传感器网络中聚簇过程的安全研究

论文摘要

无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。由于无线传感器网络具有组网快捷、灵活且不受有线网络约束的优点,可用于紧急搜索、灾难救助、军事、医疗等环境中,因而具有广泛的应用前景。无线传感器网络作为现代通信技术中一个新的研究领域,引起了学术界和工业界的高度重视。本文主要研究无线传感器网络中聚簇过程的安全问题。无线传感器网络节点数量庞大、单个节点资源极其有限,因此,安全设计的首要目标是有效节约能源,延长网络生命周期,所以我们选择在LEACH协议的基础上设计安全的聚簇过程。作者分析和比较了针对无线传感器网络的路由协议和降低能耗的策略,借鉴了其中的优秀思想,提出了自己的改进思路,概括起来有以下点:(1)密钥管理包含三个部分:使用μTESLA协议进行广播认证;节点与基站使用共享对密钥进行通信;普通节点之间通过随机密钥预分布机制实现共享密钥。(2)以加强现有LEACH协议的安全性能为出发点,有针对性地提出了一个具体的安全解决方案。该方案防御的重点是HELLO flood攻击(文中分析了原因),通过验证链路的双向性、对节点进行身份认证和隐含计数器方式预防恶意节点重发消息等措施,加强了原有协议的安全性,对最坏的情况也能提供一定程度的安全保护。(3)在聚簇过程中使用邻居节点验证的方法。普通节点利用局部的安全信息计算产生可靠的中继节点,同时节点存储了经过邻居节点认证的安全信息,可以有效地抵抗wormholes攻击。(4)基站参与到簇头节点产生过程,在很大程度上抑制了恶意节点频繁当选簇头的破坏行为。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 无线传感器网络概念
• 1.2 无线传感器网络的特点
• 1.2.1 无线传感器网络的体系结构
• 1.2.2 与传统无线网络的比较
• 1.2.3 与Ad hoc网络的比较
• 1.3 无线传感器网络的应用
• 1.3.1 军事应用
• 1.3.2 环境应用
• 1.3.3 反恐和公共安全
• 1.4 无线传感器网络的挑战问题
• 1.4.1 系统功耗问题
• 1.4.2 路由和网络拓扑控制
• 1.4.3 网络安全问题
• 1.4.4 数据融合
• 1.5 本文的主要研究工作
• 1.5.1 主要研究内容
• 1.5.2 论文组织结构
• 1.6 本章小结
• 第2章 数据融合及路由安全
• 2.1 数据融合
• 2.1.1 数据融合技术
• 2.1.2 网络层中的数据融合机制
• 2.2 LEACH协议
• 2.3 无线传感器网络的密钥管理
• 2.4 密钥预分配的相关协议
• 2.5 威胁模型和安全目标
• 2.5.1 威胁模型
• 2.5.2 安全目标
• 2.6 对网络路由层的攻击形式
• 2.7 安全协议与检测模型
• 2.7.1 传感器网络安全协议
• 2.7.2 入侵检测系统模型
• 2.8 本章小结
• 第3章 基于LEACH协议的聚簇安全
• 3.1 LEACH协议的安全问题及基本对策
• 3.1.1 LEACH协议面临的安全挑战
• 3.1.2 HELLO FLOOD攻击分析和基本对策
• 3.2 密钥的分配与管理
• 3.2.1 节点与基站间的安全密钥
• 3.2.2 节点间的安全密钥
• 3.2.3 基站的广播安全
• 3.3 安全聚簇过程
• 3.3.1 簇头节点的形成过程
• 3.3.2 节点间密钥发现过程
• 3.3.3 节点加入簇的过程
• 3.3.4 安全分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 实验结果分析
• 4.1 NetLogo简介
• 4.2 安全聚簇过程实验
• 4.2.1 仿真算法
• 4.2.2 实验参数
• 4.2.3 密钥安全性分析
• 4.2.4 Wormholes 攻击分析
• 4.2.5 HELLO flood 攻击实验
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢