WSN密钥预分配管理的优化设计

论文摘要

研究背景：无线传感器网络广泛应用于人们生活的各个领域，它通常分布在非常恶劣的环境中，同时也由于其特殊的商业和应用属性，使得其经常遭受外来攻击，所以WSN的安全通信受到普遍重视。为了确保WSN的安全性，必须保证传感器节点之间的信息发送和数据融合是绝对安全的，且无线传感器网络与传统网络具有相同的安全需求，主要包括以下几个方面：可用性、机密性、完整性、认证、不可抵赖性等，其中以提供安全、可靠的保密通信为目标的密钥管理，是所有安全研究的基础，高效的密钥管理机制将能够有效地保障其他安全技术，如安全路由、安全定位、安全数据融合及针对特定攻击的解决方案等。立题依据：密钥管理方案的本质是让信息在传输过程中进行数据加解密、节点认证等技术来确保网络中节点之间的安全通信服务。从此可知，加密和认证算法以及密钥管理是实现安全问题的基础。但是受传感器节点自身条件的制约，传统网络中所采用的密钥管理方案并不适用于WSN。论文贡献：密钥管理方案是WSN中安全问题研究的一个热点。WSN的密钥管理一般采用对称的随机预分配密钥管理方案，虽然很多密钥管理方案已经被提出，但是总存在一些缺陷，未能完全解决安全性和连通性等问题。如WSN中会有孤立节点，预分配密钥材料浪费，节点被捕获后导致的预分配密钥材料泄漏即抗捕获性差等。此外，很多方案中，密钥建立后，维护过程中的更新方案都被忽略或无法解决。为了解决这些问题，本文对传感器节点部署前密钥材料预分配、节点部署后密钥对的建立以及密钥更新这三个阶段入手进行研究，针对集中式和分布式两种不同的WSN分别进行研究，提出两种安全可行的密钥管理方案。研究内容：(1)介绍WSN的结构体系和特点。重点描述了目前比较经典的WSN密钥管理方案，并对各方案的优缺点进行总结。(2)针对集中式WSN，提出一个基于网格的简单实用的密钥管理方案。此方案不仅保证任意相邻的节点都可以安全的直接建立密钥对，而且保证被攻击区域内密钥空间的攻破不会影响其他区域内节点的安全。此外被攻击区域内被捕获的节点也可以容易的集体撤销，网络便于及时更新。实验结果也证明了本方案良好的连通性和抗捕获性。(3)针对层次性结构的WSN，提出一个基于簇的密钥管理方案。本方案采用分布式管理策略，通过更新多项式的方式把被捕获节点隔离。实验和分析证明此机制具有良好的抗捕获性和可扩展性。同时密钥对的实时更新保证网络持续的高连通性。此外，基于簇的无线传感网的分布式管理策略使得基站并没有因为撤销机制而大大增加通信开销。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 研究目的和意义
• 1.4 主要研究内容及篇章结构
• 第2章 无线传感网络的密钥管理技术
• 2.1 无线传感网络体系结构
• 2.1.1 无线传感网络结构
• 2.1.2 无线传感器节点硬件组成
• 2.1.3 无线传感网络协议栈
• 2.2 无线传感网络的安全问题
• 2.2.1 安全目标
• 2.2.2 攻击方法及防御手段
• 2.3 WSN 密钥管理方案的安全框架
• 2.3.1 SPINS 安全协议
• 2.3.2 网络连通和安全连通的关系
• 2.4 WSN 密钥管理的分类和性能指标
• 2.4.1 WSN 密钥管理的分类
• 2.4.2 WSN 密钥管理的性能指标
• 2.5 典型的 WSN 密钥预分配管理方案
• 2.5.1 预置全局密钥方案
• 2.5.2 预置所有对密钥方案
• 2.5.3 E-G 方案（EGKS）
• 2.5.4 q-Composite 方案（RPKS）
• 2.5.5 blom 方案
• 2.5.6 DDHV 方案
• 2.6 本章小结
• 第3章 系统的总体方案及关键技术
• 3.1 总体设计方案
• 3.2 优化设计的关键技术
• 第4章 集中式密钥预分配的优化设计
• 4.1 研究背景
• 4.2 优化方案的总体设计
• 4.2.1 基于 blom 方案
• 4.2.2 网络部署模型
• 4.2.3 预分配密钥信息
• 4.2.4 密钥路径建立阶段
• 4.3 方案的性能分析
• 4.3.1 安全连通性
• 4.3.2 抗捕获性
• 4.3.3 更新或撤销密钥
• 4.4 本章小结
• 第5章 分布式密钥预分配的优化设计
• 5.1 研究背景
• 5.2 优化方案的总体设计
• 5.2.1 基于对称多项式的密钥预分配方案
• 5.2.2 部署网络模型
• 5.2.3 密钥预分配阶段
• 5.2.4 密钥初始化阶段
• 5.2.5 节点的撤销与密钥的更新
• 5.3 方案的性能分析
• 5.3.1 安全性分析
• 5.3.2 存储开销
• 5.4 本章小结
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间取得学术成果