Given the sensitivity of the potential WSN applications and because of resource limitations, key management emerges as a challenging issue for WSNs. One of the main concerns when designing a key management scheme is the network scalability. Indeed, the protocol should support a large number of nodes to enable a large scale deployment of the network. In this paper, we propose a new scalable key management scheme for WSNs which provides a good secure connectivity coverage. For this purpose, we make use of the unital design theory. We show that the basic mapping from unitals to key pre-distribution allows us to achieve high network scalability. Nonetheless, this naive mapping does not guarantee a high key sharing probability. Therefore, we propose an enhanced unital-based key pre-distribution scheme providing high network scalability and good key sharing probability approximately lower bounded by 1-e^-1 ≈ 0.632. We conduct approximate analysis and simulations and compare our solution to those of existing methods for different criteria such as storage overhead, network scalability, network connectivity, average secure path length and network resiliency. Our results show that the proposed approach enhances the network scalability while providing high secure connectivity coverage and overall improved performance. Moreover, for an equal network size, our solution reduces significantly the storage overhead compared to those of existing solutions

چکیده

با توجه به حساسیت کاربردهای بالقوه ی WSN و به دلیل محدودیت منابع، مدیریت کلید به صورت یک مسئله ی چالش برانگیز برای شبکه های حسگر بی سیم به وجود آمد. یکی از نگرانی های اصلی هنگام طراحی یک طرح مدیریت کلید در شبکه، مقیاس پذیری ست. در واقع، این پروتکل باید از تعداد زیادی گره پشتیبانی کند تا توسعه ای در مقیاس عظیم از شبکه فعال شود. در این مقاله، ما یک طرح مدیریت کلید مقیاس پذیر جدید برای شبکه های حسگر بی سیم پیشنهاد نمودیم که یک پوشش اتصال امن مناسب فراهم می کند. برای این هدف، ما از نظریه طراحی واحد (یکهunital:) استفاده می کنیم. ما نشان می دهیم که نگاشت اولیه از واحدها به پیش توزیع کلید به ما اجازه می دهد تا به مقیاس پذیری شبکه ی بالایی دست بیابیم. با این حال، این نگاشت ساده و بی تکلف احتمال اشتراک گذاری کلید بالایی را تضمین نمی کند. بنابراین، ما یک طرح پیش توزیع کلید مبتنی بر واحد ارتقا یافته پیشنهاد می دهیم که مقیاس پذیری شبکه ی بالا و احتمال اشتراک گذاری کلید خوبی در حدود کمتر از 1-e^-1 ≈ 0.632 ارائه می کند. ما تحلیل تقریبی و شبیه سازی و مقایسه ی راه حل مان با روش های موجود برای معیارهای مختلف از جمله سربار ذخیره سازی، مقیاس پذیری شبکه، اتصال شبکه، متوسط ​​طول مسیر امن و حالت ارتجاعی شبکه را ارائه می کنیم. نتایج ما نشان می دهد که روش پیشنهادی، مقیاس پذیری شبکه را افزایش می دهد در عین حال پوشش اتصال امن بالا و کارایی کلی بهبود یافته ای را نیز ارائه می نماید. علاوه بر این، برای شبکه با اندازه ی برابر، راه حل ما سربار ذخیره سازی را در مقایسه با راه حل های موجود به طور قابل توجهی کاهش می دهد.

1-مقدمه

امروزه، شبکه های حسگر بی سیم (WSN ها) به طور فزاینده ای در برنامه های کاربردی حیاتی در چندین زمینه از جمله نظامی، پزشکی و بخش های صنعتی استفاده می شوند. با توجه به حساسیت این برنامه های کاربردی، سرویس های امنیتی پیچیده ای مورد نیاز است [1]. مدیریت کلید برای بسیاری از سرویس های امنیتی مانند محرمانگی و احراز هویت یک اصل است که نیاز به ارتباطات امن در WSN ها دارد. ایجاد ارتباط امن بین گره ها یکی از مسائل شبکه ی حسگر بی سیم است...