TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.5, May 2014, pp . 3969 ~ 39 7 8   DOI: http://dx.doi.org/10.11591/telkomni ka.v12i5.4241          3969     Re cei v ed O c t ober 1 3 , 201 3; Revi se d Decem b e r  20, 2013; Accept ed Ja nua ry 9,  2014   An Improved Key Man a gemen t  Scheme for Hierarchical  Wireless Senso r s Networks        Abdoulay e D i op*, Yue Qi, Qin Wang   Schoo l of Com puter an d Com m unic a tion En gin eeri n g   Univers i t y   of Scienc e an d T e chno log y  B e ij ing ,  Beijin g, Chin a .     Corresp on din g  author, e-mai l : adio p .ustb@ g m ail.com* , q i yu ee@ ustb.ed u .cn,  w a ng qi n@i e s.ustb.edu.cn        A b st r a ct   Key  ma nag e m ent p l ay  a ce n t ral rol e  for  pr otecting  co mmunic a tion  in  W S Ns. Due  to t he l i m ite d   me mory reso u r ces and  en ergy constrai nts, complex  s e c u rity alg o rith ms cannot b e   used i n  sens or   netw o rks. T herefore, to s e cur e  dat a co mmu nicati on  and  w e ll  bal anc e b e tw een the  secu rity leve l a nd t h e   associ ated e n e rgy cons u m p t ion is a ch all eng ing ta sk. In this pa per, w e  present a n  Impr oved K e y   ma na ge me nt  Sche me  for S e curin g  co mmu nicati on  in  Hi er archic al W i r e le ss Sens ors  Ne tw orks (IKS). The   prop osed  tech niq ue  bas ed  o n  sy mmetric  k e y  mec han is m, gen erates  a n d  d i stributes  t he k e ys w i thi n  a  cluster  efficien tly an d u p d a te s peri o dically  keys to  mitigat e the node  com p r o m i se attack. We prov ide  a  detai led s e curit y  ana lysis of o u r IKS protoco l  and s how  its a d vanta ges i n  a v oidi ng  no de c apture  attack a n d   several serious attacks from m a licious  nodes. Finally, us ing NS-2 s i m u la tor, the result s shows that IKS  provi des en erg y  saving a nd h a s low  commu nicati on over h ead a nd e nd to end d e l a y co mp are d  to exis ting   key ma na ge ment sche m es.      Ke y w ords : wireless sensor network, hierarc h ical  networks, key m a nagem ent, security, attacks.      Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  With the  de sign a nd  dev elopme n t of  micro d e vice s, the  comm unication te chnolo g y  enabl ed the desig n and de velopment of WSNs with  lo w co st, low energy con s u m ption and hi gh   utilization.  WSNs have  lot  of appli c at io n s  in  military, h ealth a nd  ot h e r in du strial  sectors. Be ca u s e  of the characteristics  of WSNs, sen s or  node s are usually  cha r a c terized by limi t ed power, lo w  band width, m e mory si ze a nd limited en ergy [1, 5].    Cluste r ba se d sen s o r s n e tworks is o ne of the main re sea r ch  area s in WSNs an d  behave bette r in perfo rma n ce a nd reli a b ility than traditional flat WSNs (FS N s). Clu s ter topol ogy   is used to e x tend the lifetime of WSNs and  can p r ovide scal ab ility, good organi zation a nd  energy effici ent. Many  routing  proto c ols fo r  clu s ter-ba sed   WSNs have b een pro p o s e d   by  resea r chers [ 2 , 6].  In clu s ter-b ased  rou t ing prot ocols, netwo rk is  d i vided into  cl uster an d ea ch   clu s ter h a s it s own Clu s te r He ad (CH).  Furthe r,  CHs are re spo n s ible fo r relay i ng of messa ges  from ordina ry node s to the Base Station  (BS).   To achieve  both se cu rity and efficie n cy  for WS Ns, several key dist ributi on and   manag eme n t scheme s  h a ve been p r o p o s ed in  WSNs.  The first key pre - di stributio n schem e wa s  pre s ente d  by  Eschena ue r and Gli gor  [7]. They  propo se  a pro babili stic key   pre - di stributi o n   techni que, where  t w o sen s or nod es ne ed  to  ide n tify  the com m on  keys th ey sh are, to e s tabli s h a   pair-wi se  key  betwe en the m . However t h is  schem e  cannot p r ovide  sufficie n t se curity when t h e   numbe r of compromised  node s incre a s e s . Zhu et al. [9] propo se Lo cali zed  Encryption  and   Authentication Protocol  (LEAP), wh i c h  establi s hes four types of  keys that m u st be  stored  in  each se nsor.  One wea k n e ss of this a ppro a ch is  th at once th e initial key is  comp romi se,  an  adversa ry ca n de du ce  all  the p a ir-wi s e keys i n stal led in  the  ne twork [8]. Y.  Ch eng  an d  D.  Agra wal p r op ose IK DM (a n Improve d   Key Distri buti on Me cha n ism) [10] b a se d on hi erarch ical   netwo rk a r chi t ecture  and bi variate polyn omial-key pre - dist ributio n mech ani sm.     In IKDM, Onl y  two pai r-wi se key s  a r e  preload ed in  ea ch  sen s o r  n o de to  redu ce   the key  stora ge ove r head. Fo r  se curi ng LEA C H (L ow-Ene rg y Adaptive Clu s terin g  Hi era r chy) p r e s ented  by Hein zelm an et al. [2], some  se cu re ro uting p r otocol s have  been p r op o s ed,  such a s   SecLEACH [11], GS-LEACH [12] an d SLEACH [13] .  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3969 – 39 78   3970 SecLEACH  sho w  ho w a rand om key pre-distri bution can be used for secure   comm uni cati on in  clu s ter-based p r oto c ols.    Ho weve r, GS-LEA CH, SLEACH  and Se cLEA CH  pre s ent some  security vulnerabilitie s cau s ed by  the ra ndom key pre - dist ributio n schem e and a r e  also vul nerab le to key  colli sion  attacks.  Most of the s e schem es  a r e vulne r a b le  to a numb e r of  se curity threa t s [3]. Furthe r, if a node  get s comp romi sed, it is p o ssi b le for th e ad versa r y to  kn ow  all the keys  stored in the n o de.  In this pap e r , we p r op o s e an Imp r o v ed Key managem ent Schem e for  Secu ring   comm uni cati on in Hie r archical  Wirel e ss Sensors Ne tworks (IKS) to overcome  the limitations of  curre n t key di stributio n  and  man agem ent  sche me s.  Ba sed  on  the  hi era r chical  network  structu r e,  IKS use different ki nd of  keys to en sure ba si c  secu rity requi rements. Data encryption  is   perfo rmed fo r se cu re  co mmuni cation.  One way hash fun c tion  and Me ssa ge Authenti c ation  Cod e  (MAC) are also used to provid e authent ication and me ssag e integrit y. The propo sed   techni que ba sed o n  sym m etric  key mech ani sm, ge ner ate s  an d distrib u tes eff i ciently the keys  within a cl ust e r and u pdat es pe riodi call y keys to mitigate the nod e  comp romi se  attack [4].   Indeed, if an  intrude r ma n age s to captu r e  a n ode, a n  encryption m e ch ani sm sh ould b e   pre s ent to  re stri ct the a ccess of int r ud e r  to  the  me ssage hi sto r y of  node  [5, 16].  The r efore, af ter   key e s tabli s h m ent pha se,  a key u pdati ng ph ase  sh ould be  used  to update th e key s  re gul arly.  After ce rtain  time interval  new nod es a r e  sele cted  a s   CH, a nd B S  gene rate s  a ne w  key u s ing   the hash fun c tion and the  current key. T h is p r o c ed ure  ensu r e s  that  intrude rs  ca n not acq u ire the   keys ea sily, hen ce  avoi d different t y pes  of  atta cks f r om  m a licio us no d e s, b e cau s e  only  legitimate no des  can joi n  the network.  The rest of t he pa per i s  o r gani ze d a s  follows. Secti on 2 d e scrib es the  netwo rk m odel.   Section 3  explain s  the propo sed  key  manag eme n t  scheme in  d e tails. In Section 4, we p r ese n t  the se cu rity analysi s  an d simulation  re sults of  the p r opo sed  key  manag eme n t scheme. Fi n a lly,  we con c lud e  our work an d pre s ent some  future re sea r ch directio ns i n  se ction 5.       2. Net w o r k  Model   We focus on hierarchi c al structure of sensor  network  [10], as illustrated in Figure 1.    a)  BS is  co nsi d e r ed  tru s two r th y with  unlimit ed  re sou r ces  and i s  lo cate d in  a  safe  pl ace.  BS has auth enticatio n sy stem for any  node in th e  network [15] , a node me mber tabl e o f  all  node s in the  netwo rk a nd  an intru s ion d e tection  syste m .  b)  Senso r s nod es colle ct info rmation of  su rro undi ng en vironme n t an d tran smit the m  to   the clu s ter he ad.   c)  CH i s  re spo n s ible for  colle cting data  within a clu s ter  and tran smi s sion to the B S .          Figure 1. Pro posed Sch e m e  architectu re .      De scription s   of the notati ons  used in  t he pro p o s ed  key man a g e ment techni que a r e   listed in Tabl e 1.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     An Im proved  Key Man age m ent Scheme for Hie r arch ical Wi rele ss Senso r s… (A bdoul aye Dio p )  3971 Table 1. Nota tion De scripti on used in IKS  S. No   Nota tio n     Descrip tio n   1.  idSNi  Identification Number of nod e i  2.  idCHi  Identification Cluster Head i   3.  idBS  Identification Base Station  4. KNet  Net w ork  ke y  5.  KBS,CHi  Shared Pair-w ise  Ke y   6. KCHi,Si  Intra-cluster  ke y  7. KCHi,CHj  Inter-cluster  ke y  8. KI  Initial  key   9.  EK(M)   Encr y p tion of me ssage M w i th s y mmetric ke y  K  10.  V  An arra y of no de  ids  11.  H ( )   One- wa y hash fu nction  12.  MACK()   The message au thentication c ode of message M u s ing sy mmet r ic ke y  K   13.    Bit w i se XOR  op eration   14.   N  Nonce       Initially, we consi der that  WS Ns are ho mogen eou s a nd symmet r ic.  Senso r  nod e s  kee p  stati onary   after deployme nt durin g  th e  n e twork  op era t ion.  To  disting u ish be tween them,  each nod e ha s a uniq ue id  with eno ugh l ength.       In our sche me, we u s e  Low-Ene rgy  Adapt ive Clu s terin g  Hi era r chy  (LEACH) [2] to  rand omly cho o se  CHs. Se nso r s no de s  cho o se thei r  clu s ter  hea d  according  so me pa ram e te rs  su ch a s  the  stron g e s t sig nal re ceive d   [2]. As sho w n in Figu re  1 ,  there i s  no  comm uni cati on  betwe en sen s ors nod es. After  ce rtain time  interv al  new nod es a r e  sele cted  a s   CH to  p r ov ide   energy savin g  of a cluste r  head [2].   We a s sume  that when  CH is lo cated  far from the  BS, CHs  can  commu nicate each   other. In this  ca se, CH sen d s the a ggre gated sen s in g data to the  relay CH ne a r  the BS to save   energy.  In this n e two r k  mod e l, ea ch  exch ange d me ssage  h a s  a time sta m p that g uarantee th e   fresh n e ss of i n formatio n. We al so con s ider a minim u m time “Tmin ”  after depl oyment, in whi c h a   node  can not be com p romi sed.     Furthe r, as t h reat m odel  we a s sum e  that  an  adversary  ca n eav esd r op  on th e traffic,   inject ne w m e ssag es, spo o f other ident ities, r eplay a nd modification of old me ssage s. Ho wever  we con s ide r  that an adversary need at le ast  time “T ca pture ”  to com p romi se a n o de.       3. The Propo sed Hier arch ical Ke y  Man a gemen t  Scheme     3.1. Ke y  pre-distributio n  phase   In our propo sed  scheme,  each n ode  are p r elo ade d with one u n ique  se cret  key K I ,  sha r ed   with t he BS  before  they a r e  de p l oyed. N ode s mu st auth ent icate th em sel v es  with th e  BS  usin g  their correspon ding   unique key K I . Hence no de se nd  req uest to the  BS con s istin g  of  sen s o r  nod e’ s id, non ce, a nd MAC, wh e r e MAC is  cal c ulate d  by using K I . The BS authenticat es   the node s by verifying the MAC.  Afterwa r ds, if authentication is su cce s sful, the BS  gene rate s a netwo rk  key K Net  for  sen s o r  no de  with id SNi  and  load s ea ch  node  with thi s  Netwo r k ke y. K Net  will be used during  the  initial clu s ter formation p hase. Note that a ll mem bers sh ould  prove thei r validity to the BS.  Furthe r K I  is deleted fro m  SN’s mem o ry  after joining the network.     3.2. Ke y  Est a blishment  Shared Pair-w i se Ke y  Es tablishment  (K BS,CHi ):  After the de ploym ent, some  no des  are   rand omly selected  as  CH, hen ce BS n eed s to e s ta blish  pair-wi se key  with ea ch  CH to  se cure   the comm uni cation b e twe en them. The  BS generate s  an a r ray V of all sen s o r s node s id SNi  in the  netwo rk.  The  BS first  u s in g the  net work  key K Net  e n c rypt s a  thre shol d valu e  T(n ) , ge nerates  a   MAC and b r oad ca sts the s e informatio n with a non ce to all sen s or n ode s. Node ge nerate s  a  rand om nu m ber  R bet wee n  0 and  1. If R is le ss than  a given threshold T ( n), the  node a c t s  as a   clu s ter he ad.    T(n )  is calcul ated as:     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3969 – 39 78   3972 Whe r e p i s  the percenta g e  of cluste r he ads, r  i s  the current rou nd  numbe r, G is the set  of node s whi c h haven’t bee n electe d as  clu s ter-he ad s in the last r mod (N / p ) round s.   a)  Wh en  a n o de S N i b e co mes CH first t i me, it send s  an a u thenti c a t ion pa cket to  the BS  By inserting it s id and e n crypting messa ge usi ng K Net .                             CH i  →  BS :     i d C Hi , idBS  ||  E K Ne t (M|N) || MAC  K Ne t  (M|N )           Whe r e MAC ensu r e s  da ta integrity and aut he ntication, the timestam p N avoids  messag e re pl ay attack.  M is the clu s ter  head’ s me ssage  (M = id CHi |id BS | K Ne t ).   b) Up on receiving the CH i n formatio n, the BS  authe nticate s  M an d verifies the  MAC. If  CH i s  a valid  node, BS compute s  a n e w  key K BS,C Hi  by using  a  keyed o n e - way ha sh   function H K (v al).  BS encry pts M and K BS,CHi  using net work key K Net  and se nd s it to CHi.     BS  →  CHi :     idCH i , idBS || EK Ne t (M|N| K BS, C H i ) || MACK B S , CHi  (M|N)     Intra-cluster  ke y  establishment (K CHi,Si ):   Ea ch  CH ne ed s to e s tabli s h a  sh ared  key  with its  clu s t e r me mbe r   SNi to en su re se cu re  co mmuni cation  betwe en th em (a s ill ust r ated   Figure 2). Thi s  key e s tabli s hment ca n be  briefly descri bed a s  follows:  a) First, Each CH b r oa dcasts a n  adve r tisem ent me ssage M u s i ng KNet, id CHi  and a   timestamp  N to avoid repla y  attack.    CHi  ⇒  SNi:      idCHi || EK Ne t  (M|N) || MACK Net  (M|N)         b) Node S N i  authenti c ate s  CHi by verify ing the MAC, usi ng the  netwo rk  key  K Net . A   node S N i jo ins a  clu s te r ba sed  on  the re ceive d  sig nal  strength [2]. T hen, for  membe r ship  of this  clu s ter, a  nod e gen erates a me ssage  M as follo ws:   M=  id SNi |id CH i|K Ne t   c)  No w nod e  SNi encrypt s the me ssa ge M u s ing  K Net , includes the timesta m p N a nd  sen d s the e n c rypted m e ssage to the sel e cted  CHi.     SNi  →  CHi:       idS Ni, idC Hi ||  EK Ne t  (M|N) ||   MAC K Ne t  (M|N )          d) Afterwa r d,  CHi  sen d s t he id entity list (idLi st) of e a ch  no de  me mber in th e  cluster to  the BS.    CHi  →  BS:        idC Hi, idBS || EK B S , CHi  (M|N |  idList ) || K B S , CHi  (M|N)    Whe r e id List  = {idS N1,idS N2,…… ,idS Nk-1},  k is th e numb e r of  node i n  the cl uster  an d   M is the clu s t e r hea d me ssage.   e) BS com p u t es the  cluste r key K CHi,Si  using  a one -way hash funct i on and th e p a ir-wi s e   key  K BS,CHi  and sen d  it to th e CH  with an  authenti c atio n respon se m e ssag e.                   BS  →  CHi:       i d BS,  idCHi || EK B S , CHi  (M|N| K CHi,S i ) || MACK B S , CHi  (M|N)    f) Each  CH i s   re spo n sibl e  for  distri buti ng thi s   sha r e d  key to it s  clu s ter mem ber SNi.  Therefore  CHi auth entica t es BS, de crypts  the me ssag e an d se nd the i n tra - cluster key  K CHi,Si  to all c l us ter members  .     CHi  →  SNi:        i d CHi || EK Ne t  (M|N | K CHi,S i   ) ||  MACK Ne t  (M| N)            g) The cl uste r membe r s a u thenticate M by veri fying the MAC, if a u thentication is valid,   K CHi,Si  will be  act as the  shared  key bet we en CH and cluster mem bers.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     An Im proved  Key Man age m ent Scheme for Hie r arch ical Wi rele ss Senso r s… (A bdoul aye Dio p )  3973     Figure 2. Keys Gen e ratio n  and Di strib u tion in IKS      Inter-cluster  ke y  establishment (K CHi,CHj ):   In Inter c l us ter  c o mmunic ation, the s o urce  CH (l ocated far from the B S ), commu nicates with  BS throu gh the re lay CH alo ng  the path. The   key sh arin g schem e co ntai ns the follo wi ng step s:   Source CH  send s a re que st for inter-cl uste r  key ge neratio n to the BS with the list of   CHs alo ng th e path of com m unication.   Upo n  receiving the  re qu est from the  init iating CH,  the  BS a u thenticates the  CH’ s   messag e an d  ge nerates sha r ed  key  f o r  i n ter-clu s t e r com m uni cation  b e twe e n   CHi and   CHj.    Afterward BS  enc r ypts K CHi,CHj  using K BS,CHi  and sen d s to  the  co rrespon ding s  CHs. Th us CHs  us e the inter-c l us ter  k e y to c o mmunicate in a s e c u re way.    3.3. Data T r a n smission Phase   a) T h is p hase mai n ly con s ist s  of  two   distin ct ste p s in  hierarchi c al se nsor  n e twork.   Firstly, sen s o r  node s send  encrypted dat a packe t s  to it correspon di ng CH as foll ows:    SNi  →  CHi:        i d SNi, id CHi  || E K CHi,S i   (M ) | |  MACK CHi,S i   (M)    Whe r e M is t he se nse dat a.   b) The confid entiality of th e messag e is ensu r ed by usin g K CHi,Si .  Afterwa r d CH send s  encrypted a g g reg a te data  packet s  to B S  for pr ocessing, en crypte d by the pai r-wise key  K BS,CHi .    CHi  →  BS:        idCHi || EK B S , CHi  (H(M1, Mj ,  ….., Mn))     3.4. Ke y  Updating Phas e   To redu ce  th e ri sk of  nod e  ca pture  atta cks, it  i s  e s se ntial to u pdat e the  key s  [9] .  Hen c e  the network  key K Net  is upd ated pe riodi cally. This  key  is valid  only for a limited time period that is   less than th e  predi cted ti me re quired  for nod e co mpromi se  (T capture ). That  perio d of tim e  is  depe ndent o n  the network  environ ment.   Thus BS gen erate s  and  se nds the n e w  netwo rk  key K Net+1  to CHi encrypted wit h   K CHi,B S .     BS  →  CHi:        idBS, idC Hi  || EK BS,C H i (M|N| K Ne t+1 ) || MACK B S , CHi  (M|N)     Upo n  re ceivi ng the m e ssage, CHi  a u thenticates B S , decrypt s a nd  broad ca st s the info rma t ions    t o  it s clust e r  membe r s.       CHi  →  SNi:      id CHi, idS Ni ||  EK CHi,S i   (M|N| K Ne t+1 ) || MACK CHi,S i   (M|N )            Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3969 – 39 78   3974 The le gitimat e  cl uste r m e mbers  re ceiv e the  broad cast m e ssa ge,  authe nticate s   CHi  by  verifying MAC, decrypt it us in g the cu rrent netwo rk  key and get the new n e two r k key.   The int r a-clu s ter keys  ca n  also  be  refreshed  peri odi ca lly. In this case BS u s ing th e ha sh   function  (H)  and th e  current cl uste r  key, gene rate s a  ne w  clu s ter key. Th e me ssage s are  encrypted wit h  K CHi,BS  and  sent to CHi.    BS  →  CHi:        idBS, idC Hi  || EK B S , CHi  (M|N|  K’ CHi,S i ) || MACK B S , CHi  (M|N)     CHi  authe nticate s  BS an d tran smits the ne w int r a - CH  key to i t s clu s te r m e mbe r s,   encrypted wit h  the cu rre nt K CHi,S   only known by the le gitimate clu s ter memb ers.     CHi  →  SNi:      id CHi, idS Ni ||  EK CHi,S i   (M|N|  K’ CHi,S i ) || MACK CHi,S i   (M|N)             It is worth no ting that, sen s or n ode s SNi or  CHi ca nnot un cover  the new clu s ter key  sin c e it doe s not kno w  the  curre n t one s.      3.5. Node Co mpromise and Cluster Re-org anizati on  In WSNs, in  the ca se of a node comp romi se,  it is necessa ry to preserve the  shared  keys se crecy ,   hence avoid   that  the num ber of  comp romise d no de s re ached a  critical value.  In   this sch e me,  upon i dentifying a  comp ro mised  se ns or node,  CH  broad ca sts a  n o tification to i t s  clu s ter mem b ers, an d rem o ves the com p romi se d nod e from its clu s ter me mbe r  table.   If a CH i s   compromised,  a  re-clu steri ng of   clu s te r memb er of  the comp rom i sed  CH  among  the  re maining  CH n eed s to ta ke  place. In this  ca se, BS info rms its  clu s te r mem b e r s  a nd  other  CHs.  Clu s ter m e mbe r  of t he  comp ro mised  CH  are  dist ribut ed am ong   other  uncomp r omi s ed CHs. It is  worth  noting  that to di stribu te the nod es  among  them selves, the  CHs  use the  clu s tering al go rith m as di scussed in  [2, 14]. Af terward  BS initiates  the k e y update   mech ani sm, however nod es disca r d s   it s cu rre nts  ke ys  an d  u s e s  a  ne w network key and   cl u s ter  key fo r future  comm uni cati on. Fu rthe r, the n e ws  key s  are u s e d  to  secu re  all the   comm uni cati ons  in the netwo rk between th e comm uni ca ting partie s .   It is worth n o t ing that in IKS, as long a s  t he duratio n of an epo ch i s  less tha n  the key  comp romi sin g  time, adve r sa ry  can  no t comp ro mi se  the key s , therefo r e co nfidentiality and   integrity will b e  still guarant eed in IKS.  In this prop o s ed mo del of  key manag e m ent techni q ue, we co nsi der that clu s t e r hea ds   are  rotate d af ter certai n ti me inte rval [2 ], and all  nod es  get a  chan ce to  be  a  clu s ter  hea d e q ual  numbe r of times. Thi s  ap proa ch all o ws bala n ci ng the ene rgy co nsum ption a m ong all no d e s in   the netwo rk.   BS bro a d c ast  a p a cket  to  all CHs at th e en d of  clu s ter d u ratio n  t o  remove it s  membe r   table. Ne w cl uster  hea d create a ta ble  of its  memb er no de whe n  a ne w clu s ter goe s on,  as  descri bed in i n tra-clu s ter  key establi s hm ent, fo rwa r d it to the BS an d contin ue its process.        4. Securit y  A n aly s is and  Simulation Results   Here, we eva l uate the security prop erti es an d net wo rk p e rfo r man c e of ou r IKS and we   comp are it with some of ex isting sch e me s.     4.1. Securit y  Analy s is of  IKS  In IKS, assu ming the  BS i s  trust w orthy,  ke y ca n  b e  safely  esta blished between  the  CH   and the BS,  and between  CH and  clu s ter membe r s.  Before the transmi ssion o f  the messa g e ,  encryption is  perfo rmed to  secure the communi cati o n  with the he lp of one wa y hash functi on.    One-way ha sh function i s  use d  to provi de authe ntica t ion and me ssag e integrity .     Protocols i n   clu s ter b a se d WSNs miti gate  mo st attacks ex cept  Sinkhol e, Wormh o le  at t a ck s.    In IKS, each cl uste r membe r s e n crypt s  info rmation u s i ng K CHi,Si , avoiding   eavesdro ppin g  attacks. On ly legitimate  CH that  owns the cluste r key can de cry p t the messa ge.  IKS provide s  fre s hn ess  u s ing  time i n terval,  time -st a mps a nd  n once. Th e n once  N i s  v e ry  importa nt sin c e it prevent s a replay attack a nd  en su res the integ r ity of the message. Hen c e a n   external atta cker  ca nnot m odify or inje ct  rout ing i n formation with o u t being d e te cted. Fu rther  to   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     An Im proved  Key Man age m ent Scheme for Hie r arch ical Wi rele ss Senso r s… (A bdoul aye Dio p )  3975 kno w  the o r ig ination of the  messag e for f u rthe r actio n , BS checks th e CH i d  whi c h is attached  to   the me ssag e. To  prevent  a mali ciou s n ode to  attem p  keys e s tabl ishme n t, the  BS authenti c ate  CH by verifying the MAC calcul ated  usin g K Net . Since  K Net  is only kno w n  by the BS a n d   legitimate no des. The MA C en sures th e data int egri t y and authentication of sensi ng data. It is  worth  noting t hat after the  keys  establishment, ke y s   will be used to encrypt the transmitted data   for the next transmi ssi on,  hence  will  ensure secure comm uni cati on.  Further, i f  we expect t hat  the attacker requires a fixed amou nt of time  to compromi se the  node, the ke ys  would ha ve  cha nge d to a new o ne befo r e the attacke r  coul d use the comp romi sed key s .  Hen c e,  cha n g ing p e rio d ically the key s ,  av oids eave s drop attack and  p r ovide s   se cu re  comm uni cati on in our S c h e me.    Furthe r, if co mpromi se d n ode  se nd s da ta usi ng th e  previou s   key,  BS will  reje ct all data   that have  re ceived from th e mali ciou s n ode s. Th e  wh ole p r o c e s s e n su re s th at  malicio us no des  will not  be a u t henticate d  b y  the BS. He nce, a s  l ong  as the  du ratio n  of an  epo ch is l e ss tha n  the  key com p rom i sing time, ou r pro p o s ed  schem e is secure. The r efo r e, sinkhole at tack, worm ho le   attac k ,  selec t ive forwarding  attac k  fail agains t IKS.        Table 2. Keys Storage an d Secu rity Mechani sms  Ke y s  Stora g e  & Securit y   Mechani s ms                                                               Protoc ol Na m e          SLE A C H   SecLE A H   IKS  Cr y p togra p h y  Sc hme    S y mmetric Cr ypt ograph y  S y mmetric Cr ypt ograph y    S y mmetric Cr ypt ograph y,    AES  Ke y  Manag emen t Scheme     Random ke y      predistribution scheme   Ke y  Manag emen t for  Hi errarc hi c a l  W S Ns   Authentication Scheme    MAC  Don't p r ovide  broadcasts  authentication                    MAC   Ke y  Stora ge ove r head     m key s  × key  size  m key s  × key  size  (2 ke y s  for  CM +  4 ke y s   for  CH  )  × key  size      Table 3. Security and Perf orma nce req u irem ent Co mparaison   A t t a c ks T y p e s & Perfor mance s   Require me nts                                           Protocol  Name           GSLE A C H         SLE A C H     SecLE A H             IKS   Node Capt ure att a ck  ×  ×  ×  √   Sinkhole attack  ×  √  ×  √   Wormhole attack  ×  ×  ×  √   Seclective forw ar ding  ×  √   √   √   Energ y  Ef ficient  Good   Medium  Medium  Good   Storage Loa d              High   High  High  Lo w  Connectivity Medium  Medium  Medium  Full  Scalability   Robustness  Medium          Limited  Medium  Limited  Medium  Limited  Good   Good       IKS as comp ared  to othe r key p r e - di stribution  sche mes  su ch  as SecLEA CH [ 11], GS- LEACH [12]  and SLEACH [13]  based  on LEA CH  and rando m key pre-di stri bution p r ovid es  efficient security.  GS-LEA CH,  S L EACH and S e cLEACH  present so me security  vulnerabilities  cau s e d  by th e ra ndom  ke y pre - dist ribu tion sche me  and a r e  also  vulnerable t o  key colli sio n   attacks. Se curity me cha n ism s , resili ence ag ain s t attacks  an d Perfo r man c e  req u ire m ents  Comp araison  are presente d  in Table 2 a nd Table 3.   IKS allows e v ery entity in the network to  be confirmed o r  auth enticate d  con t inuou sly  and  redu ce s the ch an ce s of no de  comp romi se.   Furthe r, IKS satisfie s  gene ral  se curity  requi rem ents,  su ch  as  confidentiality  with e n cryp tion, messa g e integ r ity with MAC, no de   authenti c atio n as mentio n ed before, messag e fr esh ness of message s excha n ged in the net work   with non ce a nd full confid entiality.    4.2. Simulati on Results  To evalu a te t he p r op osed  Key Mana ge ment  techniq ue, we  comp are  ou r IKS  scheme   based  on  hie r archi c al  net work with  LE ACH protocol  usi ng th e  NS2 sim u lator  [17]. We  con s ide r   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3969 – 39 78   3976 a rand om ne twork of 250  sen s or n ode s depl oy ed i n  an are a  of 200x200m.T he sin k  no de  is  assume d to  be n ear the  sen s in g. Sim u lation time   wa s 4 00  se cond s. Advan c ed  Encrypti on   Standard (AES) [18] (block size of 128  bits) was  used to implement the encryption/decryption  algorithm. Due to execution ti me and energy consumption requi rement of AES is much less  than other  cry p togra phy alg o rithm s  [18].     In ord e r, to  e v aluate the  p e rform a n c e  o f  the  se cu rity overhe ad,  we  co nsid er two  metri cs:  the energy con s um ption  and the End to End  delay. We measured th e averag e e nergy  con s um ption  of sen s or n o d e s follo wing d i fferent netwo rk  size.             Figure 3. Clu s ter  Den s ity Vs %Energy  Con s um ed b y  a CH  Figure 4. Nu mber of no de s Vs Ene r gy  Con s um ed b y  Sensor  Nod e s        Figure 5. Nu mber of Node s Vs End to End Del a y      Figure 3  sho w s that  with t he in crea se   num be r  of no des from  50   node s to  25 0  nod es,  the energy consumption o f  IKS prot oco l  is slightly greater by  1.45 % to 1.65%  whe n  com pared   with LEACH becau se of the com m uni cation overh e ad. The grap h also indi cat e s that for b o th   scheme s , the  avera ge e n e r gy is  almo st  con s tant  fo r varying  netwo rk si ze n an d t he ga p bet we en  IKS and  LEACH is extre m ely low an d  p r acti cally id en tical. Thi s   re sult wa s expe cted  be cau s e  in  IKS, cluste r  membe r s  co mmuni cate  o n ly with th e  cluster h ead,  each o r din a ry node  send s one   messag e and  receive s  on e  message. T h is is be ca use, in IKS data are tran smi tted via one hop  betwe en cl ust e r memb ers  and CH. The r efore, provide s  ene rgy savi ng.  Figure 4 sho w s the Ave r age en ergy percenta ge  consumed  by a clu s ter h ead ove r   clu s ter d e n s ities. Both mo dels  sho w  th at the  energy con s um ption  of CH in crea se s with  clu s ter  den sity. This  is be ca use in cre a si ng th e  numbe r of  m e ssag es add  signifi cant co st  to  the clu s t e r  energy. In a  network  of  250  se nsors and  cl uste r  den sity of 25  nod es, th e  averag e e n e r gy  con s um ption  of CH in IKS is more  than 2. 15% compa r ed  to LEACH, beca u se of  the  comp utation overhe ad.   Figure 5 illustrates the av erag e end -to-end del ay time followin g  the numbe r o f  nodes.   Define d as th e time taken  by a packet to rea c h the d e stinatio n fro m  the sou r ce . We can n o tice  that the E2E delay in ou r I KS sch eme i s  sli ghtly  gre a ter comp are d  to LEACH. Therefore  we  ca n   con c lu de that  the security  mech ani sm u s ed  in I KS d oes not ta ke  a lot of time.  We  also  noti c e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     An Im proved  Key Man age m ent Scheme for Hie r arch ical Wi rele ss Senso r s… (A bdoul aye Dio p )  3977 that, incre a si ng the nu mb er of no de in  LEACH  as  well as in IKS, the E2E dela y  remain s al most   unchan ged.  This i s  be ca use n o n - CH  comm uni cate s only with it s corre s pon d i ng CH with  one  hop.       5. Conclusio n   In this pa per, we  present ed a n  Imp r o v ed Key m a nagem ent S c hem e fo r S e cu ring   comm uni cati on in  Hie r a r chical  Wi rele ss Sen s o r s Networks  (IKS). We  find th at the ove r h ead   whi c h the IK S proto c ol le ads to  be a c cepta b le  with  low m e mory  overhe ad a nd E2E del a y .    Based  on th e hierarchi c a l  netwo rk   structure, IKS  distrib u te the  keys  within  a clu s ter a nd  provide s   re keying p r o c e s s to e nha nce  netwo rk   security avoidin g  node -captu r i ng p r obl em a n d   assure that only legitimate node s send d a ta for pro c e s sing.    Before m e ssage e n cryptio n , com m uni cating pa rtie s  need to  be i n  agreeme n t o n  a  key,  hen ce provid es co ntinuo u s  authent i c ati on of node s in the network. IKS mecha n ism is scal a b le   with few me ssag es u n like  to random  key predi strib u tion schem e s  ba sed o n  key pools  whi c h  gene rate  a l o t of me ssage,  with  hig h   sto r age  ove r he a d . Simulation  and  analy s is  has  sho w n  th a t   IKS approa ch  not only achi eves efficient  security , but also provide s  ene rgy savi ng. Our Futu re   works m a y concentrate  o n  devel oppi n g  a  co mplete  se cu rity sch e me fo r  clu s ter  ba sed  WS Ns  unde r mobilit y to deal with varied an d co mplex attacks.        Ackn o w l e dg ements   The work re p o rted in thi s  p aper  wa s sup ported  by Nat i onal Natural  Scien c e Fo u ndation  of  China (No .   611720 49, 6100 3251 ), Nation al  Hig h  Technol og y Research  and Develop m ent  Program of Chin a (Grant  No. 2011AA 0401 01-3), Doct oral Fund  of Minist ry of Education  of  Chin a (No. 20100 0061 100 15).       Referen ces   [1]    J Z hang, V Var adh araj an. W i r e less s ensor  n e t w o r k ke y m a nag ement s u rve y   an d ta xo no m y .  Jour na l of   Netw ork and C o mputer Ap plic ations . 20 10; 3 3 (2): 63-7 5 .  [2]    W  Hei n zelm an,  A C h a ndrak as an, H  Ba lakris hna n.  En ergy- e fficient c o mmunic a tion  pr oto c ol for  W S Ns,   Proc. of the 33 rd Ha w a ii Inter natio nal C onfer ence o n  S y st e m  Sciences, W a shi ngto n . 200 0.  [3]    A Diop, Y Qi, Q W ang, S  Hussai n . An A d vanc ed Surv e y   on Sec u re  Energ y -Effici en t Hierarch i ca l   Routi ng Prot oc ols i n  W i rel e ss  Sensor  Net w orks.  Internatio nal J ourn a l  of  Co mp uter Scie nce Issues .   201 3; 10(1- 2): 490- 500.   [4]    J Lee, V  Leu n g , K W ong, J  Cao, H  Cha n .   Ke y  m a na gem en t i ssue s  in  wireless sens or networks:  current pro pos als an d future  deve l op ments . IEEE Wireless Commun i cati o n s. 2007; 1 4 (5) :  76 –84.   [5]    MA Simplício Jr, PS  Barreto, CB Margi, T C  Carval ho. A Su rve y   on K e y M ana geme n t Me chan isms fo r   Distribut ed W i reless Se nsor N e t w o r ks.  Co mp uter Netw orks . 201 0; 54(1 5 ): 2591- 261 2.   [6]    P Z hu, F  Ji a. A  Ne w   Ap proac h to S ens or En erg y  S a vin g  Al gorithm.  T E LK OMNIKA Indon esia n Jo urn a l   of Electrical En gin eeri n g . 20 1 3 ; 11(5): 24 85- 248 9.  [7]    L Eschenauer,  VD Gligor.  A k e y man age me nt sche m e for  distrib u ted se n s or netw o rks . Proc. of the 9th   ACM confere n c e on Com pute r  and commu ni cations sec u rit y , Ne w  Y o rk. 2002: 41- 47.   [8]    AH Sodhr o, Y Li, M Ali Sh ah. Nove l Ke y Storage a nd  Mana geme n t Soluti on for th e Securit y  o f   Wireless Sens or Net w orks.  T E LKOMNIKA Indo nesi an Jo u r nal of  El ectrical Eng i n eeri ng.   2013;   11(6):   338 3-33 90.   [9]    S Z hu, S S e tia ,  S Jaj odi a.  LE AP: Efficient S e curity Mec h a n is ms for  Lar g e -Scal e  D i strib u ted S ens or   Netw orks . Proceed ings of the  10th ACM conf erenc e on  Co mputer an d co mmunicati ons  securit y , N e w   York. 2003: 6 2 –72.   [10]    Y Ch eng,  D A g ra w a l. An  im prove d  ke y  dis t ribut io n mec h anism for  lar g e-scal e  h i erarc h ical   w i r e l e ss   sensor n e t w ork s .  Ad Hoc Netw orks (Elsevier ) . 2007; 5(1): 3 5–4 8.  [11]    LB Oliveir a , A F e rreira, MA Vilac a , et al. Se cLEAC H-on  the securit y   o f  clustered sen s or net w o rks.   Sign al Process i ng . 20 07; 87( 1 2 ): 2882- 28 95.   [12]    P Baner jee, D  Jacobs on, SN  Lah iri.  Secur i ty and  perfor m a n ce a nalys is of  a secur e  clust e rin g  protoc o l   for sens or n e tw orks . Proc. 6th IEEE Intl. S y mposium on Net w ork Computing  and Applic ations.  2007:   145- 152.   [13]    AC F e rreir a, M A  Vil a ca, LB  Oliveir a , E H a b i b, HC W o ng,  AA Lo ureir o .  T he  s e curity of cluster-b ase d   communic a tio n  protoc ols for   w i reless se nso r  netw o rks . Proc. 4th IEEE I n ternational Conference  on  Net w orki ng (IC N Š05). 20 05: 4 49– 45 8.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3969 – 39 78   3978 [14]    PK Sah oo, JJ  Ch en, P i  S u n.  Efficient  security  m e c hanism s  f o r th e di stri b u t ed  wi re le ss sen s or  netw o rks . Proceedings of the IEEE  T h ird In ternatio nal Conferenc e on Information T e chnology  and  Appl icatio ns (ICIT A ' 05). 2005 ; (2): 541-546.   [15]    D Li u, P N i n g ,  Efficient  di stributio n of k e y cha i n c o mm it me nts for  broa dcast a u thentic atio n i n   distrib u ted se n s or netw o rks . Proc. of the 10th Ann ual N e t w o r k an d Di stributed S y st em Securit y   S y mp osi u m, Califor nia. 20 03.   [16]    C Karl of, D W agn er,  Secur e  routin g i n  w i r e less s ens or n e tworks: Attac ks and counterm easur e s , In  Procee din g s o f  First IEEE  Internatio nal Wo rkshop  o n   Se nsor  Net w o r k Protocols and Appl icatio ns.   200 3:   113- 127.   [17]   NS-2  w e b site, http:// w w w . isi. e du/nsn a m/ns   [18]    J Daeme n , V Rijme n . T he D e sig n  of Rijn d ael: AES - the Advance d  En cr y p ti on Stan d a rd. Sprin ger- Verla g  Ne w  Yo rk. 2002.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.