无线传感器网络安全及组密钥管理技术研究

摘要

无线传感器网络是在计算机网络、传感器技术和无线通信技术等不断进步的前提下,逐步发展和壮大起来的。它是由大量传感器节点组成,通过飞机播撒或人工安置等方式部署在特定区域内,采用无线通信的方式快速自组织形成的一个多跳网络系统。该网络以数据为中心,根据需要通过协作的方式实时地监测、感知和采集特定覆盖网络区域内的具体信息,并对这些信息进行处理和发送,从而使用户得到详尽而准确的数据。
　　组播通信使消息在网络中高效传输,是提高网络资源利用率的一种重要通信方式,而安全组播通信需要组密钥管理技术的支持,因此,研究无线传感器网络中的组密钥管理问题具有重要意义。在其众多关键技术中,安全性和能耗限制是当前该领域讨论的热点,围绕这些问题进行研究,本文所做的主要工作和取得的成果如下:
　　1、介绍了关于无线传感器网络的基础知识,包括发展历史、网络特点、体系结构和实际应用前景,并对几种关键技术进行了简要介绍;详细分析了当前无线传感器网络所经常遭遇到的几种网络攻击和常用的防御手段,着重讨论了在特定环境下该网络所要考虑的安全目标;总结了当前无线传感器网络的主要评价指标,深入剖析了当前具有代表性的几种无线传感器网络组密钥管理方案研究的优缺点,并对已有方案进行了分类、归纳和总结。
　　2、针对静态网络并结合对称密钥相关知识,提出了一种适用于大规模无线传感器网络的分布式组密钥管理方案。利用距离最近的邻居头节点间的相互协作来实时更新组密钥,降低敌手利用妥协节点对网络进行攻击的几率;引入了自愈机制,通过改变相关参数,可以针对性的配置不同安全级别的网络;当网络规模扩大到一定程度时,节点的通信开销趋于平稳,适用于较大规模网络。
　　3、针对无线传感器网络中节点能否移动的问题,结合中国剩余定理和椭圆曲线密码体制相关理论,提出了一种无线传感器网络中节点可移动场景下的分簇式组密钥管理方案。利用分簇的思想,并结合了公钥密码学知识,针对性地解决了一些特殊的应用场景中,合法节点因为各种原因会主动或者被动地移动位置或暂时的离开网络而被视为恶意节点的问题。网络节点可以随时安全的加入和退出网络,保证网络性能的同时增强了节点的移动性。
　　4、利用MATLAB软件对所提方案及多个已有方案中相关存储开销和通信开销作数据比较实验。实验结果表明,所提方案较相关已有方案的网络安全性均得到了有效地提高,同时能针对性的解决一些特殊的应用,优化了网络性能,适用于易遭受攻击且资源受限的无线传感器网络。

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第1章 绪论

1.1 无线传感器网络的发展过程

1.2 无线传感器网络的特点

1.3 无线传感器网络的网络体系

1.4 无线传感器网络的应用

1.5 无线传感器网络中的关键技术

1.6 论文的主要工作与组织结构

第2章 无线传感器网络的安全问题

2.1 无线传感器网络的安全问题概述

2.2 无线传感器网络安全攻击与威胁

2.3 安全研究方向

2.4 本章小结

第3章 无线传感器网络组密钥管理方案研究

3.1 组密钥管理当前面临的问题

3.2 评价指标

3.3 分类和研究现状

3.4 安全框架—LEAP协议

3.5 对称密钥管理方案

3.6 非对称密钥管理方案

3.7 本章小结

第4章 适用于大规模WSN的分布式组密钥管理方案

4.1 网络模型建立

4.2分布式组密钥管理方案

4.3 安全和性能分析

4.4 本章小结

第5章 WSN中节点可移动场景下的分簇式组密钥管理方案

5.1 网络模型建立

5.2 预备知识

5.3分簇式组密钥管理方案

5.4 安全和性能分析

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 论文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

附录