無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全機制中若干問題研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，簡稱WSNs)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者[1]，或者由觀察者傳送監(jiān)控命令給傳感器節(jié)點進行相關(guān)操作。WSNs除了在軍事上大量應(yīng)用外，已被廣泛應(yīng)用于民用領(lǐng)域，如環(huán)境與生態(tài)監(jiān)測、衛(wèi)生健康監(jiān)護、現(xiàn)代精準農(nóng)業(yè)、家庭自動化以及智能交通控制等多個

2、領(lǐng)域。作為一種新的信息獲取和處理技術(shù)，WSNs因具有低成本、低功耗、體積小、部署快和抗毀性強等特點而成為近年來引人注目的高科技領(lǐng)域。《美國商業(yè)周刊》和《MIT技術(shù)評論》在預(yù)測未來技術(shù)發(fā)展報告中，分別將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為二十一世紀最有影響的21項技術(shù)和改變世界的十大技術(shù)之一。
　　 目前，WSNs在軍事領(lǐng)域應(yīng)用上考慮的首要因素是安全性。但是對于一般民用領(lǐng)域，由于考慮經(jīng)濟成本等因素，系統(tǒng)一般以功能實現(xiàn)為主要目標，因而WSNs的系統(tǒng)安

3、全性還沒有引起足夠的重視。WSNs在衛(wèi)生健康監(jiān)護和家庭安防等應(yīng)用領(lǐng)域中，由于涉及到個人隱私和敏感數(shù)據(jù)的保護，必須考慮WSNs應(yīng)用的安全性；同時，一個數(shù)據(jù)安全性都不能保障的系統(tǒng)是得不到用戶認可的，應(yīng)用系統(tǒng)安全機制的缺失是制約WSNs廣泛應(yīng)用的瓶頸。本文研究的主要內(nèi)容就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全機制中相關(guān)的幾個關(guān)鍵技術(shù)：研究如何在資源受限的WSNs中考慮合適的數(shù)據(jù)加密技術(shù)、密鑰管理技術(shù)和入侵檢測技術(shù)等，并通過一個基于WSNs無線社區(qū)衛(wèi)生健康監(jiān)測項

4、目的設(shè)計和實現(xiàn)，把上述WSNs安全技術(shù)應(yīng)用到實際項目中，使系統(tǒng)更加安全、實用和可靠。本研究主要內(nèi)容包括：
　　 ⑴從安全需求角度出發(fā)，討論了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全機制的重要性，通信系統(tǒng)安全最基本要求就是保證通信雙方的機密性。在分析了對稱密碼和非對稱密碼兩種機制的優(yōu)缺點后，結(jié)合WSNs資源受限特點，我們提出了兩種適用于WSNs的加密算法--SF_noSBox和SF_SBox算法。然后，從算法復(fù)雜性和存儲容量需求等方面考慮，把這兩種新算

5、法和數(shù)據(jù)加密標準DES算法進行了比較和驗證。實驗表明，我們設(shè)計并實現(xiàn)的兩種新算法在某些指標上具有一定的優(yōu)勢，加密過程是可行和可靠的。
　　 ⑵針對系統(tǒng)安全機制要求，分析了WSNs中密鑰管理方法，引進了適合WSNs受限資源環(huán)境下的基于公鑰密碼機制的密鑰管理方案，引入基于橢圓曲線加密體制(Elliptic Curve Cryptography，簡稱ECC)進行密鑰管理，提高了密鑰管理的效率和安全性，同時提出了一種新的基于ECC混合密

6、鑰管理方案HKM-ECC(Hybrid Key Management based on ECC)。HKM_ECC的設(shè)計思想是用ECC公鑰加密算法安全發(fā)布和驗證用于對稱加密算法的密鑰，即ECC加密的對象是用于對稱加密算法的密鑰，而網(wǎng)內(nèi)其它敏感數(shù)據(jù)的加密算法則采用對稱密碼體系進行加密(如前面提到的DES或SF_SBox算法)。所以，用公鑰加密的處理對象是用于對稱加密算法的密鑰，由于該密鑰長度比較短(我們的算法中采用128位隨機數(shù)產(chǎn)生密鑰)，

7、所以即使用算法效率相對低的公鑰加密和解密算法，對網(wǎng)絡(luò)整體算法效率不會有太大影響，而帶來的好處是密鑰管理的便利性和節(jié)點身份驗證的抗抵賴性。HKM_ECC混合密鑰管理方案的算法效率和存儲空間等指標，實驗數(shù)據(jù)表明混合方案比純的對稱密碼體制或非對稱密碼體制具有較大優(yōu)勢，并對其正確性進行了理論上相關(guān)論證。
　　 ⑶結(jié)合博弈論中非合作博弈相關(guān)理論，討論無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的入侵檢測系統(tǒng)(Intrusion Detection System，簡稱

8、IDS)，用博弈論思想實現(xiàn)攻擊者和防御者兩者之間的對抗活動。設(shè)計了一個非合作混合納什平衡博弈模型來檢測可疑節(jié)點。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在可疑節(jié)點(可能是惡意節(jié)點，也可能是普通節(jié)點)，單個節(jié)點對可疑節(jié)點進行檢測，主要依賴該檢測節(jié)點本身的檢測率和誤警率，無法保證檢測結(jié)果的正確性。我們基于統(tǒng)計和多數(shù)人投票方法，使用多個鄰居節(jié)點對該可疑節(jié)點進行檢測并判定，判定結(jié)果由仲裁方(簇頭節(jié)點)根據(jù)超半數(shù)或者2/3多數(shù)原則，做出對可疑節(jié)點屬性的判斷，最后簇頭節(jié)點