无线传感器网络安全体系研究

摘要

无线传感器网络是由部署在监测区域中的大量微型、廉价传感器节点组成，通过无线通信的方式形成一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、监测覆盖区域中的目标，并发布给观察者。 无线传感器网络的应用前景非常广阔，能够广泛地应用于环境监测、智能家居、精准农业、健康护理、建筑物状态监测、地震监测、军事等各个领域。在一些领域，如军事、家庭安全监控等的应用中，传感器网络的安全是非常重要的；由于传感器节点各种资源极端受限，使得传统的网络安全技术不再适用于传感器网络中。本文对无线传感器网络安全问题进行了较为深入的探讨，主要研究内容和创新点如下： 1.从安全体系的高度对无线传感器网络安全进行研究，在已有的研究基础上提出了无线传感器网络的安全体系模型，并指出模型中各模块的意义和内在联系，使无线传感器网络的安全体系成为一个完整的系统，为后续研究打下理论基础。 2.利用部署信息提出了一种基于对称密钥算法的密钥管理方案KPSBM，在KPSBM中，将节点分为若干组，分别部署到相应的目标子区域中，各分组间利用Blom密钥管理模型进行通信，分组内部利用共享群密钥建立配对密钥，理论分析和仿真结果表明，和现有的一些方案相比，该方案存储和通信开销小，能耗较低，适用于对传感器网络能耗有较严格要求的应用中。 3.基于身份的公钥密码学算法，利用部署信息，提出了一种无线传感器网络密钥管理方案KMSBDK，并对其进行理论和仿真分析，和现有的一些方案相比，KMSBDK可以抵挡克隆攻击和Sybil攻击，连通性和可扩展性更好，适用于对传感器网络安全有较高要求的应用中。 4.研究了无线传感器网络MAC（Medium Access Control）层安全问题，分析了现有无线传感器网络MAC层协议安全体系的不足之处，针对无线传感器网络遭到非法入侵的情况，提出了一个基于D-S证据理论的MAC层入侵检测机制。该机制利用碰撞率、数据包平均等待时间、RTS包到达率以及邻居节点的报警作为证据，对网络的状态进行实时的分析检测，根据网络的状态做出响应。该算法能够应用于现有的MAC协议如S-MAC、IEEE802.15.4中。仿真结果表明，该算法能够较好地检测针对MAC层的攻击，可在其它安全模块的配合下保证网络的安全运行。 5.研究了无线传感器网络路由安全问题，在考虑无线传感器网络自身特点的基础上，采用超图理论进行建模，提出了一种层次型安全路由算法（SRAHT）。使用密码学的相关技术保证了数据的完整性、新鲜性、保密性以及认证性。采用多径路由技术提高了网络的容忍入侵能力，同时引入信用机制，对传感器网络中的恶意节点进行检测，有效地提高了网络的安全性能。理论分析和仿真结果表明，该算法具有较好的安全性与抗攻击性，适用于规模较大的传感器网络中。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：本文用到的符号说明

声明

第一章绪论

1.1无线传感器网络简介

1.1.1无线传感器网络体系结构

1.1.2无线传感器网络节点结构

1.1.3无线传感器网络的特点

1.1.4无线传感器网络的应用

1.1.5无线传感器网络研究进展

1.2无线传感器网络安全简介

1.3无线传感器网络安全研究进展

1.3.1密钥管理

1.3.2密码技术

1.3.3安全路由技术

1.3.4入侵检测

1.3.5身份认证技术

1.4论文研究重点和创新点

第二章无线传感器网络安全体系

2.1无线传感器网络安全体系研究现状

2.2无线传感器网络安全体系的特点

2.3建立无线传感器网络安全体系的必要性

2.4安全无线传感器网络的协议栈

2.5无线传感器网络安全体系

2.5.1物理层防御模块功能

2.5.2数据链路层安全模块

2.5.3安全路由模块功能

2.5.4可靠传输模块

2.5.5安全应用模块

2.5.6跨层安全管理平台及各模块间的联系

2.6本章小结

第三章无线传感器网络密钥管理方案

3.1引言

3.2密钥管理方案研究现状

3.2.1基于对称密钥密码体制的密钥管理方案研究现状

3.2.2基于公钥密码体制的密钥管理方案研究现状

3.3基于部署信息的无线传感器网络配对密钥建立方案

3.3.1无线传感器网络分区域部署模型简介

3.3.2 Blom密钥预分配模型

3.3.3基于部署信息的无线传感器网络密钥管理方案KPSBM

3.3.4方案性能分析

3.3.5结论

3.4基于IBC的无线传感器网络密钥管理方案

3.4.1基于身份的密码体制

3.4.2基于部署信息的无线传感器网络密钥管理方案KMSBDK

3.4.3方案性能分析

3.4.4结论

3.5本章小结

第四章无线传感器网络数据链路层安全

4.1无线传感器网络数据链路层安全概述

4.1.1无线传感器网络数据链路层的功能

4.1.2无线传感器网络数据链路层安全研究现状

4.2安全MAC入侵检测方案DS-MAC

4.2.1入侵检测与防御

4.2.2 D-S证据理论

4.2.3基于D-S证据理论的入侵检测模型

4.2.4信度分配函数的选择

4.2.5防御模块

4.2.6算法分析与仿真验证

4.2.7结论

4.3本章小结

第五章无线传感器网络安全路由

5.1引言

5.2无线传感器网络路由协议安全性分析

5.3无线传感器网络安全路由研究进展

5.4无线传感器网络安全路由算法SRAHT

5.4.1超图理论

5.4.2传感器网络的超图模型

5.4.3算法描述

5.4.4安全性分析

5.4.6结论

5.5本章小结

第六章总结与展望

6.1全文总结

6.2相关讨论及研究展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致 谢