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无线传感器网络密钥更新方案的研究

作　者: 朱凌志
导　师: 王建新
学　校: 中南大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 临时初始密钥代码片段预分配密钥更新单向散列函数
分类号: TP212.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 42次
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内容摘要

随着无线传感技术、低功耗电子和射频技术的进步,无线传感器网络成为当前最为活跃的多学科交叉的新兴研究领域之一,涉及多项前沿科学理论和先进技术,具有巨大的发展潜力和重要的科学研究意义。由于传感器节点本身拥有的资源有限,且传感器节点一般部署在恶劣甚至敌对环境中,易于被攻击者俘获,因此无线传感器网络安全问题极具挑战性。迄今已提出的多种方案或协议都各有特色,但也存在一些问题,比如节点孤立和预分配密钥的浪费、预共享密钥泄漏问题、密钥更新问题受到忽视或无力解决等。本文针对当前无线传感器网络密钥更新技术存在的安全隐患,提出了一种基于代码片段的密钥更新方案CSKU (Code Slice based Key Update Scheme for WSNs)。CSKU首先为传感器节点预分配初始密钥以及代码片段,相邻节点之间通过交换代码片段获得相同的代码片段集,然后利用代码片段集所组成的更新程序完成密钥更新。理论分析表明,CSKU不仅安全性能高,同时具有计算、通讯开销低的特点,完全支持大规模无线传感器网络。为了解决CSKU中临时初始密钥泄露导致整个网络失效的问题,本文研究了无线传感器网络中随机部署模型下的密钥更新方法,提出了一种基于随机预分配的密钥更新方案RKKU (Random Key predistribution based Key Update scheme for WSNs)。RKKU要求在部署的时候为每个节点随机预分配密钥,代码片段集和单向散列函数。RKKU通过比较密钥ID信息列表找到共享密钥,借助单向散列函数来计算节点之间的通讯密钥。与现有的密钥管理方案相比,RKKU的计算和通信负载小,密钥更新开销低,安全性能高,适合于无线传感器网络。本文最后对所做研究工作进行了总结,并阐述了无线传感器网络密钥更新方案下一步的研究思路。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-16
  1.1 研究背景  9-10
  1.2 无线传感器网络概述  10-14
    1.2.1 无线传感器网络的体系结构  10-11
    1.2.2 无线传感器网络的特点  11-12
    1.2.3 无线传感器网络的应用  12-14
  1.3 研究内容及意义  14-15
  1.4 论文结构  15-16
第二章无线传感器网络密钥管理相关研究  16-24
  2.1 密钥管理的安全要求  16
  2.2 密钥管理性能评价指标  16-18
  2.3 密钥管理的方案分类  18-19
    2.3.1 根据使用的密码体制分类  18
    2.3.2 根据网络拓扑结构分类  18-19
    2.3.3 根据密钥更新状态分类  19
    2.3.4 根据密钥分配方法分类  19
  2.4 现有主要的密钥管理方案和协议  19-22
    2.4.1 E-G方案  19-20
    2.4.2 q-composite随机密钥预分配方案  20
    2.4.3 多路径密钥增强方案  20
    2.4.4 基于密码矩阵的密钥预分配方案  20-21
    2.4.5 基于多项式的密钥预分配方案  21
    2.4.6 多层次的密钥建立方案  21-22
    2.4.7 动态密钥管理方案  22
  2.5 本章小结  22-24
第三章基于代码片段的无线传感器网络密钥更新方案  24-34
  3.1 问题描述与相关研究  24-25
  3.2 相关定义和符号说明  25
    3.2.1 符号说明  25
    3.2.2 相关定义  25
  3.3 系统模型  25-27
    3.3.1 系统假设  25-26
    3.3.2 网络模型  26
    3.3.3 攻击模型  26-27
  3.4 CSKU方案描述  27-29
    3.4.1 预分配阶段  27
    3.4.2 密钥材料交换阶段  27
    3.4.3 对称密钥使用与更新阶段  27-28
    3.4.4 节点的添加与删除  28-29
  3.5 安全性分析  29-32
    3.5.1 安全连通性分析  29-30
    3.5.2 抗窃听性以及抗节点捕获性分析  30-32
  3.6 能量开销分析  32
    3.6.1 通讯开销  32
    3.6.2 存储与计算开销  32
  3.7 本章小节  32-34
第四章基于随机预分配的无线传感器网络密钥更新方案  34-45
  4.1 问题描述  34
  4.2 相关知识  34-36
    4.2.1 系统假设  35
    4.2.2 网络模型  35
    4.2.3 代码片段  35-36
    4.2.4 单向散列函数  36
  4.3 RKKU方案的描述  36-40
    4.3.1 随机预分配  36-37
    4.3.2 引入单向散列函数建立直接密钥  37
    4.3.3 利用动态调整通信半径来辅助创建间接密钥  37-38
    4.3.4 密钥更新  38-39
    4.3.5 新节点的添加  39
    4.3.6 失效节点的删除  39-40
  4.4 性能分析  40-44
    4.4.1 节点连通性分析  40-42
    4.4.2 安全性分析  42-43
    4.4.3 能量开销分析  43-44
  4.5 本章小结  44-45
第五章结束语  45-47
  5.1 研究工作总结与主要创新点  45-46
  5.2 进一步的研究工作  46-47
参考文献  47-52
致谢  52-53
攻读硕士期间主要的研究成果  53

无线传感器网络密钥更新方案的研究

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