无线传感网络密钥管理方案的研究

摘要

无线传感器网络在民用和军事领域应用广泛，比如战场监视、环境监控、健康和交通管理等。其中许多应用都需要安全通信。然而，由于无线信号的不稳定性，节点缺少保护等原因，无线传感器网络容易遭受各种攻击，比如窃听、节点伪装等等。所以，安全问题对于无线传感器网络显得至关重要，而密钥管理是保证安全通信的前提和基础。因此，研究安全高效的无线传感器密钥管理方案具有重要的现实意义。
　　本文为了提高网络的连通性和安全性，深入研究了现有无线传感器网络的密钥管理方案，并作了如下工作:
　　(1)针对同构的传感器网络，提出了基于蜂窝模型的密钥管理方案。首先将目标区域划分成正六边形网格，同时将节点分组，分别部署在对应的网格内。同一分组利用多项式确保任意邻居节点之间可以建立配对密钥，不同分组的节点之间利用随机分配的密钥建立配对密钥，节点预存的密钥经过一定次数的哈希运算以提高了网络的抗节点捕获能力。理论分析和仿真结果表明本方案具有良好的连通性和抗节点捕获能力。
　　(2)针对异构的分簇网络，提出了基于三元多项式的密钥管理方案。我们使用三元t次对称多项式确保同一簇内任意两个节点之间和不同簇的邻居节点之间可以建立配对密钥。同时攻击者不能通过捕获节点来发动节点复制攻击，因为我们采用了随时间更新的哈希值。如果多项式的次数选择合适，我们的方案可以提供完美的抗节点捕获能力。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 论文主要工作

1．3 论文组织

第2章 无线传感器网络概述

2．1 无线传感器网络的体系结构

2．1．1 传感器节点结构

2．1．2 传感器节点特征

2．1．3 无线传感器网络类型

2．1．4 无线传感器网络特点

2．1．5 无线传感器网络协议栈

2．2 无线传感器网络的安全

2．2．1 无线传感器网络的安全需求

2．2．2 无线传感器网络安全的制约因素

2．2．3 无线传感器网络安全的威胁及对策

2．3 本章小结

第3章 无线传感器网络密钥管理方案

3．1 无线传感器网络密钥管理方案的评价指标

3．2 无线传感器网络密钥管理方案的分类

3．3 分布式无线传感器网络密钥管理方案

3．3．1 基于概率的密钥管理方案

3．3．2 基于矩阵的密钥管理方案

3．3．3 基于多项式的密钥管理方案

3．3．4 基于部署知识的密钥管理方案

3．4 层次式无线传感器网络密钥管理方案

3．4．1 SPIN协议

3．4．2 LEAP协议

3．4．3 非对称密钥预分配方案

3．5 本章小结

第4章 基于蜂窝模型的密钥管理方案

4．1 引言

4．2 预备知识

4．2．1 网络部署模型

4．2．2 攻击模型

4．3 基于蜂窝模型的密钥管理方案

4．3．1 密钥池的构造

4．3．2 密钥预分配

4．3．3 建立配对密钥

4．3．4 路径密钥建立

4．4 性能分析与评估

4．4．1 连通性

4．4．2 安全性

4．4．3 存储开销

4．5 本章小结

第5章 基于三元多项式的密钥管理方案

5．1 引言

5．2 预备知识

5．2．1 三元t次对称多项式

5．2．2 网络模型

5．3 基于三元多项式的密钥管理方案

5．3．1 初始化

5．3．2 节点部署和分簇

5．3．3 同一簇内节点建立配对密钥

5．3．4 不同簇节点建立配对密钥

5．3．5 更新哈希值

5．3．6 新节点加入

5．4 性能分析与评估

5．4．1 存储开销

5．4．2 连通性

5．4．3 安全性

5．4．4 计算开销

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢