无线传感器网络中的安全路由协议研究

论文摘要

无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）,综合了传感器技术,嵌入式计算技术,无线通信技术和分布式信息处理技术等,以其广阔的应用前景引起了国内外众多研究人员的重视。然而由于其部署环境要求和自身条件的限制,大部分应用于传统无线网络的机制很难直接应用到无线传感器网络中,所以为无线传感器网络设计实现一套专门的协议和机制势在必行。安全问题就是其中一个重要的方面。本文在研究了无线传感器网络的路由安全问题的基础上提出一种新的安全路由协议——WSN中带有分布式入侵检测的分簇路由协议（Distributed Intrusion Detection, DID）。新协议将节点的剩余能量,近几轮的当选情况和随机性都考虑进去,采取自选举的办法产生簇头,以达到在尽可能延长网络生存时间,均匀能耗的同时,提供一定的安全性保证。DID协议采用预置密钥技术,在节点选择要加入的簇之前,组织节点分布式地检验簇头真伪,然后有选择地加入簇,以达到对网络中的入侵者和叛变者的容忍。本文首先简要介绍了无线传感器网络的基本知识,然后分析了WSN的路由相关问题,包括安全需求,攻击模型,对典型路由协议的安全性分析,WSN中的密钥管理,以及一些现有安全路由协议的实现机制等。随后,提出一种带有分布式入侵检测的分簇路由协议的基本思想。在对协议进行详细设计的基础上,分析其可行性和安全性能,并在NS-2上对协议进行模拟。通过对实验数据的分析,得出参数对网络连通性,安全性和能量消耗的影响。实验结果表明,通过较少的额外能耗,网络的安全性有很大的提高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 无线传感器网络概述
• 1.1.1 WSN结构及协议栈
• 1.1.2 WSN特点
• 1.1.3 WSN应用
• 1.2 研究现状和热点
• 1.3 研究目的和意义
• 1.4 论文的组织结构
• 第2章 无线传感器网络的路由安全问题
• 2.1 无线传感器网络的路由安全需求
• 2.2 无线传感器网络路由层的攻击模型
• 2.3 无线传感器网络路由协议及其安全性分析
• 2.3.1 平面路由协议
• 2.3.2 分簇路由协议
• 2.3.3 总结
• 2.4 无线传感器网络中的密钥管理
• 2.4.1 密码学相关知识
• 2.4.2 无线传感器网络中密钥管理目标
• 2.4.3 无线传感器网络中的密钥预分配方案
• 2.5 无线传感器网络安全路由协议研究现状
• 2.5.1 典型安全路由协议分析
• 2.5.2 基于分簇的安全路由协议分析
• 第3章 带有分布式入侵检测的分簇路由协议的设计思想
• 3.1 设计目标及主要思想
• 3.2 随机密钥预分配算法
• 3.2.1 密钥预分配阶段
• 3.2.2 共享密钥通信阶段
• 3.2.3 密钥撤销与更新协议
• 3.3 簇头选举算法
• 3.4 簇的建立
• 3.5 簇内通信
• 3.6 安全性分析
• 3.6.1 攻击假设
• 3.6.2 参数对安全性影响
• 第4章 带有分布式入侵检测的分簇路由协议的设计及性能分析
• 4.1 DID的物理基础
• 4.1.1 无线能量模型
• 4.1.2 无线信道传输模型
• 4.1.3 假定条件
• 4.2 DID算法设计
• 4.2.1 DID协议总体设计
• 4.2.2 DID协议中的数据结构
• 4.2.3 DID协议中的包格式
• 4.3 DID的性能分析
• 4.3.1 连通性
• 4.3.2 安全性
• 4.3.3 能量消耗
• 第5章 协议的模拟实现与性能测试
• 5.1 模拟环境
• 5.1.1 NS-2
• 5.1.2 NS-2对无线传感器网络的扩展
• 5.2 模拟实现
• 5.2.1 实验目的
• 5.2.2 模拟场景
• 5.2.3 模拟参数
• 5.2.4 模拟实验的实现
• 5.2.5 模拟实验的运行
• 5.2.6 模拟数据的搜集
• 5.3 性能评价
• 5.3.1 连通性
• 5.3.2 能量消耗
• 5.3.3 安全性
• 第6章 结论
• 6.1 工作总结
• 6.2 需要解决的问题
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文和参加的项目