基于无线传感器网络的加密算法设计与实现

发布时间：2017-08-30 23:20

  本文关键词：基于无线传感器网络的加密算法设计与实现

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【摘要】：无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)受目前技术所限,存在着电量有限、计算能力弱、通信能力差、易受攻击等问题,而目前已有的加密方法在应用到WSN时均无法有效解决以上问题。针对此情况,本论文根据WSN的特点设计了两种加密算法,两种算法分别适合于对安全性要求不同的WSN布网环境。首先,基于身份的加密(IBE)可以有效简化密钥的产生过程,减少了网络通讯量的同时提升了网络的安全性。本文以基于身份的加密思想为基础,针对WSN设计了一种新体制的无线传感器网络基于身份加密(WIBE)算法。WIBE加密算法避免了传统IBE算法运算过于复杂的问题,同时针对WSN实际运行时存在的不足,在能耗、通信性能、安全性等方面做了针对性的改进。实际布网实验和仿真实验的结果表明,WIBE算法具有能耗较低、安全性高的特点,适合应用在对安全性有较高要求的WSN布网环境。其次,组合公钥(CPK)加密算法在应用到WSN时存在密钥易被窃听、密钥矩阵使用时存在合谋攻击等问题。本文对CPK算法进行了重新设计,提出了无线传感器网络基于组合公钥加密(WCPK)算法。WCPK加密算法具有低能耗的特征。同时WCPK算法改进了CPK算法密钥矩阵的生成和使用过程,提升了密钥矩阵使用的安全性,并能有效抵御密钥窃听攻击。实际布网实验和仿真实验的结果表明,WCPK算法可以在有效降低WSN能耗的同时提供较高的安全性,是一种轻量级加密算法,适合应用于对安全性要求不高、但对布网时间有较高要求的普通WSN布网环境。
【关键词】：无线传感器网络 加密 基于身份加密 基于组合公钥加密
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212.9;TN918.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-18
• 1.1 课题来源9
• 1.2 背景和意义9
• 1.3 国内外研究现状及分析9-16
• 1.3.1 现有加密方法概述10-12
• 1.3.2 现有加密方法应用到WSN时的问题12
• 1.3.3 国内外对现有加密算法改进的研究情况12-16
• 1.4 本文研究内容及组织结构16-18
• 第2章 适用于WSN的加密算法的分析18-26
• 2.1 CC2530节点硬件特点和相关协议规范18-21
• 2.1.1 CPU18-19
• 2.1.2 内存19
• 2.1.3 通信能力19-20
• 2.1.4 网络拓扑结构20-21
• 2.1.5 自带的AES加密21
• 2.1.6 路由协议21
• 2.2 当前无线传感器网络的特点21-24
• 2.3 针对无线传感器网络的加密算法的要求24
• 2.4 应用于不同安全环境的加密算法24-25
• 2.5 本章小结25-26
• 第3章 无线传感器网络基于身份加密26-53
• 3.1 现有的IBE加密算法26-29
• 3.1.1 IBE加密的产生背景26
• 3.1.2 现有的IBE加密算法的算法流程26-28
• 3.1.3 现有的IBE算法模型28-29
• 3.2 WIBE加密算法29-35
• 3.2.1 WIBE算法模型框架29-30
• 3.2.2 WIBE算法在椭圆曲线有限域上的实现30-33
• 3.2.3 WIBE算法框架在乘法有限域上的实现33-34
• 3.2.4 WIBE算法的设计特点34-35
• 3.3 WIBE加密系统在真实WSN节点上的实现35-42
• 3.3.1 加密模块设计35-38
• 3.3.2 认证模块设计38-40
• 3.3.3 通信处理模块设计40-41
• 3.3.4 WIBE网络拓扑的说明41-42
• 3.4 系统整体实验与性能分析42-52
• 3.4.1 实际布网实验与仿真实验的设置42-44
• 3.4.2 能量消耗测试44-46
• 3.4.3 通信性能测试46-49
• 3.4.4 恶意节点攻击测试49-52
• 3.5 本章小结52-53
• 第4章 无线传感器网络基于组合公钥加密53-75
• 4.1 现有的CPK加密算法53-55
• 4.1.1 CPK加密算法原理53-54
• 4.1.2 CPK加密算法的特点与演进54-55
• 4.2 WCPK加密算法55-60
• 4.2.1 WCPK算法原理56-59
• 4.2.2 WCPK算法的设计特点59-60
• 4.3 WCPK加密系统在真实WSN节点上的实现60-67
• 4.3.1 初始化模块设计60-63
• 4.3.2 认证模块设计63-67
• 4.4 系统整体实验与性能分析67-73
• 4.4.1 实际布网实验与仿真实验的设置67-68
• 4.4.2 能量消耗测试68-69
• 4.4.3 通信性能测试69-71
• 4.4.4 恶意节点攻击测试71-73
• 4.5 本章小结73-75
• 第5章 加密系统的设计和实现75-83
• 5.1 系统整体设计75-77
• 5.2 服务器管理模块的设计和实现77-80
• 5.2.1 数据管理模块77-79
• 5.2.2 WSN管理模块79-80
• 5.3 系统实际布网和运行80-82
• 5.4 本章小结82-83
• 结论83-85
• 参考文献85-90
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果90-92
• 致谢92

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本文编号：762072