基于超图的异构传感网密钥管理协议研究

摘要

传感网是含有传感器、通信器、数据处理器以及存储单元的微型节点，以自组织的方式形成的分布式无线网络，具有计算能力、通信能力、存储能力及能量有限等特点。早期传感网的研究多基于同构网络，但由于传感网在不同的应用场景及随着网络的运行，节点能力、拓扑结构、工作环境等均会不同或时刻变化，即异构性是时刻存在的。本研究认为异构性是传感网的自然属性，充分研究和利用传感网中客观存在的异构性，能够更好的降低网络能耗、提高网络性能。密钥是传感网安全、可靠保密通信不可或缺的重要因素，密钥管理贯穿于密钥的整个生命周期。因此，如何总结传感网中普遍存在的异构性，设计一个安全、高效的密钥管理协议是一项具有重要意义的工作。
　　 首先，论文介绍了传感网及密钥管理的相关知识，并详细介绍了异构传感网(Heterogeneous Sensor Networks，HSN)的定义，给出了HSN的物理结构模型及逻辑结构模型。在结构模型描述中，着重阐述了HSN基站层、簇头层和感知层的三层逻辑结构，并描述了各层中节点的功能及数据流向，为下一步的研究提供了结构基础。
　　 其次，论文对传感网节点本身、通信协议、支撑技术、应用需求以及外部环境等方面存在的各种异构性元素进行了归纳总结。进一步地，基于超图和传感网的协议结构，将异构性元素在外部环境、支撑技术及协议层次三个维度上进行了划分，同时在物理层、数据链路层、网络层、传输层以及应用层进行了细粒度的划分，得出一个HSN异构性多维度细粒度划分的示意图，并借助超图对HSN的异构性划分进行了数学描述。
　　 最后，由于HSN节点数目众多、高连通且复杂的网络结构所需的控制信息多，进而会消耗网络带宽和节点能量，导致网络的生命周期变短，针对这一问题，设计出一个基于超图理论的HSN密钥管理协议HKMP(Hypergraph-based Key ManagementProtocol)。HKMP设计的主要思想是：将HSN抽象为超图结构，即节点抽象为超图的顶点、簇抽象为超图的超边。该协议主要包括初始部署阶段、密钥建立阶段、新节点加入阶段和节点删除阶段，其中密钥建立阶段只需两个通信轮数即可计算出簇密钥。性能分析显示，HKMP协议具有很高的可扩展性、抗毁性及安全性。