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基于分簇的无线传感网络密钥管理的研究

作　者: 周玲
导　师: 王小玲
学　校: 中南大学
专　业: 信息与通信工程
关键词: 无线传感网络 密钥管理 分簇 哈希函数 椭圆曲线密码
分类号: TP212.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


摘要：随着计算机、通信和传感器技术的发展,无线传感网络(wirelesssensor network, WSN)应用越来越广泛,可用在军事领域、智能家居、环境科学、工业农业等领域。由于传感器节点大多被部署在敌方或者野外等地方,很容易就被捕获,尤其在军事应用中,其安全问题尤为突出。而节点自身能量、数据处理和存储能力等限制,传统的密钥管理技术不再适合于WSN中,因此设计一个有效的密钥管理技术对无线传感网络具有重大意义。本文简述了WSN的结构,特点及其应用,并分析了WSN的关键技术和安全问题。另外,本文还对WSN中典型的密钥管理方案进行原理说明和优缺点的分析与比较。本文针对对称密钥管理方案安全性和连通性的不足,提出一种新的基于分簇和hash密钥链的WSN密钥管理方案(CHKMS)。将网络分成若干簇便于密钥管理,并且可降低对节点存储能力的要求和能量的消耗以延长网络寿命。此方案采用哈希函数生成hash密钥链对簇头层认证密钥进行更新,同时方案在普通节点加入网络时使用注册模型以及密钥建立后普通节点周期性认证和更新机制来加强网络的安全性。经过分析表明,CHKMS方案在存储开销、计算复杂度和安全性力面有一定优势,且扩展性好。最后,在CHKMS方案的模型上,提出基于椭圆曲线的密钥管理方案(ECC-C),此方案在基站与簇头、簇头之间采用基于ECDLP问题困难性的签密算法来加强网络的安全性,同时簇头节点负责对簇内节点密钥的建立和更新。对ECC-C方案性能进行分析表明,相对于现有的密钥管理方案,ECC-C方案连通性好,存储开销较低和抗俘获性能比较好。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-9
1 绪论  9-13
  1.1 研究背景及意义  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-12
  1.3 论文组织结构  12-13
2 无线传感网络概述  13-21
  2.1 无线传感网络的体系结构  13-15
  2.2 无线传感网络的特点及应用  15-18
  2.3 无线传感网络的关键技术  18
  2.4 无线传感网络的安全问题  18-20
  2.5 本章小结  20-21
3 典型的WSN密钥管理方案  21-29
  3.1 对称密钥管理  21-26
    3.1.1 基于可信主体方案  21-22
    3.1.2 随机密钥预分配方案  22-24
    3.1.3 基于多项式密钥预分配方案  24
    3.1.4 LEAP协议  24-26
  3.2 非对称密钥管理  26-28
    3.2.1 基于椭圆曲线管理方案  26-27
    3.2.2 基于身份加密的方案  27-28
  3.3 混合密钥管理  28
  3.4 本章小结  28-29
4 基于分簇和hash函数的WSN密钥管理方案  29-44
  4.1 hash函数  29
  4.2 CHKMS方案的概述  29-32
    4.2.1 CHKMS方案网络模型和符号说明  29-31
    4.2.2 网络初始密钥分配  31-32
  4.3 簇头层的密钥管理  32-35
    4.3.1 簇头节点密钥的建立  32-33
    4.3.2 节点离开和认证密钥的更新  33-34
    4.3.3 簇头节点加入  34-35
  4.4 普通层的密钥管理  35-39
    4.4.1 普通节点注册和密钥分配  35-37
    4.4.2 节点加入  37
    4.4.3 周期性认证和节点离开  37-38
    4.4.4 周期性更新  38-39
  4.5 CHKMS方案性能分析  39-43
    4.5.1 存储开销  39-40
    4.5.2 计算开销  40-41
    4.5.3 安全性  41-43
  4.6 本章小结  43-44
5 基于椭圆曲线密钥管理方案  44-59
  5.1 椭圆曲线密码理论  44-47
    5.1.1 椭圆曲线概念和性质  44-45
    5.1.2 椭圆曲线密码体制  45-47
  5.2 ECC-C方案的描述  47-54
    5.2.1 初始化过程  48-49
    5.2.2 簇头层通信密钥的建立  49-50
    5.2.3 普通节点通信密钥的分配  50-51
    5.2.4 新节点的加入  51-52
    5.2.5 簇密钥的更新  52-54
  5.3 ECC-C方案性能分析  54-58
    5.3.1 连通性  54-55
    5.3.2 存储开销  55-56
    5.3.3 抗俘获性  56-58
  5.4 本章小结  58-59
6 总结与展望  59-60
参考文献  60-65
攻读硕士学位期间的主要研究成果  65-66
致谢  66

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器（变换器）、传感器 > 传感器的应用
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