高效能无线传感器网络安全数据融合协议

发布时间：2017-03-29 11:03

  本文关键词：高效能无线传感器网络安全数据融合协议，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：无线传感器网络是物联网感知层的重要组成部分,通过部署大量分布式传感器节点组成自组织网络,可以对监测区域的环境数据进行感知、传输和处理。由于传感器节点通常被部署在人类难以接近的恶劣甚至被敌方控制的远程环境中,节点的能量难以得到补充,因此如何降低能耗、延长网络寿命是无线传感器网络需要解决的关键问题。数据融合通过对传感器节点收集到的信息进行网内处理,可以消除冗余信息,减少数据传输量,从而有效降低网络能耗、延长无线传感器网络生命周期。由于无线传感器网络节点部署环境的特殊性,在一些军事应用中,数据的安全性得不到保障将导致机密数据泄露给攻击者或者基站接收到伪造的消息。通过加密和认证等密码学方法可以在一定程度上保证数据的机密性、完整性和可用性,但这样会带来额外的计算和通信开销。在设计安全数据融合协议时必须在不牺牲安全性的同时提高数据融合的效率,这是一个极富挑战性的研究工作。目前研究者针对无线传感器网络数据融合提出了一系列协议,这些协议大部分只能提供单一的数据机密性保护或者完整性保护。虽然一些文献声称其提出的协议能够同时保证数据的机密性和完整性,但是这些方案仍然存在一些问题。本文基于现有的研究工作提出了ECIPAP高效能安全数据融合协议,该协议使用一种轻量级的同态加密算法对数据进行加密,在保证数据机密性的同时也避免了复杂计算造成的网络延迟和较高的能量开销。通过结果检测机制,无线传感器网络中的每一个节点都能验证其数据是否被加入到了最终的融合结果中,从而保证数据的完整性。在此基础上,我们对ECIPAP协议进行了安全性分析、性能理论分析和基于SimpleWSN物理节点的实验验证。通过安全性分析和性能理论对比分析我们说明本文提出的协议可以在保证数据机密性和完整性的同时极大减少了通信开销,有效延长了网络寿命。同时我们在物理节点上对ECIPAP协议进行编程实现,将节点部署在监控区域进行数据采集,之后通过实验结果分析该协议的实际部署运行情况。理论和实验分析表明,ECIPAP具有较为理想的安全性、高效性和可行性。最后本文分析了无线传感器网络安全数据融合研究领域仍然存在的问题、面临的挑战以及未来的研究方向。
【关键词】：无线传感器网络 数据融合 机密性 完整性 TinyOS
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP212.9;TN915.08;TP202
【目录】：

• 摘要5-6
• abstract6-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 研究背景11-12
• 1.2 研究意义12-13
• 1.3 研究现状13-18
• 1.3.1 无线传感器网络安全数据融合完整性研究13-15
• 1.3.2 无线传感器网络安全数据融合机密性研究15-16
• 1.3.3 同时保护完整性和机密性的安全数据融合研究16-18
• 1.4 研究内容及贡献18
• 1.5 文章组织结构18-19
• 第2章 无线传感器网络安全数据融合理论基础19-29
• 2.1 网络模型19-23
• 2.1.1 无线传感器网络拓扑结构19-21
• 2.1.2 网络组成21-22
• 2.1.3 数据汇报方式22
• 2.1.4 融合函数22-23
• 2.2 安全需求23-25
• 2.2.1 数据完整性23
• 2.2.2 数据机密性23-24
• 2.2.3 数据源认证24
• 2.2.4 数据可用性24-25
• 2.3 敌手模型25-26
• 2.3.1 敌手攻击能力25
• 2.3.2 常见攻击方法25-26
• 2.4 相关密码学算法26-28
• 2.4.1 适用于无线传感器网络的对称加密算法26-27
• 2.4.2 适用于无线传感器网络的公钥加密算法27
• 2.4.3 哈希函数及消息认证码27-28
• 2.5 本章小结28-29
• 第3章 高效能安全数据融合协议ECIPAP29-39
• 3.1 方案概述29
• 3.2 系统模型29-32
• 3.2.1 假设条件29-30
• 3.2.2 问题定义30-31
• 3.2.3 攻击模型31-32
• 3.3 协议描述32-36
• 3.3.1 网络部署阶段32-33
• 3.3.2 查询分发阶段33
• 3.3.3 数据融合阶段33-35
• 3.3.4 结果验证阶段35-36
• 3.4 协议分析36-38
• 3.4.1 安全性分析36-37
• 3.4.2 性能理论分析37-38
• 3.5 本章小结38-39
• 第4章 平台实验及结果分析39-53
• 4.1 实验平台39-45
• 4.1.1 Simple WSN传感器节点40-42
• 4.1.2 Tiny OS传感器节点操作系统42-45
• 4.2 协议编程详细设计45-47
• 4.2.1 数据包格式和实验参数45-46
• 4.2.2 功能和流程46-47
• 4.3 实验过程47-51
• 4.4 结果分析51-52
• 4.5 本章小结52-53
• 第5章 研究总结及展望53-56
• 结论56-57
• 参考文献57-62
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单62-64
• 致谢64

【共引文献】

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本文编号：274304