基于ECC的WSN密钥管理方案研究

论文摘要

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)是微电子和微系统(MEMS)、无线通信和信号处理技术高速发展的产物[1],由数量众多而且体积微小的传感器节点组成,是物联网的神经末梢,在军工、环境保护和安全等领域都发挥着举足轻重的作用。WSN通过无线的方式通信,并且经常被暴置于没有人监守的环境中[2],物理安全和信息安全随时都面临着威胁。因此,WSN的安全性是其得到进一步应用的关键因素。基于对称加密方法的WSN密钥管理协议存在如下不足之处:安全度不高、无法实现节点间认证。针对这种情况,本文利用椭圆曲线加密体制和WSN的“分簇”结构提出了一种WSN密钥管理方案CECCKM。在分簇时,本文对DECA算法进行了改进,使得簇头节点的负载得到一定的平衡。为了节省WSN的能量,本文对ECC中的点乘运算也做了改进,缩短了运算时间。最后利用TinyOS系统中的TinyECC程序包对提出的方案做了仿真分析。经过与传统经典方案及相近方案相比,本文提出的方案具有良好的向前安全性、向后安全性及较好的防篡改能力,并支持动态的WSN结构。本文的工作主要包括两部分:优化ECC算法中的关键子运算,提高其加密速度;基于分簇思想,使用ECC加密体制,提出一套在WSN中可行的密钥管理方案。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 研究现状
• 1.1.2 研究背景及意义
• 1.2 本文创新点及结构安排
• 2 WSN 安全技术研究
• 2.1 WSN 的安全隐患
• 2.2 WSN 安全指标
• 2.3 常用WSN 安全技术
• 3 现有WSN 密钥管理方案研究
• 3.1 基于空间地理信息的密钥管理方案
• 3.1.1 节点分布模型
• 3.1.2 方案分析
• 3.2 基于分簇的密钥管理方案研究
• 3.2.1 节点间的通信过程
• 3.2.2 方案分析
• 3.3 非对称WSN 密钥管理方案分析
• 3.4 WSN 密钥管理方案的评价标准
• 4 WSN 仿真实验平台及其开发库研究
• 4.1 NS-2 研究
• 4.2 OMNet++研究
• 4.3 TinyOS 研究
• 4.3.1 TinyOS 原理研究
• 4.3.2 TinyECC 研究
• 5 ECC 知识研究
• 5.1 离散对数问题
• 5.2 椭圆曲线的选取
• 5.2.1 目前对ECC 的攻击方法
• 5.2.2 选取安全椭圆曲线的原则
• 5.3 ECC 可用于WSN 的优势
• 6 ECC 关键运算的优化
• 6.1 ECC 的基本运算
• 6.2 点乘运算优化
• 6.3 优化效果分析
• 7 CECCKM 密钥管理方案设计与实现
• 7.1 CECCKM 的设计意图
• 7.2 分布式高效分簇算法的改进
• 7.2.1 DECA 基本思想
• 7.2.2 DECA 算法的改进
• 7.3 CECCKM 详细设计及实现
• 7.3.1 节点初始化阶段
• 7.3.2 簇的形成阶段
• 7.3.3 簇组密钥生成阶段
• 7.3.4 节点的更新阶段
• 8 CECCKM 方案分析
• 8.1 连通性分析
• 8.2 安全性分析
• 8.3 能耗分析
• 结论
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集