无线传感器网络组密钥管理机制的研究

论文摘要

无线传感器网络是一种由大量传感器节点构成的网络,用于协作的探测、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知的信息,近年来得到了广泛的应用。安全问题是无线传感器网络中的基本问题,也是当前该领域研究的热点之一。目前,无线传感器网络中的安全技术主要包括安全路由技术、安全组通信技术、认证技术以及密钥管理技术。组通信使消息在网络中高效传输,是提高网络资源利用率的一种重要通信方式,而安全组通信需要组密钥管理技术的支持。然而由于传感器网络中节点的计算能力、内存容量、电能限制以及网络的带宽、无线传输能力等等的限制,使得传感器网络的组密钥管理面临巨大的挑战。因此,研究无线传感器网络中的组密钥管理问题具有重要的意义。本文首先对无线传感器网络及其安全问题进行了全面的概述,然后介绍了传感器网络组密钥管理方案需要解决的问题和面临的困难,并根据传感器网络的特点和传感器网络的安全需求,利用一些评价指标对现有的几种传感器网络组密钥管理方案进行了分析和比较。为了降低网络的开销,本文基于逻辑密钥树结构和门限秘密共享机制,首先提出了一种层组式组密钥管理方案。在该方案中,基于逻辑密钥树的层组式结构有效的分散了密钥的存储量和计算量,既避免了集中式组密钥管理组控制节点的存储和计算瓶颈问题,又克服了分布式组密钥管理缺乏集中控制的缺陷。但在同层中组节点之间通过密钥协商算法获取新的组密钥,其计算开销很大,而且组密钥的发送是通过树形链路进行的,因此其广播量、存储量及通信开销依然很大,同时,当节点的多个邻居节点发生故障或被捕获时,该节点的组密钥更新将受到严重影响甚至无法更新成而为孤立节点。针对逻辑密钥树结构的层组式方案的不足,基于传感器网络的LEACH分层协议,本文提出了一种改进的层组式组密钥管理方案。与上述方案不同的是,改进方案在组密钥更新时,只有簇头进行本地协作操作生成新的组密钥并通过安全路径分发给其簇内节点。为了实现组密钥的安全分发,改进方案采用层次密钥生成算法用于簇头与簇内节点间的安全通信。理论分析和仿真实验结果表明,改进方案在具有相同的安全性的同时,解决了孤立节点问题,并且在组密钥更新时降低了网络的计算开销和通信开销。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 问题的提出
• 1.3 研究进展
• 1.4 论文选题的意义
• 1.5 本文所做的主要工作
• 1.6 论文的组织结构
• 第二章 无线传感器网络概述及其安全问题
• 2.1 前言
• 2.2 无线传感器网络概述
• 2.2.1 传感器网络的体系结构
• 2.2.2 传感器网络的特点
• 2.2.3 传感器节点的限制
• 2.2.4 传感器网络的应用
• 2.2.5 无线传感器网络和传统无线网络的区别
• 2.3 无线传感器网络的安全问题
• 2.3.1 无线传感器网络实现安全的局限性
• 2.3.2 无线传感器网络的安全需求
• 2.4 本章小结
• 第三章 无线传感器网络组密钥管理及相关研究工作
• 3.1 前言
• 3.2 组密钥管理
• 3.2.1 组密钥管理的定义
• 3.2.2 需要解决的问题
• 3.2.3 组密钥管理方案的分类
• 3.3 无线传感器网络组密钥管理面临的困难
• 3.4 现有组密钥管理方案的分析与比较
• 3.4.1 基于预置和本地协作的组密钥更新方案
• 3.4.2 基于本地协作的组密钥分发方案
• 3.4.3 已有方案的比较
• 3.5 本章小结
• 第四章 无线传感器网络中一种层组式组密钥管理方案
• 4.1 前言
• 4.2 与本章相关的知识
• 4.2.1 门限秘密共享机制
• 4.2.2 Feldman-VSS（可验证秘密共享）协议
• 4.3 基本组密钥管理方案
• 4.3.1 集中式组密钥管理
• 4.3.2 分布式组密钥管理
• 4.4 层组式组密钥管理方案
• 4.4.1 基本思想
• 4.4.2 具体方案
• 4.4.3 密钥生成与更新
• 4.4.3 组间的通信与认证
• 4.4.4 性能分析
• 4.4.5 算法开销
• 4.5 方案的比较
• 4.6 本章小结
• 第五章 无线传感器网络中一种改进的层组式组密钥管理方案
• 5.1 前言
• 5.2 与本章相关的知识
• 5.2.1 层次协议
• 5.2.2 层次密钥生成算法
• 5.2.3 LAB广播协议
• 5.2.4 门限秘密共享机制
• 5.3 改进的层组式组密钥管理方案
• 5.3.1 基本思想
• 5.3.2 假设条件
• 5.3.3 具体方案
• 5.3.4 节点的加入与退出
• 5.3.5 算法开销
• 5.3.6 孤立节点问题
• 5.3.7 安全性分析
• 5.4 方案的比较
• 5.5 仿真实验
• 5.5.1 仿真工具
• 5.5.2 仿真环境
• 5.5.3 实验结果与分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文研究工作结论
• 6.2 论文进一步的研究
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参加的项目及发表论文情况