基于信任管理的无线传感器网络安全路由的研究

摘要

近些年，随着无线通信技术、计算机技术以及微机电技术的高速发展，无线传感器网络作为这三项技术的集成，迅速成为当前研究的热点之一，并被广泛应用于国防军事、工业控制、农业自动化、医疗卫生等领域。无线传感器网络通常工作在高度开放区域甚至无人区，很容易发生恶意节点入侵网络或合法节点被捕获等攻击。由于节点资源受限，很多针对传统网络的安全机制都无法满足无线传感器网络的需求，因此，如何保证传感器网络的安全性，成为了亟待解决的问题。
　　本文首先提出了一种多要素信任管理机制，然后基于该机制，设计了一种可信分簇路由协议，实现了可信的簇头选举和路由过程，最后设计并实现了无线传感器网络安全仿真平台。本文的主要工作如下:
　　(1)提出了一种多要素信任管理机制，从通信、数据和能量等多个角度提取信任要素，引入“低回报高惩罚”机制增强了节点信任值的真实性。通过理论分析证明该机制在显著提高网络安全性能的同时，仅仅增加了少量的内存和通信开销。
　　(2)提出了一种可信分簇路由协议，在协议中设计了轻量级的认证及密钥协商机制，实现了网络的机密性、完整性和点到点认证，借鉴了μTESLA协议的思路实现了广播认证和数据的新鲜性，避免了网络遭受外部攻击。在此基础上，为分簇路由添加了信任管理机制，降低内部攻击对网络造成危害。通过SVO逻辑证明了认证及密钥协商机制的安全性，并用Matlab仿真验证了协议的安全性能、通信和内存开销。
　　(3)设计并实现了无线传感器网络安全仿真平台，分析了OMNeT++的系统架构和运行流程，完成了仿真内核模块的设计，根据节点的角色，设计了不同的能耗模型，进而完成了能耗仿真模块的设计，最后测试了本文提出的可信分簇路由协议，证明了仿真平台的实用性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 背景及意义

1．2 无线传感器网络概述

1．2．1 无线传感器网络基本特征

1．2．2 无线传感器网络拓扑结构

1．2．3 无线传感器网络常见的攻击手段

1．2．4 无线传感器网络安全需求

1．3 相关技术的国内外研究现状

1．4 本文研究内容及组织结构

第二章 无线传感器网络的信任管理机制

2．1 信任的相关概念

2．1．1 信任的定义

2．1．2 信任的性质

2．1．3 信任的分类

2．2 信任管理框架

2．2．1 信任要素

2．2．2 信任计算

2．3 典型的信任管理机制

2．3．1 RFSN机制

2．3．2 GTMS机制

2．3．3 当前信任管理机制存在的问题

2．4 本章小结

第三章 一种多要素信任管理机制

3．1 信任管理机制的需求分析

3．2 METMS机制

3．2．1 信任表示与假设条件

3．2．2 METMS机制结构

3．2．3 信任要素的选择

3．2．4 信任计算过程

3．3 METMS机制的性能评估

3．3．1 安全性能评估

3．3．2 通信开销评估

3．3．3 内存消耗评估

3．4 本章小结

第四章 基于METMS机制的可信分簇路由协议

4．1 问题描述

4．2 网络模型

4．3 协议中的安全技术

4．3．1 LAAKE认证和密钥协商机制

4．3．2 广播认证机制

4．3．3 计数器加密机制

4．4 协议描述

4．4．1 可信簇的形成

4．4．2 可信路由

4．4．3 数据传输

4．4．4 网络拓扑更新

4．5 协议性能分析

4．5．1 网络连通性分析

4．5．2 安全性分析

4．6 仿真结果分析

4．6．1 簇头选举

4．6．2 网络的丢包率和能耗

4．7 本章小结

第五章 无线传感器网络安全仿真平台的设计与实现

5．1 系统设计目标

5．2 系统总体设计

5．3 系统主要功能模块的设计

5．3．1 系统的仿真内核模块的设计

5．3．2 性能仿真模块的设计

5．4 TCRP协议的仿真

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文工作小结

6．2 下一步工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表论文与其他科研成果