重要組成部分,主要用于提升解決電網輸電線路應對冰災、暴風、雪災等大規(guī)模自然災害以及人為破壞的能力。為了減少輸電設備事故，實現輸電線路的可靠在線監(jiān)測，線路信息采集系統(tǒng)應用輸電線狀態(tài)檢測傳感器的過程中應安全可靠[3]。輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)中的密鑰管理機制是路由協(xié)議、能量管理、安全定位、數據融合等協(xié)議的基礎之一，也是保證輸電線路多維感知、信息采集安全和實現可靠監(jiān)測的重要保障[4]。

文獻[5]提出了減輕密鑰管理所需計算和通信負荷的分層密鑰分配方法，論述了密鑰的生成、更新、銷毀與分配等內容，但該方案安全性分析較少。文獻[6]針對AMI（高級量測體系）中WSNs（“多跳”無線傳感器網絡）的網絡安全，提出了一種基于AMI 中不同信息傳輸方式而設計的ECC（橢圓曲線密碼）密鑰管理方案。該方案論述了多播通信網絡密鑰的建立、分發(fā)和更新過程，單播通信鏈路密鑰和橢圓曲線的選取等過程。文獻[7]提出了一種基于改進NSSK 協(xié)議的密鑰管理方案，分析該方案的抗中間人攻擊性、前向和后向安全性、抗重放攻擊性、密鑰安全性、抗偽造攻擊性、運算和傳輸時間開銷。文獻[8]介紹了一種在PKI（公鑰基礎設施）密鑰管理基礎上，對密鑰初始認證、更新和生成等環(huán)節(jié)做優(yōu)化，但該方法運算量較大。文獻[9]介紹了一種基于組身份機制實現大量參與成員的密鑰分配和管理系統(tǒng)，但算法實現較為繁瑣。文獻[10]提出了一種采用基于橢圓形曲線算法的公鑰，它能滿足各智能體間的對稱密鑰交換，對稱密鑰采用Needham-Schroeder認證方法。文獻[11]提出了一種基于二進制樹的廣播和多播通信的可擴展密鑰管理方法，實現電力裝備的密鑰共享。

本文結合輸電線路通信特點，針對WSNs 的安全，提出了一種電力物聯(lián)網中基于多跳網絡的輸電線路在線監(jiān)測密鑰管理方案，并對其安全性和性能進行分析。

1 輸電線路多維感知網絡架構

為了避免輸電線路各類傳感器傳輸監(jiān)測信息時丟失信息，在無線傳輸網絡中采用多跳組網方案，使網絡具備更遠的信息傳輸距離，實現連接傳感網基站功能?？梢詫⒚總€桿塔看成一個WSNs的分簇，通過多跳方式傳輸信息，實現全過程信息采集[12]。

在電力物聯(lián)網的各種應用中，部署了大量的WSNs 節(jié)點，來監(jiān)控環(huán)境、設備等各種對象。但是因為WSNs 的計算能力有限、能量低、存儲空間小以及開發(fā)的通信信道等，故而面臨各種攻擊，一旦敵人攻破信息安全系統(tǒng)，就會通過竊聽、篡改信息或者遠程控制來實現對電力系統(tǒng)的干擾和攻擊[13]。因此，無線傳感器網絡需要進行信息安全保護。其中，有些安全保護算法關注于密鑰管理的局部。Banihashemian 等設計LDK算法。該算法采用混合網絡架構，即網絡中包含兩種節(jié)點：

（1）錨節(jié)點具有較高能力（高能量、高計算能力、大存儲空間等），可以調控通信半徑來控制通信范圍。錨節(jié)點憑借其能力，在網絡中充當簇頭，來生成和管理。

（2）普通節(jié)點是組成網絡的主要成員。LDK協(xié)議利用混合WSN 建立層次化傳感網，錨節(jié)點作為每個簇的簇頭，對整個簇進行管理。

一旦簇形成，錨節(jié)點通過不同的位置信息產生一系列密鑰。同時，鄰居節(jié)點通過交換密鑰信息生成節(jié)點間公共密鑰，建立安全通信鏈路。但是，由于LDK 協(xié)議在建立密鑰系統(tǒng)過程中需要發(fā)送大量的信息進行公共密鑰發(fā)現等，會消耗大量能量；同時，由于初期數據包交互屬于明文，敵方能夠通過偷聽數據交換包獲取部分密鑰信息，這樣就帶來安全隱患[14]。

本文采用了性能較好的分簇的WSNs，并設計了一種新的層次化的密鑰協(xié)議HMKMP。和以往的工作有所不同，本文的解決方案不需要混合的網絡模型，即不需要特殊的高能量節(jié)點就能完成整個密鑰系統(tǒng)的部署和運行，這使得HMKMP 更適合WSNs 的要求，具有更好的可行性。

HMKMP 協(xié)議采用分簇的網絡架構。首先，在簇的形成過程中，計算出簇頭到每個簇成員的跳數，并用數據存活時間TTL 控制簇的規(guī)模，同時減少消息傳播，TTL 是數據包在無線傳感器網絡中可以轉發(fā)的最大跳數。這里，利用TTL 及一定數量的隨機數作為密鑰系統(tǒng)的基礎參數。在密鑰生成和部署中，處于不同的跳范圍內的節(jié)點可以獲得不同的密鑰。另外，當簇頭進行重選時，由于新的簇頭引起跳數的變化，因此將重新進行密鑰的分配。為了保證WSNs 的安全并考慮網絡的生存周期，本文將依據一定的條件，參照LEACH 等分簇算法對簇進行重新組織，并重新更新密鑰系統(tǒng)，依據新的跳數生成新的密鑰來替換過時密鑰。

HMKMP 具有以下的優(yōu)勢：

（1）密鑰系統(tǒng)局域化。HMKMP 利用層次化WSNs 架構，對網絡建立多個分簇，使得密鑰系統(tǒng)局域化。因此，即使節(jié)點被敵方捕獲和解密，也不會威脅到整個網絡。

（2）能量損耗低。HMKMP 協(xié)議在簇的形成過程中計算跳數，不需要額外傳輸信息，因此減少了能耗損失。

（3）與LDK 等協(xié)議不同，HMKMP 協(xié)議采用了普通的WSNs 架構，不需要特殊節(jié)點加入，因此具有更好的可用性。

2 網絡模型

在輸電設備的多維感知中，可以用每個桿塔傳感器集合為單元，形成以桿塔為綜合結點的多跳傳輸模式的線性延長網絡架構[15]。對其拓撲一般化，可以看成如圖1 所示的網絡架構。由于WSNs 這些特點的存在，導致節(jié)點能量資源、帶寬和運算性能等資源都受限，考慮WSNs 是能量敏感的網絡，本文采用層次化的網絡架構[16]。

圖1 多跳傳輸通信架構

設無線傳感器網絡G，由簇組成，即G＝C1∪C2∪…∪Cm，且Ci∩Cj＝?，i≠j，其中Ci代表某個網絡中的一個分簇，由簇頭CH（或CHi）及成員節(jié)點組成。在每一個簇里面，簇頭CH 負責收集并處理從簇內其他成員節(jié)點獲取的信息，然后將處理的結果轉發(fā)給BS（基站）[17]。通常，在一個簇里面，成員節(jié)點要經過多個分簇將信息傳送給簇頭，即設對任意成員節(jié)點∈Ci，與簇頭CH進行通信要經過多跳，如圖2 所示。

本文假設m 個無線傳感器節(jié)點隨機、均勻地部署在某個區(qū)域，該傳感器網絡具有以下性質：

（1）無線傳感器網絡為靜態(tài)網絡，節(jié)點部署后不再移動。

（2）網絡中的每個節(jié)點具有唯一的身份ID。

（3）基站建在范圍外的某個固定地方，具有強大的能量和計算能力。

（4）所有傳感器節(jié)點是同構的，即具有相同的運算能力和初始能量等。

（5）如果一個節(jié)點被敵方捕獲，所有節(jié)點的信息將暴露失密，包括密鑰等。

圖2 分簇架構的無線傳感器網絡

（6）每個傳感器屬于且只能屬于一個簇。

3 HMKMP 密鑰管理方案

3.1 選舉簇頭

為了增加能效及方便管理，本文采用分簇協(xié)議建立層次化網絡架構。分簇協(xié)議一般會把WSNs 節(jié)點集劃分為多個子集，每個子集為一個簇，其中一個簇頭節(jié)點負責每個簇全局路由，其他節(jié)點通過簇頭來發(fā)送和接收數據[18]。首先，依據簇頭選舉算法，節(jié)點可以自己決定是否申請成為一個候選簇頭CH。然后，該節(jié)點向網絡里面廣播選舉消息，其他節(jié)點會根據自身情況加入某個簇中。

3.2 簇的形成

簇頭一旦確定，簇頭節(jié)點將廣播一個beacon信息號召其他節(jié)點加入簇。每個接到消息的節(jié)點根據一定的算法（如距離、能量等）加入相關的簇，并進行標記并失去加入另一個簇的權利，保證不存在任何一個節(jié)點同時加入兩個或兩個以上的簇中,本質上屬于成員端控制。當簇頭CH 發(fā)布beacon 信息的時候，該信息通過初始密鑰K 進行加密，內容包含簇頭節(jié)點的ID；同時，通過TTL來限制簇的大小，同時減少消息的傳播，依據TTL 的值，算出跳數。依據TTL 不同的值，生成系列不同的隨機數數據集N，每個隨機數數據集的元素數量根據L 的不同而不同，如當TTL＝3時，傳感器將獲得4 個（TTL+1）隨機數，即N＝{n1，n2，n3，n4}，如圖3 所示，為保持連通性和增加公共密鑰，本文產生Z+1 個隨機變量。隨著TTL 逐漸減小到0，beacon 信息將被刪除。

圖3 簇頭的不同跳范圍（TTL=3）

因此，如上所述，根據不同的TTL，節(jié)點會收到不同的隨機數數據集，如式（1）所示。同時，處于不同跳數范圍的節(jié)點將因此生成不同的密鑰。

3.3 密鑰生成階段

設vj為成員節(jié)點，vj≠CH，vj∈Ci。當beacon消息發(fā)送到成員節(jié)點后，成員節(jié)點選擇加入簇Ci，計算TTL 并通過ACK 消息把IDvj和TTLvj發(fā)送給感興趣的簇，獲取簇頭到該節(jié)點的跳數。

在beacon 消息依次傳輸給不同跳的節(jié)點時，接到消息的成員節(jié)點vj用初始密鑰解密beacon消息并獲得簇頭IDCH 及隨機數數據集Ni。基于這些數據，節(jié)點vj通過哈希函數可以計算出候選密鑰序列，依據隨機數據集生成自身的密鑰集合Ki：

這里，f（）為單向哈希函數，其中kI為初始密鑰，在整個網絡部署之前，每個傳感節(jié)點將預置一個初始密鑰，用來保護分簇形成階段的通信安全；ni為隨機數集合N 的第i 個隨機數，自動生成。各節(jié)點最初密鑰產生的過程如圖4 所示。

圖4 初始密鑰產生過程

各個節(jié)點完成密鑰生成之后，首先銷毀公共初始密鑰KI，然后根據節(jié)點所在跳范圍，不同節(jié)點vj密鑰存儲情況如表1 所示。

表1 不同跳范圍節(jié)點密鑰存儲情況（TTL=3）

由表1 可見，同一簇里面相鄰跳的節(jié)點具有相同的密鑰，從簇的外圍向內層逐層擴展，單向遞增，通常處于外圍節(jié)點的密鑰集合是內層節(jié)點密鑰的子集。

3.4 公共密鑰發(fā)現

為了保證節(jié)點間正常通信，每個成員節(jié)點必須與相鄰節(jié)點建立安全鏈接。因此，相鄰節(jié)點必須由公共密鑰實現消息的正常加解密。根據密鑰生成算法，由于處于相同跳范圍里面的節(jié)點會收到相同的beacon 消息，因此會產生相同的候選密鑰，也就是說，地理上相鄰的同一分簇的節(jié)點具有部分相同的候選密鑰，如圖5 所示。

圖5 簇頭節(jié)點的隨機數集合分配（TTL=3）

如果一個節(jié)點能收到消息（IDCH，Ni，TTLi）ki，也就說明這個節(jié)點同時會收到消息（IDCH，Nj，TTLj）kj，這里，TTLi＞TTLj（i＜j）。因為在物理上，第j 跳范圍是覆蓋第i 跳范圍的，因此鄰近簇頭的節(jié)點具有比遠離簇頭節(jié)點更多的密鑰。設任意成員節(jié)點vj產生的密鑰列表為Lj，則：

根據密鑰生成原則，設任意簇內兩個節(jié)點vi和vj（i＜j），其公用密鑰集合為S 即可得到：

由于簇頭采集所有節(jié)點的信息，因此簇頭必須有能力解密所有來自成員節(jié)點的消息。但是，如果每個成員都匯報自己的密鑰，將大大增加網絡的負擔。由于隨機數集合是由簇頭發(fā)送出去的，簇頭可以通過計算來獲取其他所有節(jié)點的密鑰。另一方面，由于密鑰是通過跳數控制的，故同一個簇里面的節(jié)點可以互聯(lián)。根據式（5），本文可以獲取任意兩個節(jié)點vi和vj間的路由密鑰。

由式（5）可知，簇內任何節(jié)點之間都可以進行有效通信。根據隨機數據集合的特點，由于隨機數總是比TTL 多1，因此任意兩個簇內節(jié)點至少可以有一個公共密鑰（注：最后一個隨機數作為簇密鑰）。

3.5 簇密鑰

簇密鑰主要用于保護簇頭節(jié)點CH 與簇內成員節(jié)點進行通信，同時也用于下輪新密鑰的產生。由于在最初發(fā)送隨機數據集合時，發(fā)送了TTL+1 個隨機數，集合中最后一個隨機數分配到簇內每一個節(jié)點，可以用于簇密鑰的產生，如圖6 所示。

圖6 HMKMP 的簇密鑰

3.6 密鑰再生

為了延長整個網絡生命周期，須在一定周期內更換簇頭，以平衡網絡節(jié)點的能量消耗。同時，為了防止因長時間使用同種密鑰增加泄密概率，也需要更新密鑰。當簇頭CH 接收到一定數量的加密信息后（不超過22k/3，k 代表密鑰長度），密鑰將不再安全。因此，需要定期重新分簇，以增加網絡安全和平衡能耗，延長網絡生命周期。

在重選簇頭的過程中，依照初始化階段進行密鑰更新，重新建立新簇，當節(jié)點宣布自己為簇頭后，將重新召集新的分簇成員并計算跳數。

如圖7 所示，當新的簇頭確定后，簇頭和成員節(jié)點的相對位置和跳數都發(fā)生了變化，隨機數集合也發(fā)生了變化，從而會生成新的密鑰及密鑰系統(tǒng)。

圖7 重新選擇簇頭

4 性能及安全性分析

4.1 性能分析

為了評估HMKMP 性能，本文利用Visual C++和MATLAB 對HMKMP 進行模擬，并對照相關工作進行性能評估。本文模擬網絡中有100 個節(jié)點，根據HMKMP 協(xié)議要求，利用ECDG（多跳分簇協(xié)議）作為網絡架構。模擬參數如表2 所示。

路由協(xié)議是影響節(jié)點能源損耗最重要的的因素之一[19]。首先，本文比較一下HMKMP 和LDK的能耗情況。圖8 給出了HMKMP 和LDK 在密鑰架構上的能耗比較。從圖8 中可以看到，對于LDK 協(xié)議，隨著跳數的增加，密鑰形成時傳輸的消息也相應增多，亦即能量消耗增多。從曲線的平滑度上看，對于錨節(jié)點，由于其具有更多的能力（如高能量、可調發(fā)射范圍等），因此可以通過增強能量水平來形成分簇及密鑰。

表2 模擬參數

但是，LDK 協(xié)議需要傳輸更多的消息來產生密鑰，對于HMKMP 協(xié)議來說，隨著跳數的增加，也需要増加信息轉發(fā)的數量來形成分簇和產生密鑰。但是，由于部分密鑰參數包含在ACK 消息中，HMKMP 需要較少的信息就可以完成。如圖8所示，HMKMP 協(xié)議僅需要LDK 能量的50%即能形成密鑰系統(tǒng)。但是，由于噪音和衰減問題，當跳數超過5 時，能耗就顯得比較明顯。

圖8 不同跳數的能量消耗比

因此，在網絡運行的數據傳輸階段，簇內成員要將自己的密鑰信息發(fā)送給簇頭節(jié)點，然后簇頭節(jié)點將收到的密鑰加以處理。為了減少節(jié)點能量的消耗，在進行遠距離數據傳輸時一般采用多跳的方式。

在相同的仿真環(huán)境下，HMKMP 和LDK 的連通性比較如圖9 所示。可以觀察到更多的跳數（能量水平）會降低網絡的連通度。由于LDK 協(xié)議支持同一個簇，這使得所有成員節(jié)點有可能相互溝通。然而，隨著跳數的增加，覆蓋率變大，由于噪音、衰減和涉及的節(jié)點指數級的增加，這使得它難以轉發(fā)分組。當跳數超過3 時，QoS 小于90%。對于HMKMP，它也面臨著同樣的問題，但其連通度優(yōu)于LDK。處于同一個錨節(jié)點范圍內的節(jié)點可能處于不同的分簇中，當能量水平增加時，不確定性也增加，從而降低了網絡連接度。

圖9 HMKMP 與LDK 的網絡連通性比較

圖10 顯示了在不同的TTL 下所得到的不同的理想密鑰狀況。對于HMKMP 協(xié)議，可以通過調整TTL 的值來平衡簇的大小。圖10 表明，TTL的值可以影響網絡中簇的密度和簇頭的數量。本文取TTL 的值分別為3，4，5 時，簇頭將是30%，20%，10%左右。從圖10 還可以得出這樣的結論：隨著TTL 的增加，公共密鑰的數量也在增加。

圖10 節(jié)點的預期密鑰數量

4.2 安全性分析

與已有相關研究相比，HMKMP 通過局域化密鑰管理，實現了網絡運行狀態(tài)下的安全保護；同時利用動態(tài)密鑰管理方式實現了密鑰的更新。由于采用了層次化的網絡架構，因此可以實現類似LEACH 模式下與網絡節(jié)點之間溝通的一跳模式，也可以實現大規(guī)模的、多跳分簇的安全密鑰管理。在分簇形成階段，簇頭通過計算到各個成員節(jié)點的跳數，獲取不同跳分區(qū)的距離，同時利用beacon 消息進行隨機數據集合的廣播。成員節(jié)點在接收到相關消息時，利用跳數和隨機數作為參數，通過單向哈希函數生成密鑰。根據不同跳數，每個簇被劃分為多個安全帶，如圖7 所示。處于不同安全帶里面的節(jié)點會獲得不同的密鑰，同時，又保證了相鄰節(jié)點具有足夠量的公共密鑰，保證了網絡的連通性和通信的有效性。

簇頭鄰近的節(jié)點具有更多的密鑰，而距離簇頭越遠，擁有的密鑰越少。也就是說，對近端節(jié)點的信息遠端節(jié)點可能無法解密，這種半單向的傳輸方式一方面進一步保護了信息傳輸安全，另一方面也減少了消息的傳輸。因此HMKMP 協(xié)議更適合于信息采集類的無線傳感器網絡。這種半單向的安全模式有效阻止了偷窺攻擊、選擇轉發(fā)攻擊、DoS 攻擊以及洪泛攻擊等，具體見表3。

表3 密鑰安全性分析

為保證整個簇的通信，簇頭利用每個隨機數據集合的末位隨機數作為簇密鑰的種子與簇內所有節(jié)點共享（包括簇頭）?；诖仡^的多輪選擇以及跳數和隨機數據集合的再分配，可以實現密鑰的更新。與LDK 協(xié)議相比，HMKMP 協(xié)議減少了對特殊節(jié)點的依賴，全部節(jié)點為普通節(jié)點，使得HMKMP 協(xié)議更具有可行性。同時，HMKMP 協(xié)議利用簇的建立過程實現密鑰系統(tǒng)的同步建立，減少了額外的能量消耗，使得該協(xié)議在能耗上更輕量級。

另外，在連通性上，由于HMKMP 具有不同跳范圍的覆蓋性，即當第j 和第k（j＜k≤TTL）跳范圍的節(jié)點都接到beacon 消息時，根據二項分布，連通的可行性為：

根據式（6），本文可以通過增加TTL 的值來増加連通性，即增加兩個節(jié)點間的公共密鑰數量。

5 結語

本文提出了一個基于層次化WSNs 架構的密鑰管理協(xié)議HMKMP，以提高多跳網絡的安全性和生存期限。不同于以往的研究成果，本文采用了層次化網絡的拓撲架構，但不針對混合節(jié)點的網絡。與其他分簇的安全解決方案不同，HMKMP將密鑰管理局域化；在不同的一跳范圍內在分簇中生成新的密鑰。此外，基于再分簇機制下重新生成密鑰，本方案具有能耗低、可行性高的特點。同時，HMKMP 可以調整TTL 控制簇大小和公共密鑰支撐節(jié)點的連通性。