基于多项式的WSN密钥管理方案研究

摘要

随着无线传感器网络的不断发展与应用，安全问题日渐突出。由于无线传感器网络部署环境的特殊性和自身节点资源的受限性，导致它与传统无线网络有着较大的不同。在安全解决方案中，加密技术是基础。而密钥管理是加密技术的关键。本文针对现有密钥管理方案在网络连通率、通信开销和安全性三者难以达到平衡的问题，设计了基于密钥建立节点的三元对称多项式密钥管理和路由驱动的三元对称多项式密钥管理两种改进型方案。
　　基于密钥建立节点的三元对称多项式密钥管理方案通过引入密钥建立节点，它存储一份与自身标识符相关的三元对称多项式信息。在密钥协商过程中，密钥建立节点负责簇头与簇内普通节点之间的密钥协商，基站负责簇头与簇头的密钥协商。而资源相对较少的簇头和簇内普通节点并不参与密钥计算过程。仿真实验结果表明，该方案不但能有效的提高节点的抗俘获性，并且能有效的减少节点在密钥协商阶段的能量消耗。
　　路由驱动的三元对称多项式密钥管理方案在密钥协商时，加入路由信息，节点只与通信邻居建立会话密钥，而不是所有的物理邻居节点，减少了建立密钥的次数。利用随机数代入三元对称多项式中，从而简化成一个更具随机性的二元对称多项式，增加了破解多项式的难度。仿真实验结果表明，该方案在提高网络连通率和减少内存开销的前提下，它能够有效的减少密钥协商的能量耗损和增强网络的安全性。
　　两种方案的设计为WSN密钥管理研究提供了新的思路，特别是针对具有一定安全和能量要求的应用领域，具有实际的参考价值。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 无线传感器网络的安全概述

1．2．1 WSN的结构

1．2．2 WSN的特点与受限性

1．2．3 WSN与现有无线网络的区别

1．2．4 WSN的安全限制

1．2．5 WSN安全攻击类型与对策分析

1．3 国内外研究现状

1．4 论文主要研究内容与结构安排

2 无线传感器网络经典密钥方案分析

2．1 WSN密钥管理的性能指标

2．2 经典密钥管理方案分析

2．2．1 预共享密钥管理方案

2．2．2 概率性密钥管理方案

2．2．3 确定性密钥方案

2．2．4 基于KDC的密钥管理方案

2．2．5 其他钥管理方案

2．3 本章小结

3 基于密钥建立节点的三元对称多项式密钥管理方案设计

3．1 二元对称多项式

3．2 三元对称多项式

3．3 基于密钥建立节点的三元对称多项式协议描述

3．3．1 分簇网络结构模型

3．3．2 密钥分配的初始化

3．3．3 簇首与簇首的密钥协商

3．3．4 簇首与普通节点的密钥协商

3．3．5 异簇节点的密钥协商

3．3．6 簇头与密钥的更新

3．4 性能分析

3．4．1 存储开销分析

3．4．2 连通性分析

3．4．3 安全性分析

3．4．4 能量消耗分析

3．5 本章小结

4 路由驱动的三元对称多项式密钥管理方案设计

4．1 树-环型结构网络模型

4．2 路由驱动的三元对称多项式协议描述

4．2．1 密钥预分配

4．2．2 密钥路由路径的建立

4．2．3 密钥协商

4．2．4 节点的加入与退出

4．2．5 密钥更新

4．3 性能分析

4．3．1 存储开销分析

4．3．2 连通性分析

4．3．3 安全性分析

4．3．4 能量消耗分析

4．5 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读学位期间主要研究成果目录

致谢