无线传感器网络密钥管理和广播认证协议的研究

论文摘要

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks,简称WSNs）是将计算、通信、传感器3项技术相结合的产物。近年来,随着无线通信技术和电子器件技术的快速发展,使低成本、低功耗、多功能的无线传感器的开发和广泛应用成为可能。这同时也促动了由成百上千微型传感器节点自组织构成的无线传感器网络的应用,主要表现在军事、环境监测、医疗、智能建筑和其他商业领域。然而,任何大型网络要真正得到大规模的应用,安全问题至关重要。因此,如何保证无线传感器网络的通信安全和信息安全成为一个热点研究话题。无线传感器网络除了具有Ad Hoc网络的移动性、断接性、能源受限等共同特性之外,还具有一些明显的特征:1.网络规模更为庞大,节点数目更多、密度更大,属于大型动态自组网络;2.网络拓扑结构变化快,网络节点容易失效;3.网络节点由电池供电,计算能力、存储能力和通信能力非常有限。这些特点使得无线传感器网络在安全性能上面临更大的挑战,而大多数现有的安全协议和保护机制都无法直接应用于无线传感器网络中。论文主要从密钥管理和广播认证两个方面对无线传感器网络的安全技术进行了研究。对现有的无线传感器网络主流密钥管理方案依照所依托的密码基础、网络的逻辑结构、网络运行后密钥是否更新和密钥的链接性程度进行了分类,并分别介绍了这四类方案中的一些经典密钥管理方案,同时对这些方案进行了分析比较。在此基础上,基于特定的数据结构——密钥联系表以及基于逻辑网格拓扑结构,设计了两种新型的密钥管理方案,分析了其安全特征,并参照密钥管理的性能需求与逻辑密钥树型方案、SPINs方案等进行了仿真验证比较。另一方面,论文对现有的广播认证方案进行了归纳,重点讨论应用较为广泛的uTESLA和多级uTESLA广播认证协议及其相关改进方法,在此基础上设计了一种基于父亲树的层簇式结构的广播认证协议HW-uTESLA,在广播认证范围、丢包时延、Hash密钥链的再生构造等方面做出了有益改进。最后,论文基于面向Agent的WSNs中间件软件技术,利用所提出的方案,设计与实现了中间件软件DisWare的安全管理模块,从而使其在无线传感器网络通信应用中具备加密、认证和密钥管理的基本功能。

论文目录

• 中文提要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源和意义
• 1.2 论文的主要工作
• 1.3 论文的组织结构
• 第2章 无线传感器网络及其安全技术概述
• 2.1 无线传感器网络的体系结构
• 2.1.1 无线传感器网络拓扑结构
• 2.1.2 无线传感器网络节点结构
• 2.2 无线传感器网络的特征
• 2.3 无线传感器网络的应用领域
• 2.4 无线传感器网络的关键技术
• 2.4.1 网络拓扑控制
• 2.4.2 定位技术
• 2.4.3 网络通信协议
• 2.4.4 时间同步技术
• 2.4.5 数据融合与管理
• 2.4.6 能量管理
• 2.4.7 网络安全技术
• 2.5 无线传感器网络安全问题和安全目标
• 2.5.1 无线传感器网络安全问题
• 2.5.2 无线传感器网络安全目标
• 2.5.3 无线传感器网络安全目标实现的制约因素
• 2.6 无线传感器网络中的安全关键技术
• 2.7 本章小节
• 第3章 无线传感器网络密钥管理方案的分类和设计
• 3.1 密钥管理技术的安全需求及性能需求
• 3.1.1 安全需求
• 3.1.2 性能需求
• 3.2 密钥管理方案的分类和现状
• 3.2.1 按照所依托的密码基础分类
• 3.2.2 按照网络的逻辑结构分类
• 3.2.3 按照网络运行后密钥是否更新分类
• 3.2.4 按照网络密钥的链接性程度分类
• 3.3 WSNs 密钥管理方案的设计
• 3.3.1 密钥管理和安全认证的基本框架
• 3.3.2 密钥管理方案的设计原则
• 3.4 本章小节
• 第4章 基于密钥联系表的 WSNs 密钥管理方案
• 4.1 前提假设
• 4.2 具体方案设计
• 4.2.1 密钥联系表的初始化
• 4.2.2 密钥联系表的组成结构及工作原理
• 4.3 安全性分析
• 4.3.1 节点加入网络时密钥更新的安全性
• 4.3.2 节点离开网络时密钥撤销的安全性
• 4.3.3 其它安全特征分析
• 4.4 性能分析
• 4.4.1 初始化的计算复杂性
• 4.4.2 存储复杂性
• 4.4.3 通信复杂性及能耗仿真
• 4.5 簇间的认证
• 4.6 网络的连通性分析
• 4.7 本章小结
• 第5章 基于逻辑网格的 WSNs 密钥管理方案
• 5.1 研究背景和前提假设
• 5.1.1 研究背景
• 5.1.2 前提假设
• 5.2 基于逻辑网格的密钥管理方案
• 5.2.1 系数矩阵构建
• 5.2.2 密钥的生成和分发
• 5.2.3 节点间的多播通信
• 5.3 安全性分析
• 5.4 性能分析和仿真实验
• 5.4.1 存储性能分析
• 5.4.2 密钥生成时的计算量
• 5.4.3 通信量与能耗仿真
• 5.4.4 其它性能
• 5.5 本章小结
• 第6章 WSNs 中广播认证协议及 HW-μTESLA 方案
• 6.1 研究背景
• 6.2 WSNs 中广播认证的安全和性能需求
• 6.3 WSNs 中广播认证协议的研究现状
• 6.4 μTESLA 系列协议及其改进原则
• 6.4.1 μTESLA 协议工作原理
• 6.4.2 多级μTESLA 协议工作原理
• 6.4.3 μTESLA 协议的改进原则
• 6.5 改进的 μTESLA 协议:HW-μTESLA
• 6.5.1 基于父亲树的分簇路由协议
• 6.5.2 可再生Hash 密钥链的构造
• 6.5.3 密钥发布时间的调整
• 6.5.4 仿真实验和性能比较
• 6.6 本章小结
• 第7章 WSNs 中基于移动 Agent 的安全中间件的实
• 7.1 移动 Agent 技术简介
• 7.1.1 移动Agent 的概念
• 7.1.2 移动Agent 应用于无线传感器网络
• 7.2 无线传感器网络中间件 DisWare
• 7.2.1 DisWare 的体系架构
• 7.2.2 DisWare 的模块设计
• 7.2.3 DisWare 的指令系统
• 7.3 DisWare 安全管理模块的具体实现
• 7.3.1 数据包填充模块
• 7.3.2 加密模块
• 7.3.3 密钥管理模块
• 7.3.4 认证模块
• 7.4 应用实例
• 7.5 本章小结
• 第8章 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.2 展望
• 参考文献
• 缩略语
• 攻读学位期间取得的科研成果
• 致谢