无线传感器网络若干安全技术研究

论文摘要

无线传感器网络能够完成复杂环境中的目标监测和追踪任务，正在引导着一场信息感知和采集的革命，因此在多个领域极具应用前景。无线传感器网络多部署于非受控环境，不可靠无线信道的广播特性、大规模多跳自组织的组网特征、数据为中心的特殊网络通信模式、节点间无条件协同信任的工作特性以及资源强约束等特点都使其极易受到各种安全威胁，并给安全技术实现提出了独特挑战。因此，如何兼顾网络的可用性和安全性已经成为制约无线传感器网络进一步广泛应用的关键问题。针对这一问题，考虑到无线传感器网络的应用深度嵌入特性，本文研究的侧重点是开展以适度安全为目标的无线传感器网络安全技术研究。本文的主要研究成果有：1由于无线传感器网络应用的多样性和复杂性，目前大多数安全研究成果尚不能帮助应用设计者选择或设计适应其应用需求的安全机制。为此，提出了一种应用驱动的无线传感器网络安全设计方法。强调适应具体应用场景的系统安全需求和依据攻击者行为分析的细化安全目标相结合，确定安全防护级别和精炼攻击集，合理选用和设计安全机制和协议对于高效无线传感器网络安全技术实现非常重要。2针对传感器节点资源特别是能量的强约束性，研究适度的无线传感器网络安全方案具有较强的实用性。提出了一种基于可信节点的无线传感器网络适度安全方案。方案包括可信传感器节点设计，指出基于安全协处理器设计的传感器节点具有一定的抗篡改能力；在此基础上提出一个简洁有效的单跳簇无线传感器网络密钥预分配策略，并设计了一个轻量级邻居信任建立机制，能够较好适应无线传感器网络的资源约束特性。3提出了一种基于邻居协同测定假冒攻击源算法。算法中，节点根据主动报警规则和从动报警规则发现假冒行为，基于测定集义务传递规则的邻居协同实现对假冒攻击源的测定。该算法无需全网拓扑信息及路由协议支撑，测定过程不借助密码算法。通过分析得出，当局部网络密度较高时，算法具有漏报率低，成功测定率高的特点。仿真分析表明，对比朴素算法，我们的算法使漏报率平均降低了25.8%，成功测定率平均提高了45.5%，平均发包数仅增加了1.19个。4引入节点汇聚度和局部汇聚度概念作为节点路由参与能力测度，提出了一种新的基于首选父节点的局部汇聚度水平检测Sinkhole攻击点的策略。该策略无需运行密码算法，无需额外通信开销，对不同网络部署密度、信道质量及攻击强度都适用，是一种不依赖路由协议的Sinkhole攻击通用检测策略。5提出了一种新的简单轻量级防御选择性转发攻击的策略。该策略基于(T, N)门限秘密共享思想，每个节点只需向基站传送事件感知数据的一个份额，而需要传递的该份额仅需进行简单的多项式计算就可得到。在传递过程中，简洁的动态个性路径路由协议尽可能使得相关数据份额分散传递，能较好的抵御选择性转发攻击中的丢包破坏行为，提供可靠传输的安全保证。

论文目录

• 表目录
• 图目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 无线传感器网络概述
• 1.2 无线传感器网络研究热点
• 1.3 无线传感器网络安全技术挑战
• 1.4 本文主要工作
• 1.5 本文的组织结构
• 第二章 无线传感器网络安全技术综述与设计
• 2.1 无线传感器网络的安全需求
• 2.1.1 网络通信安全需求
• 2.1.2 网络服务安全需求
• 2.1.3 无线传感器网络安全性能评价指标
• 2.2 无线传感器网络的安全威胁
• 2.2.1 从传感器节点看安全威胁
• 2.2.2 从网络通信看安全威胁
• 2.2.3 从系统角度看安全威胁
• 2.3 无线传感器网络安全技术研究现状
• 2.3.1 能量高效加密技术
• 2.3.2 安全框架
• 2.3.3 密钥管理
• 2.3.4 安全服务
• 2.3.5 入侵检测
• 2.3.6 隐私保护
• 2.4 应用驱动的无线传感器网络安全设计方法
• 2.4.1 攻击者行为分析
• 2.4.2 环境监测应用的安全设计实例
• 2.4.3 商业应用的安全设计实例
• 2.4.4 军事应用的安全设计实例
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于可信节点的无线传感器网络适度安全方案
• 3.1 引言
• 3.2 可信传感器节点设计
• 3.3 单跳簇无线传感器网络密钥预分配策略
• 3.3.1 单跳簇结构
• 3.3.2 预置秘密信息
• 3.3.3 单跳簇密钥预分配算法
• 3.3.4 性能及安全性分析
• 3.4 轻量级邻居信任建立机制
• 3.4.1 相关研究
• 3.4.2 基于认识性的邻居信任建立机制
• 3.4.3 安全性能分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 无线传感器网络中假冒攻击源的测定方法研究
• 4.1 引言
• 4.2 相关研究
• 4.3 基于邻居协同的假冒攻击源测定
• 4.3.1 假设及术语
• 4.3.2 朴素的假冒攻击源测定
• 4.3.3 CNAMDI 算法
• 4.4 CNAMDI 算法安全性分析
• 4.5 实验和结果分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 基于局部汇聚度的无线传感器网络SINKHOLE 攻击检测
• 5.1 相关研究
• 5.1.1 MANET 网络中的Sinkhole 攻击研究
• 5.1.2 无线传感器网络中的Sinkhole 攻击研究
• 5.1.3 Sinkhole 攻击对策分类
• 5.2 基于局部汇聚度的SINKHOLE 攻击点检测
• 5.2.1 假设及术语
• 5.2.2 节点汇聚度及其计算
• 5.2.3 基于节点局部汇聚度检测SH 节点
• 5.3 实验及结果分析
• 5.4 进一步讨论
• 5.5 本章小结
• 第六章 无线传感器网络中选择性转发攻击防御技术
• 6.1 相关研究
• 6.2 基于个性路径的选择性转发攻击防御策略
• 6.2.1 应用场景与攻击模型假设
• 6.2.2 SPREAD 方案介绍
• 6.2.3 事件感知数据的门限秘密共享
• 6.2.4 个性路径路由协议
• 6.3 性能分析及仿真实验
• 6.3.1 计算负载分析
• 6.3.2 通信负载分析
• 6.3.3 安全性分析
• 6.3.4 实验及结果分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 作者简历 攻读博士学位期间完成的主要工作
• 致谢