无线传感器网络密钥分配协议的分析与设计

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1、南京航空航天大学硕士学位论文第一章绪论1.1课题的背景和意义[1]1988年，MarkWeiser提出了普适计算的思想。这一思想大大促进了计算、通信和传感器三项技术的融合。随着各项技术的飞速发展和日益成熟，使得大量低成本的微型传感器节点通过无线链路组成无线传感器网络（WirelessSensorNetworks，WSN）的设想成为现实。无线传感器网络是一种新型无线自组织网络，通过大量节点共同协作，能够实时采集网络中各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行汇聚和融合，最后传送给有需要的用户。无线传感器网络使人们在任何时间、任何地点都可以实时地获取大量详实、可靠的信

2、息。因此，无线传感器网络可以广泛地应用于军事、医疗、环境科学、空间探索等众多领域。在未来，无[2]线传感器网络将会发挥更重要的作用。无线传感器网络是信息感知和采集的一场革命，将给人类的生活和生产带来深远影响。无线传感器网络将信息世界与物理世界融合在一起，丰富了信息的交互方式，极大地扩展了网络的功能，增强了人类认识世界的能力。因此，美国《技术评论》杂志将无线传感器网络列为未来十大新兴技术之首，美国《商业周刊》杂志将无线传感器网络列为全球未来的四大高技术产[3]业之一，将掀起新的产业浪潮。毫无疑问，无线传感器网络的广泛应用将会为人类社会的发展创造巨大价值。因此，无线传

3、感器网络也成为了国际竞争的焦点，已经引起了学术界和工业界的广泛关注。美国自然科学基金委员会2003年制定了传感器网络研究计划；美国国防部设立了一系列军事传感器网络研究项目；其它国家也纷纷展开该领域的研究工作；我国也十分重视无线传感器网络的研究，将其作为一个全新的研究领域，提出了大量具有挑战性的研究课题。无线传感器网络已经成为一个十分重要的研究领域。1.2研究目标和研究内容正是在上述背景下，本论文展开了对无线传感器网络的研究。无线传感器网络研究涵盖了网络协议和安全问题等众多方面。其中安全问题作为无线传感器网络设计的关键，一直是无线传感器网络研究的热点。然而传感器节点

4、自身存在着各种资源限制，如何在这些因素的制约下，设计有效的安全机制以提供机密性和身份认证功能，防止恶意攻击，为传感器网络创造安全的工作环境，这是一个关键性问题，关系到传感器网络能否真正走向实用。这其中涉及到的安全技术包括安全路由、身份认证、访问控制、密钥管理等诸多方面，其中密钥管理是最基本的问题，也是解决其他安全问题的关键。密钥管理最核心的问题就是安全密钥的建立过程，也是所有安全服务的基础。近年来已经1无线传感器网络密钥分配协议的分析与设计有多种密钥管理方案被提出，这些方案主要基于三种模型：密钥分发中心（KeyDistributionCenter，KDC）模型、自

5、增强模型以及预先分配模型。KDC模型在密钥建立过程中需要大量的通讯操作，而且过于依赖KDC节点，对KDC节点的各种攻击都将影响其安全性；自增强模型使用非对称密码，这对计算能力和存储能力都非常有限的传感器节点而言是一个巨大的挑战；预先分配模型在系统部署前完成了绝大部分的安全基础的建立，系统运行后的协商工作只需要很简单的协议，比较适合安全体系建立。因此，近年相关研究主要集中在预先分配模型。现有基于预先分配模型的密钥管理方案最主要的缺陷是：由于节点中存储密钥信息，当节点被捕获时，攻击者能够获取其中的密钥信息，这部分泄露的密钥信息对网络中正常节点之间的安全通信造成了威胁。

6、一个理想的方案在部分节点被俘获后，其它正常节点之间的安全通信完全不受影响。因此本文的研究目标是：采用理论分析和仿真试验相结合的方法，分析研究无线传感器网络以及其应用的特性，对现有基于预先分配的密钥管理方案进行深入而系统地研究，进而设计出安全高效的密钥管理方案，并进行实验论证。具体研究内容如下：对于大规模无线传感器网络性能评价，仿真平台具有重要的意义。本文在分析现有仿真平台优缺点的基础上，针对无线传感器网络以数据为中心的特点，设计了一个无线传感器网络仿[4][5][6]真平台（WirelessSensorNetworkSimulationPlatform，WSNSi

7、m），该仿真平台基于面向对象技术，具有模块化和层次化的体系结构，核心采用C++设计和实现，能够完美地实现各种网络协议和密钥管理方案的仿真。随后使用经典密钥管理方案对系统进行了测试与论证，实验表明，WSNSim平台不仅具有简单的操作和良好的执行效率，而且仿真结果与理论值完美吻合，具有重要的研究价值和实用价值。对于无线传感器网络安全，本文着重研究了无线传感器网络的密钥管理问题，深入分析无线传感器网络的特性，基于本文设计的WSNSim仿真平台，对现有基于预先分配模型的四个典型密钥管理方案，深入分析和比较了它们的安全连通性、抗节点俘获能力、安全认证、网络扩展性和动态性等指

8、标。在对现