无线传感器网络安全体系研究

论文摘要

无线传感器网络是由部署在监测区域中的大量微型、廉价传感器节点组成,通过无线通信的方式形成一个多跳的自组织的网络系统,其目的是协作地感知、监测覆盖区域中的目标,并发布给观察者。无线传感器网络的应用前景非常广阔,能够广泛地应用于环境监测、智能家居、精准农业、健康护理、建筑物状态监测、地震监测、军事等各个领域。在一些领域,如军事、家庭安全监控等的应用中,传感器网络的安全是非常重要的;由于传感器节点各种资源极端受限,使得传统的网络安全技术不再适用于传感器网络中。本文对无线传感器网络安全问题进行了较为深入的探讨,主要研究内容和创新点如下:1.从安全体系的高度对无线传感器网络安全进行研究,在已有的研究基础上提出了无线传感器网络的安全体系模型,并指出模型中各模块的意义和内在联系,使无线传感器网络的安全体系成为一个完整的系统,为后续研究打下理论基础。2.利用部署信息提出了一种基于对称密钥算法的密钥管理方案KPSBM,在KPSBM中,将节点分为若干组,分别部署到相应的目标子区域中,各分组间利用Blom密钥管理模型进行通信,分组内部利用共享群密钥建立配对密钥,理论分析和仿真结果表明,和现有的一些方案相比,该方案存储和通信开销小,能耗较低,适用于对传感器网络能耗有较严格要求的应用中。3.基于身份的公钥密码学算法,利用部署信息,提出了一种无线传感器网络密钥管理方案KMSBDK,并对其进行理论和仿真分析,和现有的一些方案相比,KMSBDK可以抵挡克隆攻击和Sybil攻击,连通性和可扩展性更好,适用于对传感器网络安全有较高要求的应用中。4.研究了无线传感器网络MAC（Medium Access Control）层安全问题,分析了现有无线传感器网络MAC层协议安全体系的不足之处,针对无线传感器网络遭到非法入侵的情况,提出了一个基于D-S证据理论的MAC层入侵检测机制。该机制利用碰撞率、数据包平均等待时间、RTS包到达率以及邻居节点的报警作为证据,对网络的状态进行实时的分析检测,根据网络的状态做出响应。该算法能够应用于现有的MAC协议如S-MAC、IEEE802.15.4中。仿真结果表明,该算法能够较好地检测针对MAC层的攻击,可在其它安全模块的配合下保证网络的安全运行。5.研究了无线传感器网络路由安全问题,在考虑无线传感器网络自身特点的基础上,采用超图理论进行建模,提出了一种层次型安全路由算法（SRAHT）。使用密码学的相关技术保证了数据的完整性、新鲜性、保密性以及认证性。采用多径路由技术提高了网络的容忍入侵能力,同时引入信用机制,对传感器网络中的恶意节点进行检测,有效地提高了网络的安全性能。理论分析和仿真结果表明,该算法具有较好的安全性与抗攻击性,适用于规模较大的传感器网络中。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 无线传感器网络简介
• 1.1.1 无线传感器网络体系结构
• 1.1.2 无线传感器网络节点结构
• 1.1.3 无线传感器网络的特点
• 1.1.4 无线传感器网络的应用
• 1.1.5 无线传感器网络研究进展
• 1.2 无线传感器网络安全简介
• 1.3 无线传感器网络安全研究进展
• 1.3.1 密钥管理
• 1.3.2 密码技术
• 1.3.3 安全路由技术
• 1.3.4 入侵检测
• 1.3.5 身份认证技术
• 1.4 论文研究重点和创新点
• 第二章 无线传感器网络安全体系
• 2.1 无线传感器网络安全体系研究现状
• 2.2 无线传感器网络安全体系的特点
• 2.3 建立无线传感器网络安全体系的必要性
• 2.4 安全无线传感器网络的协议栈
• 2.5 无线传感器网络安全体系
• 2.5.1 物理层防御模块功能
• 2.5.2 数据链路层安全模块
• 2.5.3 安全路由模块功能
• 2.5.4 可靠传输模块
• 2.5.5 安全应用模块
• 2.5.6 跨层安全管理平台及各模块间的联系
• 2.6 本章小结
• 第三章 无线传感器网络密钥管理方案
• 3.1 引言
• 3.2 密钥管理方案研究现状
• 3.2.1 基于对称密钥密码体制的密钥管理方案研究现状
• 3.2.2 基于公钥密码体制的密钥管理方案研究现状
• 3.3 基于部署信息的无线传感器网络配对密钥建立方案
• 3.3.1 无线传感器网络分区域部署模型简介
• 3.3.2 Blom密钥预分配模型
• 3.3.3 基于部署信息的无线传感器网络密钥管理方案KPSBM
• 3.3.4 方案性能分析
• 3.3.5 结论
• 3.4 基于IBC 的无线传感器网络密钥管理方案
• 3.4.1 基于身份的密码体制
• 3.4.2 基于部署信息的无线传感器网络密钥管理方案KMSBDK
• 3.4.3 方案性能分析
• 3.4.4 结论
• 3.5 本章小结
• 第四章 无线传感器网络数据链路层安全
• 4.1 无线传感器网络数据链路层安全概述
• 4.1.1 无线传感器网络数据链路层的功能
• 4.1.2 无线传感器网络数据链路层安全研究现状
• 4.2 安全MAC 入侵检测方案DS-MAC
• 4.2.1 入侵检测与防御
• 4.2.2 D-S 证据理论
• 4.2.3 基于D-S 证据理论的入侵检测模型
• 4.2.4 信度分配函数的选择
• 4.2.5 防御模块
• 4.2.6 算法分析与仿真验证
• 4.2.7 结论
• 4.3 本章小结
• 第五章 无线传感器网络安全路由
• 5.1 引言
• 5.2 无线传感器网络路由协议安全性分析
• 5.3 无线传感器网络安全路由研究进展
• 5.4 无线传感器网络安全路由算法SRAHT
• 5.4.1 超图理论
• 5.4.2 传感器网络的超图模型
• 5.4.3 算法描述
• 5.4.4 安全性分析
• 5.4.5 算法分析与仿真
• 5.4.6 结论
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 相关讨论及研究展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢