无线传感器网络安全密钥管理方案的研究

论文摘要

由于传感器节点资源受限以及无线通信的本质特性,使得无线传感器网络（WSN）极易受到攻击,尤其是当WSN处于无人监管的不利环境中（如战区）。在这样的环境里,敌人可以对节点实施物理捕获和破坏,窃取节点中的重要数据,包括用来加密和认证的密钥信息。因此,提供安全服务以确保WSN的生存显得十分重要。本文以传感器网络密钥管理为主题,进行了相关研究和分析。首先提出改进的三密钥管理框架,针对原方案结构复杂、网络连通性较差等不足,加以改进和优化:舍弃多级分簇的网络拓扑结构,而简单地采用LEACH协议的单层分簇模型,这样可以简化网络模型,节省多级簇头节点通信带来的额外开销,不过同时也加剧了簇头的通信频度。其次调整安全路由算法,以适应新的网络结构,并使之更易于操作和实现。提出一种新型的基于多项式和分组的密钥管理机制,在WSN网络的安全性、可扩展性、连通性、节点开销等性能指标之间取得良好的平衡。该方案使用多项式计算共享密钥以提高节点的抗攻击性,确保网络安全性;引入分组思想,提高网络连通性,弥补多项式机制的不足;同时设计独特的分组模式将节点标识符划分为组标识符和组内成员标识符,通过扩展组内成员标识符以提高网络可扩展性,从而支持传感器节点的动态加入。选择网络仿真模拟器OMNeT++,使用编程语言C++对上面提出的两种方案进行实验研究。三密钥改进方案的仿真结果显示,在节点开销差不多的情况下,该方案具有较好的网络安全性能,并可支持更大的网络规模,但是方案不能支持网络节点的动态加入;对基于多项式和分组的密钥管理方案做理论分析和实验仿真,结果表明,该方案尽管增加了一部分节点开销,却获得了很好的网络安全性和可扩展性,具有更好的实用性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 研究目的与意义
• 1.3 研究内容
• 1.4 论文结构
• 第2章 无线传感器网络及安全概述
• 2.1 引言
• 2.2 体系结构
• 2.3 协议栈结构
• 2.4 关键技术
• 2.5 安全技术
• 2.5.1 安全挑战
• 2.5.2 安全目标
• 2.5.3 安全威胁
• 2.6 小结
• 第3章 无线传感器网络密钥管理
• 3.1 引言
• 3.2 密钥管理的安全需求
• 3.3 密钥管理方案的分类
• 3.4 密钥管理的性能指标
• 3.5 密钥管理方案典型案例分析
• 3.5.1 基于KDC 的密钥分配机制
• 3.5.2 基本随机密钥预分布方案
• 3.5.3 q-composite 随机密钥预分布方案
• 3.5.4 基于多项式的密钥预分布方案
• 3.5.5 基于密钥矩阵的密钥预分布方案
• 3.5.6 组密钥分配管理方案
• 3.6 小结
• 第4章 三密钥管理方案的研究
• 4.1 引言
• 4.2 分簇结构
• 4.3 三密钥管理方案
• 4.3.1 簇的形成
• 4.3.2 密钥计算
• 4.3.3 安全路由
• 4.4 仿真实验
• 4.4.1 仿真平台介绍
• 4.4.2 实验结果与性能分析
• 4.5 小结
• 第5章 基于多项式和分组的密钥管理方案
• 5.1 引言
• 5.2 基于多项式的密钥管理
• 5.3 传感器节点的分组设计
• 5.4 密钥管理方案实现过程
• 5.4.1 初始化阶段
• 5.4.2 共享密钥发现阶段
• 5.4.3 安全链路建立阶段
• 5.5 实验结果与性能分析
• 5.6 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录