物联网数据安全传输相关问题研究

发布时间：2020-05-10 11:29

【摘要】：物联网(Internet of Things,IoT)通过无所不在的无线网络将大量的电子设备连接到互联网,实现实际生活中物与物、物与人之间的互联互通,将物理世界转换成数字化的计算机数据系统。物联网在受到全球关注的同时也同样承受着来自全球的安全威胁和攻击。为了进一步推动物联网技术的发展和落地,确保物联网技术的安全性无疑是减少用户后顾之忧的重要及基础保证。为了保护物联网数据的隐私与安全,需要同时实现数据包内容和数据流特征的隐匿,并确保网络的可用性,防止网络中恶意节点的攻击造成网络的不可用。本论文正是在这样的研究背景下,研究物联网环境下的位置隐私保护和数据安全传输相关问题,实现数据流隐匿和数据传输中的机密性、完整性、不可否认性和可用性的保护。同时基于物联网无线自组织网络特性构建了马尔科夫模型,用于分析物联网中数据安全传输机制的网络性能,为不同的网络环境中选择合适的安全传输协议以及协议参数提供可量化的标准。本文的主要贡献包括:(1)以往的源位置隐私保护方案在数据传输过程中隐匿数据包内容和数据流特性,中间节点很难对数据包完整性进行验证,数据包污染攻击会降低网络性能。本文针对物联网中的源位置隐私问题提出了一种基于密钥预分发的源位置隐私保护改进方案,在传输过程中过滤出污染信息和虚拟信息,以减少无意义消息的传输,在保护源位置隐私的同时,只有真实数据包会在网络中继续转发,提高网络可用性。(2)本文提出了一种用于无线移动物联网的安全数据加密传输协议,与以往的基于密钥预分发的数据加密协议相比,该协议摒弃了以往方案中的握手过程,以自适应的方式传输加密消息,减少了安全通信负载,一旦接收节点存储有匹配的密钥即可立即解密数据。此外本文还构建了一个三维(3D)马尔科夫模型用于分析无线通信碰撞和密钥预分发机制对网络加密数据传输性能的影响。仿真结果验证了所提的三维马尔可夫链模型的准确性,且三维马尔可夫链模型还可以对协议中参数的选择提供有效的参考区间。(3)本文结合了碰撞退避和密钥选择提出了一种适用于快速拓扑变化的移动分布式物联网的协作认证协议。为了提高认证效率,认证协议设计在尝试不同密钥的同时,将以往无冲突但未经认证的消息与当前新的消息在一起生成新消息组合,对新消息组合生成认证信息。一旦密钥匹配,未认证的消息和新消息就可以同时被验证。通过这样的方式,认证的通信开销可以减少到与所尝试的密钥数量无关,解决了数据安全加密传输协议里因密钥失败增加的传输通信开销。同时,本文提出了另一种三维(3D)马尔科夫模型来刻画认证协议中节点间非协调传输和密钥选择之间的交互过程,三维模型中将以往状态中未认证的数据包传递到后续的状态中,提供了认证成功率,延迟和吞吐量的闭式表达式。(4)本文提出了一种通用的四维(4D)马尔可夫模型,用于量化链路持续时间对数据认证协议的影响,同时捕捉在有限的链路持续时间中的数据包协同认证过程。其中前三个维度模拟了一个认证周期,第四维可用于刻画周期之间的未认证消息的传递。本文还提出了物联网中三种不同的动态认证和信道接入耦合程度的跨层数据认证协议,通过仿真验证,所提出的模型是通用有效的并且能够刻画本章所提出的三种不同程度的跨层设计的认证协议,且本文所提的动态数据认证协议与以往的认证协议相比提高了网络性能,其中紧密耦合动态认证和信道接入的协议设计是释放动态认证协议潜力的关键。
【图文】：

本文主要围绕研究物联网环境中数据安全传输相关问题，旨在提供确保数据机逡逑密性、完整性、隐私性和可用性的安全传输机制。针对现有工作的不足，本文的组逡逑织结构如图１－３所示，图中展示了各个章节的相互关系。具体分析如下：逡逑物联网数据安全传输相关问题逡逑（第一章绪论）逡逑逦邋＾逦逦邋＾邋广逦、逡逑？位置隐私保护第二章）逦、逡逑．．．NB＇．．．．．．逦：邋邋逦．．．．．．＇人、安令丨逦路径隐藏逡逑？Ｋ邋［逦数据机密性保护逦＼逦［（逦Ｅ自＾逦％邋Ａ逡逑ｙ＼邋丨（第三章动态数据安全传输协议）逡逑ｖ逦＿邋＿邋壚邋ｗ藤＿邋■＝，逡逑：（第四章机态数据认证；￣５；ｉｉ７一、逡逑＾逦＾逦数据完整性逡逑＼邋拓邋ｙ邋；逦ｒ——逦邋Ｕ逦逦ＪＪ逡逑ｖ邋／逦丨（第五章动态拓扑下跨层数据逦＼逦７逡逑一，＇逦＼逦认证协议）逦／逦Ｖ邋研宄目标邋Ｊ逡逑网络特点逦Ｖ．逦邋Ｖ逦逦逡逑厂逦￣逦一邋：邋■邋＂７＊逦一—■ｘ邋￣￣逦：逦－逦：逦－邋￣￣－邋＼逡逑物联网数据传输安全研究总结与展望逡逑｛第六章）逡逑＇逦．．．．．．．．．．邋．．．．．邋．邋？逡逑图１－３邋论文组织与结构逡逑本文第一章为绪论，首先介绍了本文的研究背景和研究必要性，简要概述了以逡逑往的研究工作并指出了以往研究工作的不足，阐述了本文中研究的主要内容和面临

第二章基于密钥预分发的抗污染源节点位置隐私表２－２逦源节点位置隐私性能分析与仿真验证参数逡逑参数逦取值范围逡逑仿真范围逦１１００ｍ邋ｘ邋２００ｗ逡逑节点数量逦２０逡逑内部攻击者比例逦丨０，０．３ｊ逡逑传输范围逦ｌ00ｍ逡逑认证概率逦＝邋0．１，，0．２，０．３逡逑发送能耗逦０．６逡逑计算能耗逦０．０１逡逑实数据包的传播速率。逡逑；逦１逦ｉ逦ｉ逦！逡逑ＣｏｎｓｔＲａｔｅ邋—￣逡逑
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP391.44;TN929.5;TP309

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