基于密钥管理的无人机网络通信安全研究

发布时间：2020-08-03 10:13

【摘要】：无人机具有成本低、机动性高、适应特殊环境、生存力强、操作便捷且不会有人员伤亡风险等优点,因此在民用的救援、航拍等领域得到广泛应用,同时也在军事领域中大放异彩。一旦无人机的通信网络被对手破坏,那么后果不堪设想,因此对无人机网络通信安全问题的研究具有极大的意义与价值。无人机群的通信依靠无线网络,因此极容易被窃听和遭受网络攻击。传统网络安全机制由于实现复杂度、网络结构、计算开销、安全性等种种原因都不适合无人机网络,而无线网络的密钥管理方案从多方面考虑均为较理想的选择。本文研究了常见的密钥分配方案和密钥协商协议,分析了它们的优缺点,提出了适用于无人机网络的安全通信方法,本文的主要工作成果如下:(1)对常见的无线网络密钥分配方案进行了综述,介绍了经典方案的原理,指出它们的优点与不足、适用场景和典型应用;详细比较分析了现有方案的性能;对相关理论和方案进行了数学推导和理论分析;介绍了计算安全和信息理论安全的有关概念。(2)为了研究无人机的通信安全协议,深入研究了基于门限安全的对密钥管理方案,在对称矩阵的门限安全方案基础上,引入分组思想,提出了一种新的无人机群网络对密钥预分配方案。与原密钥分配方案进行了对比,证明该方案有效降低了网络的存储、通信开销,提升了安全性。(3)对组密钥管理方案进行了研究。从无人机安全角度出发,主要研究了具有自愈性的相关方案。本文详细介绍了前人的工作基础,指出了其中部分工作在安全性上的不足,并设计出一种满足无人机网络安全需求的密钥管理方案,给出了方案的安全性证明,并与其他方案在存储开销、计算开销等方面进行了对比。(4)本文着眼于未来科技发展对无人机网络安全的新需求,进一步研究了基于信息理论安全的密钥协商技术,主要研究了有扰信道的密钥协商理论,介绍了密钥协商过程中信息协调阶段的常用协议,分析了它们的特点。重点针对其中的Winnow算法进行了研究,在前人工作基础上提出了一种具有区块大小自适应能力的Winnow信息协调协议。在最后进行了仿真实验和性能分析,证明新提出的协议相比原有协议有效提升了纠错效率。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V279;TN918.4
【图文】：

无人机,广泛应用

内外研究现状逡逑人机网络首先在本质上就是一种无线网络、同时也是一种移动自组网，因逡逑人机网络通信安全的研究就必然涉及无线网络安全和移动自组网安全，很逡逑学者关于无人机网络安全的研究还是基于移动节点网络模型，如华盛顿ｐｔａ团队的研究ｍ，英国的Ｃｏｎｓｔａｎｔｉｎｉｄｅｓ团队的论文［８］等。这些方案都是从现逡逑线传感器网络（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ邋Ｓｅｎｓｏｒ邋Ｎｅｔｗｏｒｋ，邋ＷＳＮ）或者移动自组网络（Ｍｏｂｉｌｅ逡逑邋Ｎｅｔｗｏｒｋｓ，ＭＡＮＥＴ）中寻找到灵感，在原有理论基础上进行了进一步的研逡逑信息理论安全角度着手的密钥管理方案也有不少，如近些年发表的数篇论逡逑］等，都在相关领域做了不少工作。总体上看，现有密钥管理方案从密钥建逡逑的不同可分为密钥分配和密钥协商两种主要方式。逡逑

分组通信,无人机

话密钥管理（Ｇｒｏｕｐ邋Ｋｅｙ邋Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，ＧＫＭ）是安全组通信的基网络中的组成员之间如何产生、分配和更新密钥［２５］。最初的ＧＫＭ网络，方案需要的资源开销很高，对通信链路稳定性要求也很高。无线网络环境存在很多不稳定因素，有时合法组成员可能无法收此，过去的处理思路是让组管理者（Ｇｒｏｕｐ邋Ｍａｎａｇｅｒ，邋ＧＭ）重新发送消小规模网络是可行的，然而一旦无线网络规模较大，节点数目较方法就会显著增加ＧＭ的处理负担、各项开销和网络的整体能量消次重发消息会带来较大的安全隐患，对于高安全要求领域如国防不可取。逡逑样的背景下，设计出一种无需信息重传且适用于无线网络的组密了各国专家学者的研究重心。２００２年，美国的Ｓｔａｄｄｏｎ等学者首共享主密钥的自愈组密钥分配（Ｓｅｌｆ－ｈｅａｌｉｎｇ邋Ｇｒｏｕｐ邋Ｋｅｙ邋Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔ的思想［２７］。逡逑

随机密钥,会话密钥,分配方案,共享密钥

它们有共享密钥的节点（若借助多个节点即为多跳）来产生会话密钥。而基于安逡逑全阈值的方案主要是在第一个阶段稍有变化，即分配的是对称二项式或者矩阵，逡逑也是用来计算产生会话密钥。因此，密钥预分配方案的一般流程如图２．１所示：逡逑厂开始逡逑ｖ逦逦ｙ逡逑逦邋ｊｆ邋逦逡逑密钥分配逡逑逦邋士逦邋＿逡逑共享密钥发现阶段逡逑＜Ｗ共享密＃、：．逦逡逑＇ＬＡ逦逡逑；通过其他有共享密钥的节逡逑点作为第三方逡逑．产生会话密钥）—逡逑图２．１密钥预分配方案中会话密钥产生的一般流程逡逑基本的随机密钥分配方案存在着以下共有的问题：基于概率论的随机密钥预逡逑１５逡逑

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