无线传感器网络密钥管理技术研究

发布时间：2017-05-14 20:13

  本文关键词：无线传感器网络密钥管理技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：无线传感器网络是由众多传感器节点以自组织形式组成的无线网络,具有能量资源受限、无固定网络支持和拓扑结构动态变化等特点。它的目的是协作地监测、采集和处理目标区域被监测对象的信息,并发布给终端用户。无线传感器网络在信息采集技术领域受到了愈来愈多的重视,同时也容易遭受比一般网络更加频繁和多样的攻击,所以其安全问题也引起了越来越多的关注。密钥管理则成为该领域最为重要的内容,也是其他安全机制的基础。目前,无线传感器网络的密钥管理方案存在的主要问题有：密钥预分配阶段产生的存储消耗以及密钥生成阶段产生的通信和计算开销超出节点的阈值、节点间共享密钥的泄露影响网络的抗毁性、密钥信息随机分配导致节点共享密钥概率不高等。从以上问题出发,本文的目标是设计在降低节点开销的情况下,达到节点共享密钥概率和安全性双重提高的密钥管理方案。本文的主要内容和研究成果可以概括如下：1.提出了一种基于BIBD和Blom多密钥空间的密钥预分配方案针对分布式无线传感器网络节点资源受限的特点与网络可扩展性及安全性之间的矛盾,提出了一种基于BIBD和Blom多密钥空间的密钥预分配方案。该方案采用混合对称BIBD的方法为每个节点分配若干密钥空间,每个节点只需预存储少量密钥空间的信息,就能够以很高的概率与其邻居节点建立共享密钥。新加入的节点只要完成预分配过程便可与网络中已经存在的节点建立安全链接,所以该方案在实现了较高节点共享密钥概率的同时,也改善了网络的可扩展性。2.提出了一种基于BIBD和三元轮换对称多项式的密钥预分配方案为了解决一些在分布式无线传感器网络密钥分配方案中存在的,由于预分配的密钥信息冗余导致节点存储开销过大的问题,本文提出了一种基于BIBD和三元轮换对称多项式的密钥预分配方案。在该方案中,传感器节点利用三元多项式的轮换对称性和Hash函数的单向性产生通信密钥,并且该方案采用混合对称BIBD的分配方法为每个节点分配若干随机数作为三元多项式的参数。这样在后续的密钥更新过程中,基站只需为每个节点重新分配若干随机数,即可改变整个网络的通信密钥。最后的理论和仿真分析也说明,该方案不仅降低了节点的存储开销,也达到了较高的节点共享密钥概率,并改善了网络的安全性。3.提出了一种基于中国剩余定理和三元可转化多项式的密钥管理方案针对分簇式无线传感器网络中存在的存储开销与节点共享密钥概率之间的矛盾,本文提出了一种基于中国剩余定理和三元可转化多项式的密钥管理方案。该方案中,由基站根据中国剩余定理为簇内节点分配必要的密钥信息,簇内节点只需做两次取模运算、一次异或运算和一次Hash运算即可得到其通信密钥,极大地降低了簇内节点的计算开销。簇头节点之间的密钥则根据三元可转化多项式和Hash函数得到。这样该方案就实现了全连通的无线传感器网络。另外根据后续的分析可知,该方案很好地解决了节点共享密钥概率与节点能耗之间的矛盾,并且改善了网络的安全性。
【关键词】：无线传感器网络 密钥分配 密钥空间 多项式 中国剩余定理
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN918.4;TP212.9
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 研究背景11-12
• 1.2 无线传感器网络结构特点12-14
• 1.2.1 网络的生成12-13
• 1.2.2 网络的体系结构13
• 1.2.3 网络的特点13-14
• 1.3 国内外研究现状14-16
• 1.4 论文的主要工作16
• 1.5 论文结构安排16-19
• 第二章 无线传感器网络概述19-33
• 2.1 无线传感器网络的安全19-21
• 2.1.1 安全特性19-20
• 2.1.2 安全目标20
• 2.1.3 主要攻击20-21
• 2.2 密钥管理方案分类21-22
• 2.3 典型密钥管理方案22-31
• 2.3.1 EG方案23-25
• 2.3.2 Blom方案25-27
• 2.3.3 基于组合设计的密钥分配方案27
• 2.3.4 基于地理位置的密钥管理方案27-29
• 2.3.5 分簇式的密钥管理方案29-31
• 2.4 本章小结31-33
• 第三章 分布式无线传感器网络密钥预分配方案33-55
• 3.1 引言33-34
• 3.2 平衡不完全区组设计34-36
• 3.2.1 对称BIBD34
• 3.2.2 互补设计34-35
• 3.2.3 构造方法35-36
• 3.3 基于BIBD和Blom多密钥空间的密钥预分配方案36-45
• 3.3.1 网络模型及符号说明36
• 3.3.2 方案实现36-39
• 3.3.3 性能分析39-45
• 3.4 基于BIBD和三元轮换对称多项式的密钥预分配方案45-53
• 3.4.1 方案背景45-46
• 3.4.2 方案实现46-49
• 3.4.3 性能分析49-53
• 3.5 本章小结53-55
• 第四章 分簇式无线传感器网络密钥预分配方案55-69
• 4.1 引言55-56
• 4.2 研究背景56-57
• 4.2.1 中国剩余定理56-57
• 4.2.2 三元可转化多项式57
• 4.3 网络模型57-58
• 4.4 方案实现58-64
• 4.4.1 成簇阶段59
• 4.4.2 簇内节点密钥预分配阶段59-61
• 4.4.3 簇头间密钥预分配阶段61
• 4.4.4 簇内密钥生成阶段61-62
• 4.4.5 簇间密钥生成阶段62-63
• 4.4.6 密钥擦除阶段63
• 4.4.7 网络更新阶段63-64
• 4.5 性能分析64-67
• 4.5.1 网络连通率64
• 4.5.2 计算开销64-65
• 4.5.3 存储开销65-66
• 4.5.4 安全性66-67
• 4.6 本章小结67-69
• 第五章 结束语69-71
• 5.1 本文主要工作69-70
• 5.2 展望70-71
• 致谢71-73
• 参考文献73-77
• 硕士期间科研成果77

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本文编号：366141