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无线传感器网络密钥管理方案研究

作　者: 江琼希
导　师: 周南润
学　校: 南昌大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 无线传感器网络密钥管理密钥预分配公钥密码无证书签密
分类号: TP212.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

无线传感器网络(WSN)是目前国内外前沿热点研究领域,并具有广泛的应用。随着无线传感器网络技术的发展,无线传感器网络各层安全问题备受关注。应用层涉及的安全问题为安全组播和密钥管理,其中密钥管理为WSN底层提供预防和保护机制,为机密性、认证性、完整性、安全管理等WSN安全服务提供密钥支持,是物理层安全编码、数据链路层和网络层加解密的基础。传感器节点能量、信息处理能力以及存储量受限的特点决定WSN通常采取密钥预分配和基于公钥的密钥管理。现有的WSN密钥预分配方案一般不能在连通性、抗毁性、节点开销和扩展性等方面同时取得理想结果。基于公钥的密钥管理方案安全性较高,但节点开销很大,使得WSN生存时间下降。针对无线传感器网络密钥管理存在的连通性差、安全性低、节点开销大等问题,本文主要研究满足多种性能要求的密钥预分配机制和基于公钥的轻量级密钥管理机制,设计无线传感器网络密钥管理方案并对其各种性能进行分析。本文的主要工作如下：提出了两个分簇式传感器网络密钥预分配方案。一是多项式密钥预分配改进方案,通过对二元四次对称多项式进行保密,方案能够抵抗合谋攻击和阈值攻击,认证机制保证簇头节点间信息交换的安全性；一是CRT-LU密钥预分配方案,利用中国剩余定理(CRT)生成簇内节点与簇头节点的通信密钥,利用LU矩阵生成簇头节点之间的通信密钥。结果表明,这两个方案在连通性、抗毁性、节点开销和扩展性方面具有显著优势。提出了基于身份的可证明安全的传感器网络密钥管理方案。节点之间利用身份建立通信密钥。安全性证明利用香农信息理论形式化敌手攻击模型,在该模型下,方案的安全性归约到BDH难题,因此方案是可证明安全的。节点开销分析显示,该方案的节点存储开销和通信开销很小。节点开销是一个常数,保证了方案的扩展性。提出了一个高效无证书签密方案。利用双线性对方法构建标准模型下安全的无证书签密(CLSC)方案,在公钥替换攻击或者主密钥攻击下,构建的CLSC方案是IND-CCA2和EUF-CMA安全的。与典型的CLSC方案相比,该方案归约效率更高。分析表明,无证书签密对于传感器网络密钥管理而言可行而且必要,无证书签密应用到传感器网络密钥管理时通信密钥建立方法与基于身份的传感器网络密钥管理方案类似,不同点在于选取的随机数不同,且得到的方案不存在密钥托管问题。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第1章绪论  9-18
  1.1 研究背景及意义  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-15
  1.3 主要研究内容与创新点  15-16
  1.4 章节安排  16-18
第2章无线传感器网络密钥管理基础  18-25
  2.1 传感器节点结构  18
  2.2 无线传感器网络协议栈  18-20
  2.3 传感器网络密钥预分配基本原理和方法  20-23
    2.3.1 基于Blom矩阵的传感器网络密钥预分配方案  20-21
    2.3.2 基于Blundo多项式的传感器网络密钥预分配方案  21
    2.3.3 LU矩阵生成  21-22
    2.3.4 典型密钥预分配方案性能分析  22-23
  2.4 基于公钥的传感器网络密钥管理基本原理和方法  23-24
    2.4.1 双线性对运算  23
    2.4.2 ECC密码体制  23-24
    2.4.3 安全性证明相关数学假设  24
  2.5 本章小结  24-25
第3章分簇式传感器网络密钥预分配方案  25-37
  3.1 分簇式传感器网络多项式密钥预分配改进方案  25-29
    3.1.1 多项式密钥预分配方案安全性  25-26
    3.1.2 多项式密钥预分配改进方案  26-27
    3.1.3 方案分析  27-29
  3.2 分簇式传感器网络CRT-LU密钥预分配方案  29-36
    3.2.1 CRT-LU密钥预分配方案  30-32
    3.2.2 方案分析  32-36
  3.3 本章小结  36-37
第4章基于身份的传感器网络密钥管理方案  37-42
  4.1 基于身份的传感器网络密钥管理基础知识  37
  4.2 基于身份的传感器网络密钥管理方案  37-39
  4.3 安全性证明  39-40
  4.4 节点开销分析  40
  4.5 节点的加入与撤销  40-41
  4.6 本章小结  41-42
第5章高效的无证书签密方案  42-54
  5.1 高效的无证书签密方案  42-44
  5.2 安全性证明  44-50
    5.2.1 抗敌手一攻击的私密性  44-47
    5.2.2 抗敌手二攻击的私密性  47-48
    5.2.3 抗敌手一攻击的认证性  48-49
    5.2.4 抗敌手二攻击的认证性  49-50
  5.3 效率分析  50
  5.4 扩展无证书签密方案  50-52
  5.5 在无线传感器网络密钥管理中的应用  52-53
  5.6 本章小结  53-54
第6章结论与展望  54-56
  6.1 结论  54-55
  6.2 展望  55-56
致谢  56-57
参考文献  57-62
攻读学位期间的研究成果  62

无线传感器网络密钥管理方案研究

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