基于切比雪夫多项式和区块链的无线传感器网络认证协议研究

摘要

随着无线网络技术的发展，无线传感器网络逐渐被应用在各行各业中。无线传感器网络由大量的传感器节点组成，能够实时的监测环境，采集数据，并对数据进行处理、传输。它是物联网的核心，是连接着物理世界和网络空间的工具。在无线传感器网络中，认证是保障用户和节点安全的重要措施之一。由于传感器节点在存储、计算、通信方面的资源受到限制，认证协议需要在安全与效率之间保持平衡。本文对用户接入认证和分层无线传感器网络的节点认证进行研究，主要贡献如下。　　1.提出了一种在无线传感器网络中的用户认证协议。该协议的参与者有用户、网关节点、传感器节点，应用在用户访问无线传感器网络的场景里。该协议的主要思想是通过使用口令、智能卡、生物特征三因素，保证协议抵抗强猜测攻击和智能卡捕获攻击等。其次，通过使用切比雪夫公钥密码体制，保证用户的匿名性和不可追踪性。协议最终完成用户与网关节点、网关节点与传感器节点的双向认证，保证三者的合法性。同时，在用户与传感器节点之间协商出一个会话密钥，保证用户与传感器节点的安全通信。最后对协议进行BAN逻辑和非形式化安全分析以及性能分析，表明该认证协议是安全且高效的，能够适应无线传感器网络。　　2.提出了一种分层无线传感器网络的节点认证协议，该协议使用了轻量级认证中心和区块链技术。网络分为3层：基站、簇头节点、传感器节点。中间的簇头节点用来减轻基站的计算和通信开销，在基站和传感器节点之间形成一个桥梁。在基站与簇头之间，该协议用轻量级认证中心对节点的公钥进行签名，并将签名作为切入点进行双向认证。协议利用区块链在簇头之间分布式存储传感器节点的认证信息，保证认证信息的不可更改性，簇头利用这些信息对可移动的传感器节点进行认证。该协议适用于跨簇移动的传感器节点认证。安全分析表明，协议能够抵御常见的网络攻击。

目录

声明

第 1 章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 文章组织结构

1.4 本章小结

第2 章基础知识

2.1 公钥密码体制

2.2 椭圆曲线密码体制

2.3 哈希函数

2.4 切比雪夫多项式

2.4.1 切比雪夫多项式基础

2.4.2 切比雪夫多项式密码体制

2.5 生物特征模糊提取

2.6 区块链

2.7 BAN逻辑

2.7.1 基本术语

2.7.2 逻辑规则

2.8 本章小结

第3 章基于切比雪夫多项式的三因素认证协议

3.1 系统模型

3.2 基于切比雪夫多项式的三因素认证协议

3.2.1 初始化阶段

3.2.2 注册阶段

3.2.3 认证阶段

3.2.4 密钥更新

3.3 协议分析

3.3.1 攻击模型

3.3.2 BAN逻辑分析

3.3.3 常见网络攻击分析

3.3.4 性能分析

3.4 本章小结

第4 章基于区块链的无线传感器网络认证协议

4.1 系统模型

4.2 基于区块链的无线传感器网络认证协议

4.2.1 基站与簇头的认证

4.2.2 基站和传感器节点的认证

4.3协议分析

4.3.1 BAN逻辑分析

4.3.2 常见网络攻击分析

4.3.3 性能分析

4.4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果