工业无线网络分簇密钥管理方案研究

摘要

无线传感器网络(Wireless Sensor Network)技术在当今得到了飞速的发展，它具有成本低廉、部署方便且迅速，能适应苛刻的环境等特点。同时随着工业现场控制网络技术的发展，把WSN技术引入到工业控制现场环境中来，产生了工业无线网络技术:WIA-PA(Wireless Networks for Industrial Automation-Process Automation)给工业现场控制网络带来极大的便利，同时在成本上也节省了许多。WIA-PA网络技术是基于IEEE802.15.4标准的用于工业过程测量、监视与控制的无线网络系统。从WIA-PA逻辑分层来看，它是采用Mesh网络和星型(Start)网络相结合的双层拓扑结构，网关(GateWay)和路由设备(Router)构成逻辑上的Mesh层，而现场设备和路由设备则组成一个星型网络，也可以称为一个簇，路由设备担当簇头节点。
　　 本文首先介绍WIA-PA网络的技术特点，分析WIA-PA采用的安全管理方式，和几种典型分布式和分簇式WSN密钥管理协议，指出它们所具有的优点和不足，如:存储要求过高，网络特点不适应WIA-PA网络，和计算开销等方面的问题。在分析现有密钥管理方案的基础上，通过研究WIA-PA网络的特点，本文提出一种WIA-PA网络的分簇密钥管理方案。根据WIA-PA网络的特点，在网关中存储一个对称二元多项式池，由网关给每个路由设备分配一个带ID号的对称二元多项式，路由设备通过对称二元多项式协商产生对密钥，建立安全链路，保证WIA-PA网络所有簇头节点都能建立安全链路，具有良好的密钥更新，删除机制。使用改进的μTESLA协议进行的分区域广播认证，对WIA-PA的路由节点层进行二级分簇，将WIA-PA网络分割成相互独立的区域进行广播认证，减少了网络开销，提高了广播认证的效率，并且安全性和可扩展性比原有的全网广播更好。
　　 最后通过理论和实验仿真分析，WIA-PA方案在密钥的存储、能耗和安全耐受性方面的优势。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 WIA-PA密钥管理需要考虑的问题

1．3 国内外研究现状

1．4 论文研究内容及结构

第2章 WIA-PA概述

2．1 WIA-PA网络拓扑结构和协议体系

2．2 WIA-PA系统管理

2．3 WIA-PA网络安全目标

2．4 小结

第3章 无线传感器网络的密钥管理方案

3．1 分布式随机性密钥预分配方案

3．2 分布式确定性密钥预分配方案

3．3 分簇式密钥管理方案

3．3．1 SPINS方案

3．3．2 LEAP方案

3．4 现有方案应用在WIA-PA网络存在的问题

3．5 本章小结

第4章 基于WIA-PA的分簇密钥管理方案

4．1 LEAP方案应用在WIA-PA上需改进的方面

4．2 WIA-PA分簇密钥管理方案

4．2．1 方案概述

4．2．2 初始化阶段

4．2．3 密钥的建立

4．2．4 密钥的更新

4．2．5 密钥的撤销

4．2．6 广播认证

4．3 设备的入网

4．3．1 路由设备入网

4．3．2 现场设备入网过程

4．4 WIA-PA网络通信

4．4．1 簇内节点与簇头之间的通信

4．4．2 簇头之间的通信

4．4．3 簇头与网关之间的通信

4．5 本章小结

第5章 性能分析与仿真实验

5．1 仿真平台介绍

5．2 安全连通性分析

5．3 存储和能耗开销分析

5．3．1 存储开销分析

5．3．2 节点能耗开销分析

5．4 安全耐受性分析

5．5 本章小节

第6章 总结和展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文