基于功能节点的无线传感器网络多对密钥管理协议研究

论文摘要

无线传感器网络是由一组传感器节点以自组方式构成的无线网络。无线传感器网络的应用前景非常广泛,主要表现在军事、环境、健康、家庭、商业等领域。随着无线传感器网络应用的广泛深入,其安全问题也变得越来越重要,引起了研究人员和应用者的强烈关注。为了实现传感器网络的安全通信,确保传感器网络中相互通信的节点间建立共享密钥是至关重要的,密钥管理成为安全性研究的一个重要方面。本文首先介绍了无线传感器网络的特点、发展历史和安全研究内容,然后阐述了无线传感器网络密钥管理的研究现状,在分簇无线传感器网络密钥管理中簇头的地位非常重要,但是缺少保护。本文利用数据通信和安全管理分离的思想,提出了一种具有功能节点的无线传感器网络体系结构,并在此结构下设计了一个基于功能节点的多对密钥管理协议——MPKMF。在MPKMF中,由普通节点和簇头节点负责数据采集及传输,功能节点负责密钥管理。在簇内功能节点多于一个,功能节点间协商密钥的生成和其它安全决策。功能节点利用其分布式特性成为整个无线传感器网络的第二级安全中心。本文阐述了功能节点的生成及在功能节点监控下簇头节点的生成;并详细阐述了五类密钥:个人密钥、对密钥、簇密钥、公共密钥的生成和管理。文中最后的理论分析和实验表明,MPKMF协议的通信能量消耗性能优越,生成密钥的延迟时间满足要求,可以提供多点协同认证的安全多对密钥,有很强的抗节点俘获能力,有效抵抗选择转发攻击,能支撑较大规模的网络,并且有效支持数据融合。

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 概述
• 1.1.2 无线传感器网络的历史
• 1.2 无线传感器网络安全研究内容
• 1.2.1 无线传感器网络的安全路由
• 1.2.2 无线传感器网络的认证机制
• 1.2.3 无线传感器网络的密钥管理
• 1.2.4 无线传感器网络的攻击检测技术
• 1.3 本文的主要工作
• 第2章 无线传感器网络密钥管理的研究现状
• 2.1 无线传感器网络拓扑结构
• 2.1.1 分布式结构
• 2.1.2 分层结构
• 2.2 基于分布式的密钥管理协议
• 2.2.1 预置全局密钥
• 2.2.2 预置所有对密钥
• 2.2.3 随机密钥预分布模型
• 2.2.4 q-Composite方案随机密钥预分布模型
• 2.2.5 多路密钥增强模型
• 2.2.6 随机密钥对模型
• 2.3 LEAP协议
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于功能节点的无线传感器网络多对密钥管理协议
• 3.1 概述
• 3.1.1 无线传感器网络受到的威胁
• 3.1.2 无线传感器网络的安全要求
• 3.1.3 符号说明
• 3.2 MPKMF的运行环境假设和设计目标
• 3.2.1 环境假设
• 3.2.2 设计目标
• 3.3 设计MPKMF的理论依据
• 3.4 MPKMF的设计
• 3.4.1 概述
• 3.4.2 功能节点及簇头的生成
• 3.4.3 个人密钥的生成
• 3.4.4 对密钥的生成
• 3.4.5 簇密钥的生成
• 3.4.6 公共密钥的生成
• 3.4.7 管理密钥的生成
• 3.5 本章小结
• 第4章 性能评估及仿真结果分析
• 4.1 密钥管理协议的评价标准
• 4.2 性能分析
• 4.2.1 安全连通概率分析
• 4.2.2 密钥安全性分析
• 4.2.3 节点抗俘获攻击分析
• 4.2.4 支持网络的规模分析
• 4.2.5 能量消耗分析
• 4.3 仿真实验结果及分析
• 4.3.1 仿真环境介绍
• 4.3.2 仿真实现
• 4.3.3 仿真实验结果及分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢