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分簇无线传感器网络中动态密钥管理方案的研究

作　者: 胡佳
导　师: 白恩健
学　校: 东华大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 无线传感器网络密钥管理分簇结构门限秘密共享椭圆曲线密码体制
分类号: TN918.82
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

无线传感器网络以其低成本、多功能及特殊的应用环境,自问世以来,受到了各领域的广泛关注。它的出现和发展,不仅影响了现代科学技术,同时改变了人们的生活和观念。随着无线传感器网络各项技术和应用条件的日趋成熟,其安全问题也越来越受到人们的重视,而密钥管理方案的研究便是其中一个重要的方面。由于传感器节点自身低功耗、低存储、低计算能力等的限制和网络应用的特殊环境,传统的密钥管理方案无法直接运用到无线传感器网络中。因此,设计出能够满足无线传感器网络各种需求的密钥管理方案,对其进一步的发展有着极为重要而深远的意义。本文首先介绍了无线传感器网络目前所面临的安全问题及需求,总结了现有的典型无线传感器网络的密钥管理方案,并将这些方案的优缺点及性能进行了讨论分析。然后,根据这些方案的不足,针对无线传感器网络的特性和安全需求,本文提出了一种新的基于分簇的动态密钥管理方案——KMSS方案。该方案结合了分簇网络结构和动态密钥管理的特点,将网络分成若干簇并提供密钥定期更新机制,减小节点各部分的能量消耗,延长网络寿命,同时满足了无线传感器网络的可扩展性。另一方面,本文将网络中的通信密钥分成簇内会话密钥和主密钥两种。普通节点之间的会话密钥通过预置的单向函数来生成,加强了节点的抗俘获性,而簇头节点与基站之间的主密钥则利用门限秘密共享机制,将主密钥分成n个子密钥分发给各个簇头,单个簇头节点的失效只能泄露其子密钥,提高了网络的安全性。最后,经过分析与比较,该方案能够有效地降低节点的计算、存储开销和网络的通信开销,增强抗俘获性,能够抵御外部的各种攻击,也很好地满足了网络的可扩展性要求。最后,在KMSS方案原有的模型上,提出了一种基于椭圆曲线密码体制的密钥管理方案·——KMSE方案,并针对其各方面性能进行了分析。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
1 绪论  11-22
  1.1 研究背景及意义  11-12
  1.2 无线传感器网络概述  12-17
    1.2.1 无线传感器网络的结构  12-14
    1.2.2 无线传感器网络的特点  14-15
    1.2.3 无线传感器网络的应用  15-16
    1.2.4 无线传感器网络的关键技术  16-17
  1.3 无线传感器网络安全概述  17-20
    1.3.1 无线传感器网络面临的安全问题  17-19
    1.3.2 无线传感器网络的安全需求  19-20
  1.4 论文的研究内容及结构安排  20-21
  1.5 本章小结  21-22
2 无线传感器网络密钥管理方案研究现状  22-35
  2.1 密钥管理方案评价指标  22-23
  2.2 密钥管理方案的研究现状及分类  23-24
  2.3 基本的密钥管理方案  24-27
    2.3.1 E-G密钥管理方案  24-25
    2.3.2 q-composite方案  25-26
    2.3.3 基于多项式的密钥预分配方案  26
    2.3.4 基于矩阵的密钥预分配方案  26-27
  2.4 基于层簇式的密钥管理方案  27-28
    2.4.1 逻辑密钥树型方案  27-28
    2.4.2 基于层次网络的密钥预分配方案  28
  2.5 LEAP协议  28-29
  2.6 公钥密码体制管理方案  29-30
    2.6.1 椭圆曲线密码体制  29-30
    2.6.2 基于身份的密钥管理方案  30
  2.7 其它密钥管理方案  30-32
    2.7.1 基于地理位置信息的密钥管理方案  30-31
    2.7.2 多路密钥增强模型  31
    2.7.3 EBS密钥管理系统  31-32
  2.8 典型密钥管理方案的比较  32-34
  2.9 本章小结  34-35
3 一种基于分簇的动态密钥管理方案——KMSS方案  35-47
  3.1 预备知识  35-38
    3.1.1 单向函数  35-36
    3.1.2 LEACH分簇协议  36-37
    3.1.3 门限秘密共享  37-38
  3.2 具体方案描述  38-43
    3.2.1 系统模型  38-40
    3.2.2 网络初始化  40-41
    3.2.3 密钥建立过程  41-43
  3.3 密钥更新机制  43-46
    3.3.1 定期更新密钥  43-44
    3.3.2 节点的加入  44-45
    3.3.3 节点的退出  45
    3.3.4 更换簇头  45-46
  3.4 本章小结  46-47
4 方案性能分析与比较  47-63
  4.1 安全性分析  47-48
  4.2 节点抗俘获性分析  48-54
    4.2.1 普通节点被俘获时  49-50
    4.2.2 簇头节点被捕获时  50-54
  4.3 性能分析  54-62
    4.3.1 节点能耗模型  54-55
    4.3.2 计算及存储开销分析  55-57
    4.3.3 通信能耗分析  57-60
    4.3.4 加密算法的能耗测试  60-62
  4.4 本章小结  62-63
5 基于椭圆曲线的密钥管理方案——KMSE方案  63-70
  5.1 椭圆曲线密码体制  63-64
  5.2 具体方案描述  64-68
    5.2.1 系统模型及网络初始化  64-65
    5.2.2 密钥建立过程  65-67
    5.2.3 密钥更新过程  67-68
  5.3 性能分析  68-69
    5.3.1 安全性分析  68
    5.3.2 存储开销分析  68-69
    5.3.3 计算开销分析  69
  5.4 本章小结  69-70
6 总结及展望  70-72
  6.1 全文总结  70-71
  6.2 工作展望  71-72
参考文献  72-76
致谢  76-77
读研期间发表的学术论文  77

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