无线传感器网络中拓扑控制和密钥管理技术的研究

论文摘要

无线传感器网络是新一代的传感器网络,具有非常广泛的应用前景。无线传感器网络所涉及的关键技术已成为国内外研究者关注的焦点。针对无线传感器网络中的拓扑控制以及安全问题,论文研究了拓扑控制和认证机制等关键技术。论文主要做了如下工作:研究了无线传感器网络中典型的拓扑控制机制,如与路由协议结合的算法、基于节点度的算法、基于方向的算法以及层次型网络的睡眠调度算法和非层次型网络的睡眠调度算法等,比较了现有算法的特点;提出了以能量与节点度为权值的WoED分簇算法;并在分簇的基础上给出了拓扑控制及维护的算法;在预定的网络模型下,分析了算法的能量消耗;研究了PKI、门限以及椭圆曲线等与传感器网络安全相关的知识和认证协议,研究了预共享密钥模型、随机密钥预分布模型以及其他的安全引导模型;对CGSR协议进行了改进,设计了路由算法CGSR-M,可用于密钥管理中簇头间的通信;研究了基于椭圆曲线的签名方案,设计了密钥分发、更新以及证书服务的操作流程;设计并初步实现了基于分簇的密钥管理系统KMBC,对原型系统的性能进行了测试。论文提出的WoED分簇算法,能够根据特定的应用环境,通过改变权值表达式,调整簇头选择偏好,从而影响整个网络的拓扑结构。WoED算法带来的这种灵活性使得该算法可满足不同的应用需求。仿真实验结果表明,与最大节点度算法和最小ID算法相比,WoED算法具有更好的鲁棒性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.1.1 无线传感器网络
• 1.1.2 无线传感器网络的关键技术
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 项目背景和论文研究工作
• 1.4 论文组织
• 第二章 无线传感器网络拓扑控制机制
• 2.1 基于功率控制的算法
• 2.1.1 与路由协议结合的算法
• 2.1.2 基于节点度的算法
• 2.1.3 基于方向的算法
• 2.2 基于睡眠调度的算法
• 2.2.1 非层次型网络的睡眠调度算法
• 2.2.2 层次型网络的睡眠调度算法
• 2.3 拓扑控制算法的分析
• 2.3.1 拓扑控制算法的比较
• 2.3.2 存在的问题
• 第三章 无线传感器网络的安全机制
• 3.1 安全理论基础知识
• 3.1.1 PKI
• 3.1.2 门限
• 3.1.3 椭圆曲线算法
• 3.1.4 基于ECC 可验证的密钥共享协议
• 3.2 局部加密和认证协议
• 3.2.1 单密钥
• 3.2.2 对密钥
• 3.2.3 簇密钥
• 3.2.4 组密钥
• 3.3 密钥管理方案
• 3.3.1 预共享密钥模型
• 3.3.2 随机密钥预分布模型
• 3.3.3 其他安全引导模型
• 第四章 基于WoED 的拓扑控制机制
• 4.1 模型的建立
• 4.1.1 网络模型
• 4.1.2 能量模型
• 4.2 基于WoED 的拓扑控制机制
• 4.2.1 问题的提出
• 4.2.2 WoED 算法的描述
• 4.2.3 拓扑的维护
• 4.2.4 能量消耗模型
• 4.3 算法的仿真实验
• 4.3.1 仿真工具介绍
• 4.3.2 实验数据分析
• 第五章 基于WoED 的分布式密钥管理和认证机制的设计与实现
• 5.1 框架设计
• 5.2 CGSR-M 路由算法的设计
• 5.2.1 一种典型的基于分簇的路由协议
• 5.2.2 基于CGSR 的改进算法CGSR-M
• 5.3 KMBC 密钥管理方案的设计
• 5.3.1 系统主要参数说明
• 5.3.2 系统初始化
• 5.3.3 密钥分配阶段
• 5.3.4 证书服务
• 5.3.5 密钥更新
• 5.4 KMBC 原型系统的实现
• 5.4.1 KMBC 系统模型
• 5.4.2 KMBC 系统实现
• 5.4.3 实验结果及分析
• 第六章 总结和进一步的工作
• 参考文献
• 致谢
• 已发表的论文