无线传感器网络密钥管理研究

论文摘要

近年来,随着微电子技术、嵌入式计算技术和无线通信技术的日益成熟,具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始出现。由大量这样的微型传感器作为节点构成的无线传感器网络能够实时监测、感知和采集所在区域内的各种环境或监测对象的信息,并且能够通过自组织的方式进行相互的通信和协调,对这些信息进行处理,并将必要的信息传送给相关的用户。这种无线传感器网络在军事、环境、工业、家居等各方面都有广泛的应用前景。在无线传感器网络的多数应用中,安全问题是一个非常紧要的问题,如商业上的小区无线安防网络,军事上在敌控区监视敌军军事部署的传感器网络等,对数据的采样、数据的传输过程,甚至节点的物理分布,都不能让无关的人或敌方了解,在这些应用中安全问题就显得尤为重要。本文对无线传感器网络中的密钥管理算法进行了深入研究,对现有的密钥管理算法进行了介绍,并分析了它们各自的适用范围、优点与不足。本文还针对现有密钥管理算法的不足,充分考虑无线传感器网络资源有限的特点,设计了一种新的密钥管理算法KMSGC。KMSGC算法针对链路层的安全问题,采用对称密钥与信息共享技术,保证了链路层的通信安全,同时为网络其它方面的安全应用打下了基础。算法首先对目标监测区域进行划分,建立抛撒区域模型。在此基础上将预抛撒节点进行分组,然后利用Shamir秘密分割算法将簇间通信密钥分为若干份,在分组的节点内写入簇内共享密钥和域间通信密钥的某一份;节点抛撒后,KMSGC算法首先利用簇内共享密钥完成了簇内节点间通信密钥的建立,实现了簇内的安全通信;然后簇头节点收集预先写入节点内的簇间通信密钥,通过Shamir秘密分享算法得到簇间密钥,再利用簇间密钥在属于不同簇的相邻节点间建立通信密钥,实现簇间的安全通信。KMSGC算法通过簇内与簇间密钥的建立保证了全网的通信安全。最后本文应用Matlab软件对KMSGC算法进行了仿真,并与LEAP、E-G等典型的密钥管理算法进行对比,从密钥连通度等四个方面进行了分析,结果表明KMSGC算法较同类算法有很好的优越性。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 序论
• 1.1 无线传感器网络简介
• 1.2 无线传感器网络及传感器节点结构
• 1.2.1 网络结构
• 1.2.2 传感器节点结构
• 1.3 无线传感器网络发展历史
• 1.4 无线传感器网络的特点
• 1.5 无线传感器网络的关键问题
• 1.5.1 路由问题
• 1.5.2 能量问题
• 1.5.3 安全问题
• 1.6 无线传感器网络的应用
• 1.7 本文的选题意义与研究内容
• 1.7.1 选题意义
• 1.7.2 研究内容与创新点
• 第二章 无线传感器网络安全概述
• 2.1 无线传感器网络安全概述
• 2.2 无线传感器网络安全需求
• 2.3 无线传感器网络自身在安全方面的弱点
• 2.4 无线传感器网络中常见的攻击类型
• 2.5 本章小结
• 第三章 无线传感器网络密钥管理
• 3.1 加密算法简介
• 3.1.1 对称密钥体制
• 3.1.2 非对称密码体制
• 3.2 无线传感器网络密钥管理方案和协议的分类
• 3.2.1 对称密钥管理与非对称密钥管理
• 3.2.2 平面式密钥管理和层次式密钥管理
• 3.2.3 静态密钥管理与动态密钥管理
• 3.2.4 随机密钥管理与确定密钥管理
• 3.3 密钥管理协议的评价标准
• 3.4 无线传感器网络密钥管理算法与方案研究进展
• 3.4.1 E-G 算法
• 3.4.2 LEAP 算法
• 3.4.3 预共享密钥算法
• 3.4.4 q-composite 方案随机密钥预分布模型
• 3.4.5 多路密钥增强模型
• 3.4.6 随机密钥对方案
• 3.5 本章小结
• 第四章 密钥管理算法KMSGC
• 4.1 KMSGC 要解决的主要问题
• 4.2 秘密共享技术
• 4.2.1 Shamir 秘密分享方案
• 4.2.2 带扩展功能的秘密共享方案
• 4.2.3 秘密共享的实际应用
• 4.3 KMSGC 算法分簇部署模型简介
• 4.4 密钥管理算法KMGC 的实现
• 4.5 KMSGC 的加密算法
• 4.5.1 加密算法的选择
• 4.5.2 RC5 算法过程
• 4.6 KMSGC 算法加密模式
• 4.6.1 加密模式的选择
• 4.6.2 OCB 模式算法
• 4.7 KMSGC 算法仿真分析
• 4.8 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢