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无线传感器网络安全数据传输关键技术研究

作　者: 夏戈明
导　师: 王志英
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: 无线传感器网络密钥预分发共享密钥发现多路径密钥传输数据传输可靠性组合设计秘密共享纠错编码
分类号: TP212.9
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

随着相关技术的不断成熟,无线传感器网络在诸多应用领域得到了越来越多的实际部署,表现出广阔的应用前景和巨大的发展潜力。无线传感器网络是一个多学科高度交叉的新兴研究领域,涉及了多项前沿理论和先进技术,有着重要的科学研究意义。由于开放环境、公共信道和分布式控制等特征,无线传感器网络面临比传统网络更大的安全威胁,其安全技术的研究面临更高的难度。本文研究的安全数据传输就是其中一个关键性和富于挑战性的研究问题。本文针对无线传感器网络的安全数据传输关键技术进行深入研究,主要的工作包括:提出了基于对称平衡不完全区组设计的密钥预分发算法。实现了节点间能够共享多个密钥而且网络密钥共享图为完全图的安全连通;在相同密钥组长度和共享密钥个数的前提下,具有比其他方案更高的密钥共享概率。基于补集设计的扩展算法实现了对节点数连续性增长的支持,并较完善地解决了其他方案在解决此问题时产生的密钥共享概率损失问题;采用密钥分片的扩展算法在密钥组物理长度不变的前提下,以较大线性倍数增大了可支持的节点数,并以排列计数倍数扩大了共享密钥选择空间,大大提高了抗密钥分析攻击和抗妥协节点攻击的能力。提出了基于密钥组索引向量掩码的共享密钥发现算法。使用密钥组索引向量掩码代替密钥组ID列表进行公共密钥判别,降低了节点的计算复杂度和存储开销,并优化了在多跳路径上进行共享密钥发现的通信开销。面向安全增强提出了提高共享密钥强度和面向多共享密钥的扩展算法,实现了在共享密钥选择空间上进行密钥选取的较大随机性,能为节点对生成多个独立的共享密钥,并在算法中提供了安全与性能的权衡机制。提出了通信总量优化的多路径秘密共享密钥传输算法。针对现有基于完善秘密共享算法的多路径密钥传输方案因为完善共享界的存在而无法优化通信总量的问题,采用对初始秘密进行数据分割的方法来实现非完善秘密共享算法;并针对非完善秘密共享算法会带来安全性损失的问题,提出了一种编码算法进行安全提升,将分割后的初始秘密分段进行相互编码得出多路径上的共享份额,在实现通信总量最优化的同时,大大减小了相对于完善秘密共享算法的安全性下降程度。提出了单奇偶校验与多数据副本相结合的纠错编码算法。以较低的编译码计算复杂度实现了能够容忍多路径失效的容错能力,并可以支持多样化和动态变化的数据布局,而且在容错能力和数据传输总量上取得了较好的平衡。针对编码算法的可用性和容忍突发多错误问题,提出了基于广义折对角线的数据布局算法,以较小的计算开销和存储开销实现了数据布局的快速构造,提高了在路径数较大时编码算法的可用性,并显著提高了容错能力尤其是实现了概率性容忍突发大数量路径失效的容错能力。

全文目录

摘要  12-14
ABSTRACT  14-16
第一章绪论  16-28
  1.1 论文的研究背景  16-22
    1.1.1 无线传感器网络概述  16-19
    1.1.2 无线传感器网络研究现状  19-22
  1.2 论文的研究目标  22-25
    1.2.1 无线传感器网络的安全问题  22-23
    1.2.2 无线传感器网络的数据传输问题  23-24
    1.2.3 无线传感器网络安全数据传输的主要研究目标  24-25
  1.3 论文的主要工作与贡献  25-27
  1.4 论文的组织结构  27-28
第二章相关研究综述  28-42
  2.1 无线传感器网络的密钥预分发相关研究  28-33
    2.1.1 问题概述  28-29
    2.1.2 随机密钥预分发方案  29-30
    2.1.3 基于二元对称多项式的密钥预分发方案  30-31
    2.1.4 基于MDS码生成矩阵的密钥预分发方案  31-32
    2.1.5 基于位置或部署信息的密钥预分发方案  32
    2.1.6 基于组合设计的密钥预分发方案  32-33
  2.2 无线传感器网络的密钥传输相关研究  33-38
    2.2.1 问题概述  33-35
    2.2.2 基本的密钥传输方案  35-36
    2.2.3 基于多路径秘密共享的密钥传输方案  36-38
  2.3 无线传感器网络的数据传输可靠性相关研究  38-42
    2.3.1 问题概述  38
    2.3.2 基于重传的方案  38-39
    2.3.3 基于多路径数据镜像的方案  39-40
    2.3.4 基于纠错编码的方案  40-42
第三章基于对称平衡不完全区组设计的密钥预分发算法  42-74
  3.1 研究概述  42-47
    3.1.1 问题描述  42-44
    3.1.2 研究目标  44-45
    3.1.3 研究基础  45-47
  3.2 基于区组设计进行密钥预分发算法设计的基本思想  47-49
    3.2.1 密钥预分发算法设计的常用基本概念  47-48
    3.2.2 sBIBD与密钥预分发方案的映射  48-49
  3.3 利用哈达玛矩阵构造区组设计的密钥预分发算法sBIBD_(hadamard)  49-55
    3.3.1 用哈达玛矩阵构造区组设计的方法  49-50
    3.3.2 sBIBD_(hadamard)密钥预分发算法  50-55
  3.4 扩展的sBIBD_(hadamard)密钥预分发算法  55-62
    3.4.1 sBIBD_(hadamard)算法的可扩展性问题  55
    3.4.2 基于补集设计的扩展sBIBD_(hadamard)算法  55-59
    3.4.3 基于密钥分片的扩展sBIBD_(hadamard)算法  59-62
    3.4.4 综合两种扩展方法的扩展sBIBD_(hadamard)算法  62
  3.5 分析与测试  62-71
    3.5.1 对现有评价指标的扩充  62-63
    3.5.2 理论分析  63-70
    3.5.3 模拟实验结果  70-71
  3.6 本章小结  71-74
第四章基于密钥组索引向量掩码的共享密钥发现算法  74-94
  4.1 研究概述  74-76
    4.1.1 问题描述  74-75
    4.1.2 研究目标  75-76
  4.2 基于密钥组索引向量掩码的共享密钥发现算法SKD_(by)Mask  76-81
    4.2.1 算法基本思想  76
    4.2.2 基于区组矩阵的密钥组索引向量掩码构造算法  76-78
    4.2.3 基于密钥组索引向量掩码的共享密钥生成算法  78-81
  4.3 面向安全增强的扩展SKD_(by)Mask算法  81-86
    4.3.1 算法基本思想  81
    4.3.2 提高共享密钥强度的扩展SKD_(by)Mask算法  81-83
    4.3.3 面向多共享密钥发现的扩展SKD_(by)Mask算法  83-86
  4.4 分析与测试  86-93
    4.4.1 理论分析  86-89
    4.4.2 模拟试验结果  89-93
  4.5 本章小结  93-94
第五章通信总量优化的多路径秘密共享密钥传输算法  94-112
  5.1 研究概述  94-97
    5.1.1 问题描述  94-95
    5.1.2 研究目标  95
    5.1.3 研究基础  95-97
  5.2 基于数据编码分割进行通信总量优化的秘密共享算法DPC  97-101
    5.2.1 通信总量优化问题的描述  97-98
    5.2.2 算法基本思想  98-99
    5.2.3 算法设计细节  99-101
  5.3 基于DPC算法的多路径密钥传输协议  101-103
  5.4 分析与测试  103-110
    5.4.1 理论分析  103-109
    5.4.2 模拟实验结果  109-110
  5.5 本章小结  110-112
第六章单奇偶校验与多数据副本相结合的纠错编码算法  112-148
  6.1 研究概述  112-115
    6.1.1 问题描述  112-113
    6.1.2 研究目标  113
    6.1.3 研究基础  113-115
  6.2 单奇偶校验与多数据副本相结合的纠错编码算法SPC  115-122
    6.2.1 设计概要  115-116
    6.2.2 SPC编解码算法  116-120
    6.2.3 SPC编码容错能力的理论证明  120-122
  6.3 基于广义折对角线进行数据布局的SPC_(PBD)编码算法  122-136
    6.3.1 设计概要  122-123
    6.3.2 算法细节  123-129
    6.3.3 SPC_(PBD)编码容错能力的理论证明  129-136
  6.4 分析与测试  136-146
    6.4.1 理论分析  136-143
    6.4.2 模拟实验结果  143-146
  6.5 本章小结  146-148
第七章结束语  148-152
  7.1 本文工作总结  148-150
  7.2 未来研究展望  150-152
致谢  152-154
参考文献  154-163
作者攻读博士学位期间的主要学术成果  163-164
作者攻读博士学位期间的主要科研情况  164

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