无线传感器网络密钥管理与聚类研究

论文摘要

无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Networks)是由大量小型、低功耗、能力较弱的传感器节点采用无线通信方式自发组成的多跳网络。由于其网络特点,无线传感器网络被广泛的用于军事应用、医疗和智能家居等各个领域。无线传感器部署的环境通常无法控制,而很多应用中安全问题是一个重要的课题。例如,在军事应用中,部署的无线传感器很有可能被敌方捕获,此时就需要无线传感器网络具有抗攻击能力,防止敏感信息泄露以及网络被破坏。在传统的安全机制中,加密和认证是重要的两个模块,密钥管理又是这两者的基础。近年来,国内外学者提出了很多针对WSN的密钥管理方法,其中密钥预分配模型较为适合于无线传感器网络的特点。但是,目前提出的方案之中很少有考虑到节点被捕获时的密钥撤销问题。由于无线传感器网络的最终任务是将收集到的数据传输给基站节点,为了提高效率节约能耗,基于层次的无线传感器网络模型是最近研究的热点。对于层次型无线传感器网络,目前还没有比较成熟的密钥管理方案。针对以上问题,本文提出了一种层次型无线传感器网络中的可撤销、自恢复的密钥管理方案。考虑到传感器网络的特点,将节省通信开销、计算开销和存储开销作为最主要的任务,使得设计的方案具有实用价值。同时,由于现有的聚类算法没有充分的考虑能量因素,在本文的密钥管理体系结构下提出一种改进的聚类算法。本文的主要工作包括:1)总结了目前的无线传感器网络密钥管理方案,并列举了他们的优缺点,找出一个合理的研究方向。2)提出一种层次型网络中的密钥管理方案,基于LEACH方案将网络的运行划分为多个会话周期。在每个会话周期,仅仅通过基站的一次广播为所有的簇头节点做认证,同时进行非法节点的密钥撤销。这样既保证了簇头节点的身份又可以确保非法的节点能够很快的从网络中剔除,避免了hello flood攻击。尽管加入了很多安全机制,由于所增加的方案都是基于基站的广播,本方案并没有增加网络的开销情况。实验表明,基于LEACH协议的方案对比中,采用本文提出的密钥管理方案并没有增加原协议的开销。3)由于本文提出的密钥管理方案是基于层次型无线传感器网络的,而LEACH协议本身没有考虑能量因素。针对本文的密钥管理方案,提出一种改进的聚类算法,使得在数据汇聚的过程中充分考虑节点的剩余能量,并且采用信息捎带的技术减少这个过程中的控制包传输的开销。通过选举更优的节点作为簇头节点来延长网络的寿命。实验证明,通过此方案可以有效的增加节点存活时间,节约网络节点能量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 图目录和表目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究动机
• 1.3 文章安排
• 第二章 无线传感器网络密钥管理研究现状
• 2.1 无线传感器网络
• 2.1.1 无线传感器网络特点
• 2.1.2 无线传感器网络的制约因素
• 2.2 面临的安全问题
• 2.2.1 无线传感器网络面临的攻击类型
• 2.2.2 针对各个攻击的解决方案
• 2.3 现有的密钥管理方案
• 2.3.1 无线传感器网络中密钥管理方案的指标
• 2.3.2 随机密钥预分配模式
• 2.3.3 确定性密钥预分配模式
• 2.3.4 基于数据结构的密钥预分配模式
• 2.4 现有方案的缺陷
• 2.5 本章小结
• 第三章 层次型网络下可撤销自恢复密钥管理方案
• 3.1 引言
• 3.2 相关工作和研究问题
• 3.2.1 无线传感器网络能量消耗模型
• 3.2.2 利用多项式的密钥撤销方案
• 3.2.3 利用反向哈希链的广播认证方案
• 3.3 一种可撤销自恢复密钥管理方案
• 3.3.1 模型假设
• 3.3.2 协议原理
• 3.3.3 网络模型框架
• 3.3.4 协议算法描述
• 3.4 性能分析
• 3.4.1 安全性分析
• 3.4.1.1 安全性
• 3.4.1.2 抵抗攻击能力
• 3.4.2 负载分析
• 3.4.3 模拟分析
• 3.5 小结
• 3.5.1 本章小结
• 3.5.2 当前问题
• 第四章 层次型无线传感器网络聚类算法研究
• 4.1 引言
• 4.2 相关工作
• 4.2.1 LEACH 协议
• 4.2.2 LEACH 协议的缺陷
• 4.3 一种聚类算法
• 4.3.1 路由协议
• 4.3.2 分簇算法
• 4.4 性能分析
• 4.4.1 设计分析
• 4.4.2 模拟分析
• 4.5 小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文与取得的其他研究成果