无线传感器网络安全及广播认证研究

论文摘要

无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、无线通信技术等,是一种全新的信息获取和处理系统,能够广泛应用于国防军事、环境监测、交通管理、医疗卫生等领域。无线传感器网络因其部署区域的开放特性以及无线网络的广播特性,易于受到监听和各种恶意攻击,安全问题变得极为重要。广播通信是无线传感器网络中的重要通信方式,然而,目前针对广播通信安全有效的解决方案却很缺乏,广播安全成为无线传感器网络极为突出的安全问题。本文对无线传感器网络的安全问题进行了深入分析,重点针对无线传感器网络中的广播认证协议进行研究。在对已有方案研究分析的基础上,提出了一种基于簇的分层广播认证方案。该方案将网络分为两层结构,基站利用路由协议得到的分簇信息为各簇分配密钥池,簇头负责簇内节点密钥环的分配,利用本地密钥环与基站认证密钥集的共享密钥对广播包进行认证,并在簇内协助基站广播。将传感器节点组织成簇的形式,可以有效防止广播风暴,降低网络能量消耗;可以实现分层验证,防止中间节点传输错误的信息。该方案采用一包一认证机制,可以保证广播消息的单独认证和立即认证,并使用1比特认证机制降低通信代价。通过理论分析与仿真模拟证明该方案在网络安全性、可扩展性、认证的实时性以及对特定攻击的抵抗性等方面有所改进,适合于大规模、非周期性通信网络的广播认证。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 无线传感器网络概述
• 1.1.1 无线传感器网络的体系结构
• 1.1.2 无线传感器网络的拓扑结构
• 1.2 课题背景
• 1.3 研究现状
• 1.4 本文工作
• 1.5 本文结构
• 第二章 无线传感器网络安全性分析
• 2.1 传感器节点的限制
• 2.2 无线传感器网络的特点
• 2.3 无线传感器网络的安全需求
• 2.3.1 通信安全需求
• 2.3.2 信息安全需求
• 2.4 无线传感器网络的安全性研究进展
• 2.4.1 密钥管理
• 2.4.2 安全广播
• 2.4.3 攻防技术
• 2.5 网络安全加密协议
• 2.5.1 机密性
• 2.5.2 完整性与点到点认证
• 2.5.3 新鲜性认证
• 2.5.4 节点间通信
• 2.5.5 协议分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 无线传感器网络广播认证协议分析
• 3.1 无线传感器网络中的广播通信
• 3.1.1 广播通信的特点
• 3.1.2 广播通信算法与协议
• 3.1.3 广播通信的安全需求
• 3.2 基于一次签名的广播认证技术
• 3.2.1 方案概要
• 3.2.2 性能评价
• 3.3 基于秘密信息非对称的广播认证技术
• 3.3.1 方案概要
• 3.3.2 性能评价
• 3.4 基于时间非对称的广播认证技术
• 3.4.1 方案概要
• 3.4.2 性能评价
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于簇的广播认证方案
• 4.1 安全目标
• 4.2 网络模型
• 4.3 方案描述
• 4.3.1 初始化
• 4.3.2 广播认证
• 4.3.3 动态过程
• 4.4 方案分析
• 4.4.1 安全连通概率
• 4.4.2 消息认证概率
• 4.4.3 抗节点俘获能力
• 4.4.4 与现有无线传感器网络广播认证方案的比较
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于簇的广播认证方案的实现
• 5.1 仿真模型
• 5.2 实现流程
• 5.3 算法选择
• 5.4 参数确定
• 5.5 实验结果
• 5.5.1 网络结构
• 5.5.2 网络初始化
• 5.5.3 广播认证
• 5.6 性能分析
• 5.6.1 安全性
• 5.6.2 能量消耗
• 5.6.3 认证效率
• 5.7 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文