增强安全性的IEEE 802.15.4协议研究

摘要

无线传感器网络是一种特殊的Ad Hoc网络，它具有自组织、快速展开、抗毁坏性强等特点，在军事、环境监测、医疗健康、工业控制等方面有着十分广阔的应用前景。无线传感器网络是一种以数据为中心的自组织无线网络，网络拓扑结构动态变化，网络中的节点密集，数量巨大，部署在十分广泛的区域。传感器节点的计算能力、电源能量、通信能力和存储空间非常有限，且一般配置在恶劣环境、无人区域或敌方阵地中，因此确保传感器网络的安全通信尤为重要。在传感器网络的安全通信中，信息的保密性及完整性至关重要，这就使得密钥管理和消息认证成了传感器网络安全研究中的一个重要问题。IEEE802.15.4标准是针对低速无线个人域网络的无线通信标准，把低功耗、低成本作为设计的主要目标，为个人或家庭范围内不同设备之间低速联网提供标准。IEEE802.15.4标准因其低速率、低成本、低功耗、高质量，被认为是无线传感器网络和无线个人域网络的理想实现技术。 本文介绍了无线传感器网络及其主要特点，接着介绍了无线传感器网络的安全需求，分析了IEEE 802.15.4协议存在的安全缺陷，提出了增强安全性的IEEE 802.15.4协议-SE-IEEE 802.15.4，其中使用基于椭圆曲线(ECC)的数字签名方案(ECDSA)来实现IEEE802.15.4协议的数字签名。相对于已有的协议，SE-IEEE 802.15.4协议的安全性能更强，采用的密码算法的密钥长度较短。然后扩展NS2仿真平台对其进行仿真，并进行了网络性能和安全性能的分析。使用HLPSL语言描述SE-IEEE 802.15.4协议，然后用AVISPA分析工具进行形式化验证，结果表明SE-IEEE 802.15.4协议是安全的。本文就以下几个方面进行了创新性的研究工作： 1、通过分析比较各种加密算法，选择椭圆曲线密码算法(ECC)，将其计算速度快，密钥小，带宽需求小的优点应用于SE-IEEE 802.1.5.4协议。 2、分析IEEE 802.1.5.4协议的安全缺陷，采用基于椭圆曲线密码算法(ECC)的数字签名方案(ECDSA)进行数字签名，提出增强安全性的SE-IEEE 802.15.4协议，新协议增加了数据完整性、来源真实性、抗否认和防重放攻击等安全服务。 3、对NS2仿真平台进行扩展，在其协议族中加入SE-IEEE 802.15.4协议，然后使用扩展后的NS2仿真平台，对SE-IEEE 802.15.4协议进行了仿真。 4、用HLPSL语言描述SE-IEEE 802.15.4协议，在AVISPA分析工具下进行形式化验证，验证SE-IEEE 802.15.4协议的安全性能。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章引言

1.1研究背景及课题来源

1.2课题研究内容及意义

1.2.1研究内容

1.2.2意义

1.3论文结构

第2章课题相关背景知识

2.1无线传感器网络概述

2.1.1无线传感器网络体系结构

2.1.2无线传感器网络的特征

2.1.3无线传感器网络的关键技术

2.2 IEEE 802.15.4标准简介

2.2.1组成部分

2.2.2网络拓扑结构

2.2.3 IEEE 802.15.4体系结构

2.2.4物理层

2.2.5 MAC子层

2.3公钥密码算法和哈希函数介绍

2.3.1公钥密码算法

2.3.2哈希函数

2.4本章小节

第3章SE-IEEE 802.15.4协议

3.1相关前期研究

3.2 IEEE 802.15.4安全性能分析

3.3 SE-IEEE 802.15.4协议设计

3.3.1密码算法的选取

3.3.2 SE-IEEE 802.15.4协议描述

3.4 SE-IEEE 802.15.4协议的安全性分析

3.5本章小节

第4章SE-IEEE 802.15.4协议的仿真

4.1 NS2仿真工具

4.2仿真场景配置过程

4.3仿真实验设置及结果分析

4.4本章小节

第5章SE-IEEE 802.15.4协议安全性的形式化验证

5.1安全协议目标

5.2 Avispa分析工具

5.3 SE-IEEE 802.15.4的HLPSL语言描述

5.4验证结果分析

5.5本章小节

第6章总结

6.1小结

6.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间公开发表的论文