应用网络编码实现无线传感器网络的路由认证

论文摘要

近年来，无线传感器网络在实际应用中有着较快的发展。现有的无线传感器网络安全研究大多集中在数据安全领域，而缺乏对路由安全及节点认证方向的关注与思考。本文将网络编码引入层次结构的WSNs路由协议之中，以经典的低功耗自适应层次协议LEACH为基础，重点研究了节点身份的有效认证及安全数据传输模型，在此基础上提出了HRA-NC方案。主要工作概括如下：1.分析现有的典型路由协议在安全上的缺陷，尤其是多数协议在身份认证及数据安全传输上的缺点，介绍基于对称加密算法的身份认证协议。2.在簇的建立阶段，通过引入对称加密算法，对簇内所有节点分别生成一个与簇头共享的会话密钥。此会话密钥的安全生成与分发确保节点在后续环节的身份合法性。仿真结果表明，在信道bit错误率介于103与9×103之间，恶意节点篡改bit位概率大于0.0201的前提下，节点身份都能够以90%以上概率正确识别。3.引入随机线性网络编码技术。由于簇头节点相对普通节点数据流量较大，更易受到攻击，所以对簇头发送数据进行加密以及随机线性编码后再传输。攻击者拦截单独的编码包不具备任何意义，无从了解数据信息，能够成功译码的概率较低。即使通过解码得到加密数据包也因为没有会话密钥而无法获得任何数据消息。4.提出了一种基于网络编码的簇头认证方案，提升了认证效率。。利用节点已发送的数据包以及数据的杂凑值，簇头节点一次广播可以对两个簇员节点的认证申请作出回应。簇头节点若篡改数据，则至少会被一方节点验证出恶意行为。多个节点组的认证会大大降低簇头欺骗成功的概率。仿真结果表明，在信道bit错误率介于3.5×10-3与9×10-3之间，恶意节点篡改bit位概率大于0.0201的前提下，簇头身份都能够以90%以上概率正确识别。5.对方案的能耗作出分析，通过对比本方案与无认证机制的方案，本方案在网络中90%以上节点存活的情况下能耗增幅小于5%。本文所提出的认证方案是应用网络编码的三层分簇结构路由安全认证方案，在不显著增加节点能耗的前提下，能有效地对簇内普通节点与簇头节点身份实现认证，同时保证数据的安全传输。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 数学符号表
• 缩略词表
• 第一章 绪论
• 1.1 无线传感器网络概述
• 1.1.1 无线传感器网络
• 1.1.2 WSN 体系结构
• 1.1.3 WSN 路由关键问题
• 1.2 无线传感器网络安全
• 1.2.1 无线传感器网络安全目标
• 1.2.2 针对无线传感器网络的攻击手段
• 1.2.3 安全威胁及应对措施
• 1.3 课题研究背景及意义
• 1.4 本文研究内容与章节安排
• 第二章 传感器网络路由认证
• 2.1 引言
• 2.2 认证的基本概念
• 2.2.1 消息认证
• 2.2.2 身份认证
• 2.2.3 路由认证
• 2.3 传感器网络路由协议分析
• 2.3.1 基于地理坐标的路由协议
• 2.3.2 基于层次的路由协议
• 2.3.3 定向扩散路由协议
• 2.3.4 谣传路由
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于网络编码的分层 WSNs 路由认证方案
• 3.1 引言
• 3.2 网络编码
• 3.2.1 网络编码原理
• 3.2.2 随机线性网络编码
• 3.2.3 网络编码与安全认证
• 3.3 网络模型
• 3.4 方案设计
• 3.4.1 簇头选举
• 3.4.2 簇的建立与密钥分配
• 3.4.3 数据传输
• 3.4.4 基于网络编码的节点认证
• 3.5 本章小结
• 第四章 HRA-NC 方案仿真模型
• 4.1 COOJA 仿真平台
• 4.2 网络模型
• 4.3 仿真模块
• 4.3.1 簇头选举
• 4.3.2 成簇与密钥分配
• 4.3.3 数据传输
• 4.3.4 簇员认证
• 4.3.5 簇头认证
• 4.3.6 能量消耗
• 4.4 数据包格式
• 4.4.1 成簇及簇员认证数据包
• 4.4.2 数据传输数据包
• 4.4.3 簇头认证数据包
• 4.5 仿真计划
• 4.6 本章小结
• 第五章 HRA-NC 方案仿真结果及分析
• 5.1 仿真结果与分析
• 5.1.1 能量消耗
• 5.1.2 簇员节点认证
• 5.1.3 簇头节点认证
• 5.2 安全性分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 结束语
• 6.1 本文总结及主要贡献
• 6.2 下一步工作的建议
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历
• 攻读硕士学位期间的研究成果