WSN组密钥管理方案的研究

论文摘要

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是信息技术中一个新的重要研究方向，在军事、安防、交通、环保、医疗、救灾等许多方面具有广泛的应用前景。密钥管理是WSN安全研究中最重要、最基本的内容之一，是信息加密和通信实体认证的基础，而组密钥管理是密钥管理的重要分支。在节点数量庞大、能量有限的WSN中，必然要求节点间的低能耗通信，所以高效安全的群组通信必不可少。研究低开销、高安全性的WSN组密钥管理方案具有重要意义。本文的主要工作如下：1、首先介绍了安全通信的基本要求、组密钥管理的设计原则及分类；简要介绍了WSN的体系结构、应用及其特性；重点介绍了WSN组密钥管理的发展及研究现状。2、对传统网络中组密钥管理方案，分集中式、分布式和分层分组式三种类型进行介绍，并列举了两种在WSN环境下的组密钥管理方案。分析比较了它们的优势和不足。3、在传统集中式平面型组密钥管理方案中，组管理者几乎承担所有密钥的计算、更新、传输等任务，针对这一弊端本文提出一种新的集中式平面型组密钥管理方案（HMKM）。该方案中各组成员与组管理者平等地生成组密钥，这种管理模式体现了集中式、分布式与验证性的统一。HMKM方案在保证高安全性的同时，节点的开销也具备一定的优势。4、针对单一地采用集中式或分布式密钥管理方式将出现的性能缺陷，如单点失效、管理不便、资源开销大、扩展性或健壮性不强等，提出一种新的适用于WSN的分层分组式组密钥管理方案，将网络体系结构划分为两层，每层独立地采用不同密钥协商算法产生和更新各自的组密钥。方案的分层分组式逻辑结构可以分散密钥的计算量和存储开销，既避免了集中式组管理中组控制者的性能瓶颈问题，又克服了分布式组管理缺乏集中控制的缺陷。理论分析与仿真对比表明，方案在资源开销、扩展性和安全性等方面具备很好的优势，并适用于大规模无线传感器网络。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 组密钥管理概述
• 1.1.1 安全通信的基本要求
• 1.1.2 组密钥管理方案的设计
• 1.1.3 组密钥管理方案的分类
• 1.2 无线传感器网络概述
• 1.2.1 无线传感器节点的结构
• 1.2.2 无线传感器网络的体系结构
• 1.2.3 无线传感器网络的应用
• 1.2.4 无线传感器网络的特性
• 1.3 无线传感器网络组密钥管理的研究现状
• 1.4 论文的主要工作及内容安排
• 第2章 几种典型的组密钥管理方案
• 2.1 集中式的组密钥管理方案
• 2.2 分布式的组密钥管理方案
• 2.3 分层分组式组密钥管理方案
• 2.4 WSN 组密钥管理方案
• 2.4.1 B-PCGR 方案
• 2.4.2 LKH 方案
• 2.5 本章小结
• 第3章 WSN 中一种集中式组密钥管理方案
• 3.1 预备知识
• 3.1.1 Hash 函数
• 3.1.2 二元单向函数
• 3.2 HMKM 方案
• 3.2.1 初始化阶段
• 3.2.2 组密钥建立
• 3.2.3 组密钥更新
• 3.3 分析与讨论
• 3.3.1 安全性
• 3.3.2 效率分析
• 3.3.3 方案优势
• 3.4 本章小结
• 第4章 一种基于分簇的 WSN 组密钥管理方案
• 4.1 预备知识
• 4.1.1 中国剩余定理
• 4.1.2 哈希树
• 4.2 方案描述
• 4.2.1 体系结构
• 4.2.2 系统部署与初始化
• 4.2.3 组密钥的建立
• 4.2.4 组密钥更新
• 4.3 分析与讨论
• 4.3.1 性能分析
• 4.3.2 安全性
• 4.4 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录