无线传感器网络中密钥分配方案设计与研究

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1、上海交通大学硕士学位论文无线传感器网络中密钥分配方案设计与研究学院班学校：上海交通大学系：电子信息与电气工程学院级：B0703391号：1070339033硕士姓名：徐巧娟学科专业：计算机系统结构研究方向：无线传感器网络安全导师：陈克非教授上海交通大学电子信息与电气工程学院2010年1月ADissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheMasterDegreeTHEDESIGNANDANALYSISOFKEYDISTRIBUTIONSCHEMESINW

2、IRELESSSENSORNETWORKSAuthor:QiaojuanXuSpecialty:ComputerSystemArchitectureAdvisor:Prof.KefeiChenSchoolofElectronicsandElectricEngineeringShanghaiJiaoTongUniversityShanghai,P.R.ChinaJanuary,2010无线传感器网络中密钥分配方案设计与研究摘要无线传感器网络(以下简称WSNs)集成了无线通信技术、传感技术、计算机技术等三大技术，被认为是

3、21世纪最重要的新技术之一。WSNs由大量廉价微型传感器节点自组织而成，具有低功耗、低存储、低计算能力等特点；已被广泛应用于军事、环境、医疗卫生等领域中。随着其应用的深入，安全问题变得越来越重要。其中，密钥管理为数据的安全传输提供了基础服务，是实现数据加密、节点身份认证的前提。本文的主要任务是分析现有各密钥管理方案的安全性和计算量等关键方面，并在此基础上提出改进方案。其中包括以下三部分：一、分析基于LU矩阵的对密钥预分配方案的弱点，其中包括节点间的信息量分配不均、U矩阵的完全公开、系统规模扩大对效率的影响大等，利用随

4、机分配方案的特点，提出基于LU矩阵空间的随机对密钥预分配方案；分析表明改进的方案在保证系统连通性的同时也提高了安全性和存储计算等方面的性能；二、深入理解多项式组密钥协商方案和WSNs中组的特点，由于多项式组密钥方案只考虑组规模一致的情况，即没有考虑组的规模和多项式未知项大小不一致的情况，不能满足IWSNs中某个稳定组的密钥新鲜性的要求，不支持网络动态变化造成的组内节点退出和新节点加入时组密钥的建立，也不支持两个相邻组的合并等，但其思想简单、计算量小，合理设置参数和其中的协商协议必能使之被应用于WSNs中；基于此，本文

5、提出WSNs中的组密钥协商方案，该方案考虑到以上各方面的要求，给出了组动态变化时组密钥的建立过程，并对其有效性和安全性加以分析；三、由于随机分配方案、对称矩阵方案、对称多项式方案是WSNs中最基础的三种对密钥预分配方案，本文对其所需的存储量、协商过程中产生的传输量、计算量等关键量加以比较，并在SunSPOT节点上进行测试，结果可作为参考；同时给出各种主要的密码学算法包括哈希算法、对称加密算法、公钥加密算法等在SunSPOT节点上的执行时间。关键字：无线传感器网络，对密钥预分配，组密钥协商，LU矩阵，多项式协商IITh

6、eDesignandAnalysisofKeyDistributionSchemesinWirelessSensorNetworksABSTRACTWirelessSensorNetworks(WSNs)whichintegratewirelesscommunicationtechnology,sensingtechnologyandcomputertechnologyareconsideredasoneofthemostimportanttechnologiesinthe21thcentury.WSNsareorg

7、anizedbyalargenumberofmicro-sensornodeswhichhavefeatureslikeself-organization,lowpower,lowstoragecapacity,lowcomputationetc,andhadbeenwidelyusedinmilitary,environmentalmonitoring,medicalandhealthfield.Becauseofthewiderapplication,securitybecomesmoreandmoreimpor

8、tant.Thekeymanagementwhichprovidesinformationencryptionandnodesauthenticationisespeciallycrucial.Themaintaskofthisarticleisanalysisofschemeswhichhadbeenproposedanddesignthei