Sink移动的无线传感器网络中高可靠性的密钥预分配方案研究

摘要

无线传感器网络由大量计算能力低、存储量小和能量有限的微型传感器组成，具有广泛应用前景。Sink移动的无线传感器网络因其能量消耗较低和生命周期较长的特点，被推广到军事监视和环境监测等领域。由于监控区域复杂多变的安全环境和节点自身缺乏安全性的特点，无线传感器网络的安全问题变得日益突出。
　　 密钥预分配作为一种有效的密钥管理方案，是利用节点间共享密钥来生成通信密钥，对传输的数据进行加解密，而设计一种高可靠性的密钥预分配方案成为目前研究的热点和难点。在Sink移动的无线传感器网络中，已有的密钥预分配方案存在抗毁性较差和连通性不高的缺陷。为解决这两个问题，分别提出两种有效的算法:
　　 (1)为增强网络抗毁性，提出了一种高安全性的密钥预分配算法N-PGPS。该算法在二元t次对称多项式函数的基础上，引入辅助型的多项式来构建新的多项式函数并用于计算节点间的通信密钥。因多项式系数发生改变，在节点被俘获个数超过t+1时，敌方无法推导出多项式的全部系数，从而保证未被俘获节点的通信密钥不会被敌方破解。安全分析和仿真实验结果表明该算法增强了网络的抗毁性，保证网络节点间的安全通信。
　　 (2)为提高网络连通性，提出了一种高连通性的密钥预分配算法IN-PGPS。该算法在增强网络抗毁性的前提下，利用树的构造原理在Sink节点的通信范围内建立一颗以Sink节点为根的树，使得传感器节点可以通过多跳的方式与移动Sink节点进行安全通信。理论分析和仿真实验结果证明该算法提高了传感器节点与移动Sink节点建立安全通信链路的概率，保证网络具有较好的连通性。
　　 综上所述，已有的研究主要存在网络抗毁性较差和网络连通性不高这两个缺陷，而本文提出的N-PGPS算法和IN-PGPS算法，可以有效解决这两个问题，为无线传感器网络提供较好的抗毁性和连通性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 研究内容和主要创新点

1．3．1 研究内容

1．3．2 论文的主要创新点

1．4 论文的组织结构

第二章 网络安全问题和安全协议

2．1 无线传感器网络简介

2．1．1 传感器节点结构

2．1．2 传感器网络的应用领域

2．2 Sink移动的网络安全问题

2．2．1 Sink移动的网络条件限制

2．2．2 Sink移动的网络面临的困难

2．2．3 Sink移动网络的安全标准

2．3 随机密钥预分配方案研究

2．3．1 基于密钥池的密钥预分配方案

2．3．2 基于地理信息的密钥预分配方案

2．3．3 基于多项式的密钥预分配方案

2．3．4 三种密钥预分配方案的比较

2．4 本章小节

第三章 一种高安全性的密钥预分配算法

3．1 引言

3．2 网络模型

3．3 N-PGPS方案设计

3．3．1 密钥预分配阶段

3．3．2 通信密钥产生阶段

3．3．3 路径密钥建立阶段

3．4 仿真实验与结果分析

3．4．1 实验环境

3．4．2 连通性

3．4．3 抗毁性

3．4．4 通信开销

3．5 本章小结

第四章 一种高连通性的密钥预分配方案

4．1 引言

4．2 问题描述

4．3 IN-PGPS方案设计

4．3．1 基本思想

4．3．2 设计步骤

4．3．3 连通性分析

4．3．4 通信开销分析

4．4 仿真实验与结果分析

4．4．1 实验环境

4．4．2 实验结果

4．5 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

致谢

攻读硕士学位期间参加的科研项目

攻读硕士学位期间发表和录用的论文