文摘
物联网应用程序的出现增加了大数据的安全问题发送的物联网设备。轻量级密码算法的设计成为必要。此外,椭圆曲线密码(ECC)是一种很有前途的加密技术,已用于物联网。然而,有限的资源受限的设备上连接对象,计算能力和能源。在这些动机的推动下,我们建议和发展一个安全加密协议叫做CoopECC利用物联网节点到集群的组织分发集群的负载(CH)在其集群成员。这种技术证明它优化物联网节点的资源消耗,包括计算和能源消耗。绩效评估,完成TOSSIM模拟器,表明拟议中的协议CoopECC优于原来的ECC算法,在计算时间方面,消耗能量,网络的生命周期。
1。介绍
物联网技术的出现导致了其在各种应用程序的集成包括智能城市、医疗、机械机器系统,联系车辆,智能家居。此外,物联网技术等尖端技术中使用云计算、大数据和区块链。这种广泛的物联网集成提高了安全问题和推动一个可靠的安全协议的要求。然而,物联网设备的有限的资源特点使得轻量级算法发展的一个挑战。
此外,物联网设备所产生的大数据量增加的必要性等轻量级密码算法加密数据隐私意识到应用程序中。
虽然这些安全需求,最近的研究(1]表明,现有的安全协议不能满足物联网设备的特点和要求。
此外,正如安全协议是基于加密算法,其效率主要取决于这些加密算法的效率。因此,最近的研究(2)都集中在物联网的密码算法。
加密系统目前分为两个主要领域:对称加密和非对称加密。在对称加密通常用于对称加密,非对称加密包含两个主要的用例:非对称加密和数字签名。非对称加密的选择是最系统由于其的安全级别。最常用的非对称加密方法是RSA (3]和ECC [1]。
不过,RSA算法不适应物联网设备由于其密钥长度(高4]。另一个RSA算法是ECC算法。事实上,ECC提供相同级别的加密强度更短键160位而不是1024位RSA。因此,ECC提供更好的安全级别,同时减少计算能力。短键使ECC更适合存储容量和处理能力有限的设备,如用于物联网。
然而,计算椭圆曲线操作仍然需要力量,不支持物联网设备。主要复杂的ECC操作是乘法,也称为标量乘法。
在本文中,我们使用了并联技术。后者可以分发各个节点之间的任务加快标量乘法的计算。建议的解决方案的好处从大规模节点部署和利用这些节点的合作来实现加密任务。
更准确地说,我们的解决方案更适应基于集群的网络体系结构,它允许集群头(CH)之间的计算任务分解不同的集群成员。这允许减轻物联网节点的加密处理。
本文的组织如下:提出了在部分2,我们现在概述相关的工作。然后,部分3致力于为非对称密码学CoopECC的表示。随后,部分4介绍了CoopECC协议的仿真结果与后续的工作和讨论。最后,部分5本文总结并描述了未来的观点。
2。相关的工作
集群技术包括网络划分成一组集群呈现在图1。每个集群包含一个领袖传感器节点称为CH。CH的角色由集群成员之间的协调,从而收集数据和聚合,然后传输到基站。选择CH促进这个角色根据特定的指标包括剩余的能源,它的位置。集群的大多数已知协议LEACH [5和注意6]。
传感器网络受到各种攻击和所有的计算机网络。减轻这些攻击,足够的解决方案是保护之间的数据流通节点安装的一套技术和安全机制。此外,传感器的一个必须考虑的资源(计算能力、能量等)。候选人必须满足安全技术的主要安全需求包括完整性、机密性、认证,和新鲜的数据。正直意味着数据必须在传输过程中不被修改(7]。机密性保证信息不应该流节点之间明确的方式,特别是在军事和医疗等关键应用。数据将被加密,因此不听者解释和理解的8]。然后,验证保护网络身份盗窃攻击验证身份声称一个节点。随后,新鲜的技术确保接收到的数据是最近的。
在[9),密钥分发协议安全路由(KDSR)提供了一个有效的过程分享本地密钥分发。扩展的密码(OTP)原则,提出一个新颖的方法依赖于ECC算法的OTP代以确保物联网安全(10,11]。
(12)允许发现可持续发展目标之间的相关性和信息和通信技术。在[13),作者介绍了物联网的安全威胁在移动边计算,提出了物理层的身份验证方法,利用信道状态信息,以减轻威胁通过检测无线网络欺骗攻击。
在[14三个操作),协议KMMR礼物。在一开始,它处理光局部流程策划在升序和降序的水平。第二,它限制妥协节点本地链接的影响。第三,KMMR补充说,撤销高效安全的节点。ECC是一个调控器路由网络协议是专门为无线传感器网络设计的,特别的15,16]。
在[17,18),该协议可以分发CH之间的计算和不同的集群成员。CH请求这些成员节点计算定义良好的任务。这个操作可以节省能源和计算的CH。然而,不同节点之间的能量相等的区域来监督,它允许延长网络的寿命。(19)使用并联技术使得加快标量乘法的计算成为可能。这种技术有助于使CH轻量级的工作。
目前,有几个挑战与发展的基础,是研究不同技术和各种基于安全性的研究。作者还在等因素的限制,他们的研究进行威胁和采取什么样的行动,漏洞和安全要求。基于上述情况,我们有分类不同的研究提出根据每个描述的安全策略研究。这些研究可以在两个基本类别。研究[20.,21]相关的威胁,采用主动安全措施有助于防止这些攻击更有效地约束和漏洞等WSN网络,和其他的研究22,23显示安全需求,比如如何采取对策和解决方案。
密钥管理的几种方法,提出了在24- - - - - -33),包括一个随机密钥predistribution方法(34,35),一个基于块的加密36),和一个验证框架37]。每个传感器节点共享一个密钥与邻国和基站的关键(38]。基站检测到恶意的簇头节点通过身份验证。在[39,40),作者提出了一个安全机制,允许识别恶意节点通过一个查询处理。这种技术提供了必要的安全属性如机密性、完整性、新鲜,和数据验证41- - - - - -47]。
3所示。拟议中的协议:CoopECC
目前,物联网是一个全球性的网络,每个实体都有一个唯一的地址,并连接到互联网。任何物联网设备,包括传感器和致动器,可以控制手机;所以,可以发送数据和接收命令。大量的物联网打开方式基于物理世界之间的互连的应用程序和云计算系统。然而,在大型物联网应用程序的部署,需要解决的挑战。
物联网面临这些挑战之一是安全性和隐私问题。事实上,缺乏安全的风险增加用户的个人信息泄露,数据被收集并通过物联网设备传播。
因此,我们在本文中提出一种轻量级加密协议基于协作的加密机制。我们贡献的旨在减轻加密任务簇头(CH)通过分布在集群成员之间。这种技术允许延长网络寿命。更准确地说,我们利用标量乘法分发ECC的并行集群成员之间的操作。
3.1。CoopECC描述
ECC算法汇集了一组加密技术,使用一个或多个属性的椭圆曲线或更一般的交换。使用这种技术可以提高现有的加密原语,例如,通过减少密钥的大小或构建新的加密原语并非之前所知。ECC是一家集技术,确保数据安全节点之间而消耗更少的资源。这使得它可以吸引研究人员越来越多的关注。
ECC在其他加密算法的优势,例如,RSA和AES (40),是安全通信和短关键尺寸。一个实验是由古拉等。48与ECC)显示了一个测试,只使用160位RSA相比其他非对称加密算法使用一个1024位的密钥。因此,短的ECC密钥大小可以快速计算,记忆保存,和精力。
我们的目标是分配任务和简化CH及其之间的密码操作计算集群成员。更准确地说,拟议中的CoopECC协议有以下特点:(我)任务分配:这个方法允许减轻CH CH。的负载分配成员之间的主程序。这允许执行程序更快(2)任务并行化:任务并行化允许执行的程序或线程并行集群成员(3)一个轻量级计算:计算和能源提出CoopECCconsumes低于原来的ECC,因此,它符合物联网设备的有限资源
提供并行计算,我们建议共享内存的CH不同集群成员之间的节点。这个共享内存将作为沟通CH及其成员之间的缓冲区,因此包含交换数据,如图2。
所有集群成员节点参与并行计算和可以执行必要的数据更新。这是一个可靠的和可扩展的配置基于可用的集群成员。因此,操作系统将极大地提高其性能。
根据使用内存的类型,时间管理机制实现可能会有所不同。使用共享内存架构允许集群成员之间的合作,因此更容易更快的完成他们的任务。图3表明,n1检测内存块包含写作,上传,和阅读数据交换这是暂时被n2,当务之急是n1将等待n2终止当前操作见方程(1)。
我们提出一个安全算法为物联网无线通信部署。我们认为基于集群的网络拓扑,CH负责收集、加密和数据转发到目的地。确保安全,特别是保护数据的保密性,ECC算法已经开始使用CH。随着传感器节点资源约束,包括能源、内存和计算,标量乘法的ECC(更多的计算任务)是由一组的成员节点在集群提供的CH的相似之处。
技术论文的贡献是更有效地执行乘法的计算,并提出以下方法:
目标是计算 ,在哪里和一个已知的固定号码是输入。的位分为相等的部分。每个部分不同的集群中的节点。每个节点增加的一部分通过并将处理的结果返回给CH。后者收集所有的结果后适当的变化来获得 。
CH分解的整数成段的长度 :
是一个发电机点和在网络的生活不会改变。 将分解如下( 是可能的):
使用方程(3),每个成员计算并传送结果CH。后者将他们最终结果。
3.2。CoopECC操作
CH接收数据揭示这些成员的关键事件从一个节点。此时,CH必须通知BS采取必要的预防措施的所有节点的网络。同一集群的其他可用的成员被要求参与加密计算加快加密程序。不同的步骤如图的描述4和下面:(1)首先,CH验证集群成员(2)然后,CH请求每个成员的参与为并行计算节点有足够的剩余能量(3)然后,CH成员接收任务需要使用并行计算,并加快加密敏感数据(4)成员节点快速执行并行计算,同时查看CH共享内存中的数据(5)要求每个成员节点所做的是什么,而且它传递的结果计算CH。后者将获得的结果来获取最终结果可用于加密或签名要发送的消息。CH总量数据并将其发送到物联网网关
4所示。CoopECC的性能和评价
为了评估我们CoopECC协议的性能,我们实现了Telosb在传感器传感器,由弩设计技术为研究目的。Telosb的技术特征传感器传感器展示在表1。
CoopECC协议的发展是由NesC (对于网络和嵌入式系统)语言(49和开发语言Tinyos50]。在表2女士,我们现在计算时间的并行性协议。获得表示为一个百分比,计算根据方程(6)。
图5显示了ECC的计算时间和CoopECC。更准确地说,计算时间逐渐减少,当多个成员节点参与并行计算。
我们可以注意到一个明显加速下降当我们使用超过45个节点。集群头需要额外的时间,称为overcost,协调无线电通信,将收到结果,并计算最终结果。
我们使用标量计算60节点由一个单一的CH在一个集群中。ECC相比,获得开始当一个集群包含10多个成员节点,我们获得的最大增益60%达到45个成员节点的数量。每个节点执行所请求的计算最小时间和很低的功耗。每一次,参与计算的节点数量的增加,会有网络的生活的改善。这意味着CoopECC协议提供了一个更好的设计和良好的功能,允许其妥善管理CHs这些成员组成的集群。
我们定义的计算时间节点Tp,我们评估我们的方法的性能与它的速度Sp中定义方程(7),并引用表结果3并提出了图6。
图6表明,曲线是提升超过10节点。这种加速允许快速得到结果,而不消耗能源。每次节点数量的增加,我们获得更多收益。CH的作用是分解任务简化处理的成员。
节省时间的计算可以减少能源消耗。CH只能管理45每个集群成员节点,45至50节点,和我们看到的稳定。50个节点后,有一个标量计算水平的下降。
根据图7节点的数目小于10,更高的能源消耗CoopECC协议,这是由于消息传输。从10开始节点参与计算任务,CoopECC协议的能耗相比减少了ECC算法。在ECC中,每个时间节点选为CH,它消耗能量,这可能导致其能源消耗,因此,风险的有限网络的生命周期。
一个非常重要的能量增益计算时CH和其成员之间分配。CoopECC提供低能耗、良好的加速度,长的网络寿命。
图8说明了一生的CoopECC协议相比,每轮住节点的数量。第一个节点开始渴望CoopECC 700发子弹,在选举投诉委员会,第一个节点死亡在500年轮开始。最后模拟、生活的节点数达到1400轮CoopECC ECC和1200。因此,CoopECC允许延长网络的生命周期比ECC通过最大化CHs的一生。
5。结论
加密是一种广泛使用的解决物联网设备之间的安全通信。我们建议CoopECC协议是适合资源受限的设备。事实上,CoopECC允许加快密码操作基于并行计算的概念。更准确地说,一个计算任务分布在集群成员之间将CH。为了证明我们方法的效率和鲁棒性,我们建立了一个模拟使用TOSSIM模拟器。绩效评估的结果已经证明了我们的协议的效率。更准确地说,结果表明,CoopECC提供了一个有趣的增益在能源消耗方面,良好的加速度,计算时间,延长网络的寿命。拟议中的CoopECC适合实时应用程序的要求,在网络需要向基站报告紧急事件,例如,自然灾害的探测环境监测应用程序。
作为未来的工作,我们计划工作认知物联网和加密解决方案使用联合学习技术。
数据可用性
数据用于支持这些发现的手稿中可用的文章。
的利益冲突
作者(年代)(s)宣称他们没有利益冲突。
确认
奥马尔博士Cheikhrouhou感谢塔伊夫大学的支持下塔伊夫大学的研究人员支持项目数量(TURSP-2020/55),塔伊夫大学,塔伊夫,沙特阿拉伯。