无线传感器网络中轻量级数据加密机制的研究与应用

摘要

无线传感器网络凭借其组网成本低,组网迅速,受工作环境影响小等优势已经在多个领域得到应用。应用于军事、工业等某些重要领域中的无线传感器网络通常会对一些重要设备进行监测与控制。为防止这些重要设备遭到破坏,某些采集到的数据与设备的控制协议需要以密文的形式进行传输,以保障机密信息不会被窃取。无线传感器网络中很多节点的数据处理能力不足、能源有限、功能单一,无法承受大量的运算工作。而比较常用的数据安全机制较为复杂、运算工作量巨大,因此无法直接运用于无线传感器网络。针对此问题,本文在现有数据加密技术的理论基础上,研究设计一种适合于无线传感器网络的轻量级数据加密机制,并在硬件平台上进行性能测试。
　　本文研究的轻量级数据加密机制是在对称加密算法的基础上进行设计的。该加密机制整合了当前常用的多种对称数据加密算法。并对其中RC6算法进行了相应的改进,在原算法的基础上添加了“对称层”运算。使改进后的RC6算法在运算工作量变化不大的情况下提高加了密强度。为进一步提高密文的安全性与数据加密强度,轻量级数据加密机制设计使用了双密钥对明文进行两级加密,并且引入了随机密钥管理机制,使网络节点每次加密时都能使用不同的密钥,保证了网络内数据传输的新鲜性。除此之外,数据加密机制还使用了节点 ID认证,带有身份标识的密钥池认证等多种安全认证机制来阻止非法节点的接入。
　　为对轻量级数据加密机制的实用性进行测试,本文根据无线传感器网络节点功的能需求,选用Cortex-M3内核的控制芯片搭建无线传感器网络节点的硬件平台。将本文所研究设计的轻量级数据加密机制在硬件平台上进行了移植与实现。并在数据加密机制的基础上设计通信协议,在硬件平台上实现数据的收集、加密、传输。
　　最后在硬件平台上完成对该轻量级数据加密机制的性能测试。在不同长度明文,不同长度密钥,硬件平台控制器在不同工作频率等环境下对该轻量级数据加密机制的加密时间进行测量。并将加密所用的时间数据进行记录与分析,完成对该加密机制的实用性评估。

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第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文研究的主要内容

1.4 论文结构

第2章 无线传感器网络安全与数据加密技术

2.1 WSN相关知识

2.2 WSN安全分析

2.3 数据加密技术

第3章 RC6加密算法与算法改进

3.1 RC6简介

3.2 RC6加密算法详述

3.3 算法的改进

3.4 RC6与其他几种经典加密算法的比较

3.5 本章小结

第4章 轻量级加密机制的设计

4.1 轻量级加密机制设计思路

4.2 加密机制的设计

4.3 加密机制的程序设计

4.4 本章小结

第5章 WSN节点硬件与无线通信程序设计

5.1 WSN节点硬件平台与通信程序设计

5.2 无线通讯机制与程序的设计

5.3 应用功能测试

第6章 轻量级数据加密机制的实用性测试

6.1 加密机制运行时间的测量方式

6.2 实验数据的收集

6.3 性能测试及结果分析

6.4 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 工作总结

7.2 研究展望

参考文献

附录

个人简历、申请学位期间的研究成果及发表的学术论文

致谢