基于串空间模型的无线传感器网络安全机制分析与改进

摘要

作为21世纪信息产业的核心技术之一，无线传感器网络因其广阔的应用前景和在许多重要领域潜在的实用价值，充分引起了学术界、工业界和许多国家的国防部门的广泛关注。
　　然而，无线传感器网络仍处于研究和初步应用阶段，还有大量问题亟待解决，其中无线传感器网络的安全性显得格外重要。由于无线传感器网络自身的特点，传统的移动网络的安全技术可能无法直接应用到其中，这给无线传感器网络安全协议的设计带来很大的挑战。因此适应于无线传感器网络环境的安全协议和算法成为制约无线传感器网络进一步广泛应用的关键问题。
　　本文采用理论分析和网络仿真相结合的方式，对无线传感器网络通信协议的安全性进行了较为深入的研究。分别针对无线传感器网络安全路由协议、安全数据汇聚协议进行了分析，指出了其中存在的安全隐患。并在此基础上，提出了一些改进的方案。具体的工作包括：
　　对无线传感器网络路由协议的安全性进行研究。采用理论分析的方法，发现SecDEACH协议在传输范围内节点之间的认证上存在一定的安全问题，并针对该安全漏洞给出了攻击的方法，论述了由于该攻击导致的严重后果。此外，在原有SecDEACH协议的框架下，提出新型安全动态分簇协议，并对改进的协议进行了安全性的分析。
　　针对WSN中蠕虫洞攻击传统的防御方法，提出在数据汇聚阶段防止蠕虫洞攻击的新思路。文章基于回传消息提出两个新型安全动态分簇协议，SDCP1和SDCP2。其中，SDCP1协议是基于簇首的回传消息，它可以适用于簇首不会被入侵的情况。SDCP2协议是基于基站的回传消息，适用于基站不被入侵的情况。进而，利用串空间模型和认证测试形式化证明了SDCP2协议的机密性和认证正确性，并通过性能仿真，显示在不增加过多性能损耗的情况下，新协议比较SecDEACH协议拥有更高的安全性。
　　对无线传感器网络应用层广泛使用的数据汇聚协议的安全性进行探究。采用理论分析的方法，对IPHCDA协议进行了研究，指出该协议中存在的安全漏洞和性能上的不足，并针对其安全漏洞给出其攻击方法。此外，本文根据WSN中安全数据汇聚的特点，提出新型的安全分层式数据汇聚协议NSHAP。新协议不仅保留了原协议中汇聚数据可分类获取的优点，而且通过要求区域内所有节点都参与数据汇聚来确保汇聚数据的完整性。最后，利用串空间模型和性能仿真，显示在不增加过多性能损耗的情况下，NSHAP协议比IPHCDA协议拥有更高的安全性。