无线传感器网络加密方法的研究

论文摘要

二十世纪九十年代,由于传感器技术、无线通信技术以及微电子技术的发展,无线传感器网络开始进入人们的视野并得到广泛的应用。最初,无线传感器网络的研究是基于军方电子战的需求。随着后来技术的成熟和硬件成本的降低,无线传感器网络向大规模、低功率的方向发展,应用的范围也不仅仅限于军事。目前无线传感器网络已经广泛应用于环境质量、交通管理、医疗救助、智能家居、自动化生产等各个方面。伴随着无线传感器的迅速发展,安全问题显得越发突出,尤其在军事和商业领域。然而,由于无线传感器网络在电源、计算能力、内存容量和易受攻击等方面的局限性,传统的网络密钥分配和管理方法已不适用。目前针对无线传感器网络的特性,人们主要采用随机分配等基于对称密钥系统的加密方法。这种方法虽然在运算上简单迅速,但是存在密钥分配困难,加密强度低,易于被攻破的缺陷。因此本文试图探讨非对称密钥系统在无线传感器网络中的应用方法。典型的非对称密钥系统计算复杂度大,需要PKI等配套设施,不适于无线传感器网络这种处理能力和存储能力高度受限的环境。但是,基于身份标识的密钥体系IBE(Identity Based Encryption)是椭圆曲线类型的加密算法,在同等加密强度下,比一般的公钥算法具有更小的密钥,从而计算复杂度相对简单,存储空间需求相对少。此外,IBE不需要PKI的证书发放,可以使用电子邮件地址、身份证、名字等任意字符串作为公钥。这些特征启发我们将IBE算法应用于无线传感器网中。本文主要就是探讨如何将IBE算法应用在无线传感器网络的广播通信中,从而构建安全的网络。同时在IBE加密算法的发展过程中,基于属性的加密方案ABE(Attribute Based Encryption)在IBE的基础上有所改进,通过Fuzzy的IBE方式来满足不同层面的安全需求,最终掀起新的学术热潮。本文首先介绍了无线传感器网络的基本概念、安全问题和密钥管理的现有方案,然后阐述了椭圆曲线类型加密算法的数学基础。在此基础之上,提出了一种基于IBE算法的适用于无线传感器网络的密钥分配和管理方法并在平面式ABE基础上提出层次化的基于决策树的ABE算法,,然后详细地分析了算法的复杂性、安全性、健壮性和内存需求等方面。最后,在TinyOS平台上对基于IBE的改进方案进行了实现。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 无线传感器网络概述
• 1.1 无线传感器网络
• 1.1.1 无线传感器网络体系结构
• 1.1.2 无线传感器节点
• 1.1.3 无线传感器网络特点
• 1.2 无线传感器网络安全概述
• 1.2.1 无线传感器网络自身在安全方面的弱点与攻击分析
• 1.2.2 无线传感器网络的安全问题
• 1.2.3 无线传感器网络的安全体系
• 1.2.4 无线传感器网络模拟平台
• 第二章 无线传感器网络的密钥管理
• 2.1 基于对称密钥体系的密钥预分配方案
• 2.1.1 网络范围的密钥预分配管理方案
• 2.1.2 针对节点的预先配置密钥管理
• 2.2 密钥管理方案的评估指标
• 2.3 密钥管理方案的分析
• 第三章 无线传感器网络组播广播的密钥管理方案
• 3.1 无线传感器网络安全框架—— SPINS
• 3.1.1 安全网络加密协议 SNEP
• 3.1.2 基于时间的高效的容忍丢包的流认证协议TESLA 协议
• 3.2 基于身份的加密体制
• 3.3 基于属性的加密体制
• 第四章 IBE 相关的椭圆曲线基础
• 4.1 群和域
• 4.1.1 群
• 4.1.2 域
• 4.2 椭圆曲线群
• 4.2.1 椭圆曲线方程
• 4.2.2 有限域上的椭圆曲线
• 4.2.3 加法规则
• 4.2.4 倍点规则
• 4.2.5 点乘规则
• 4.2.6 群的阶
• 4.3 Weil 对与Tate 对的实现方案的超奇异椭圆曲线
• 4.4 椭圆曲线加密体制安全性
• 第五章 基于IBE 的PBDT 算法
• 5.1 改进的基于双线性对的动态门限秘密共享算法 （PBDT）
• 5.1.1 算法概要
• 5.1.2 PBDT 算法的具体执行过程
• 5.1.3 动态门限
• 5.1.4 椭圆曲线群的选择
• 5.1.6 素数的选择
• 5.2 PBDT 安全性分析
• 5.3 PBDT 性能分析
• 5.3.1 存储消耗分析
• 5.3.2 计算性能分析
• 5.4 PBDT 的实验实例
• 5.4.1 系统生成
• 5.4.2 提取私钥
• 5.4.3 加密
• 5.4.4 解密份额的生成
• 5.4.5 解密份额的认证
• 5.4.6 解密份额的重组
• 5.5 实验结果
• 5.5.1 大数运算库
• 5.5.2 节点数目与系统性能
• 第六章 基于ABE 的高效属性策略树
• 6.1 ABE 算法概要
• 6.2 层次结构的属性策略
• 6.3 多种形式的层次结构策略树
• 6.3.1 决策树的非门
• 6.3.2 决策树的属性权重
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文的主要工作
• 7.2 下一步工作的展望
• 致谢
• 攻读硕士研究生期间发表的论文
• 参考文献