基于大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的密鑰管理技術(shù)研究.pdf

1、微電子技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無線通信等技術(shù)的發(fā)展大大推動了低功耗多功能傳感器網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展。正是因為具有感知能力強、成本低、部署方便、自組織等特性使、得傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境資源監(jiān)測、生態(tài)保護、醫(yī)學(xué)醫(yī)療、生化武器檢測和戰(zhàn)場態(tài)勢感知等方面有著強大的應(yīng)用需求。 由于敏感場合的應(yīng)用，我們必須研究網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全性。本文在系統(tǒng)論述了當前及今后傳感器網(wǎng)絡(luò)面I臨的主要安全威脅后得出結(jié)論：針對傳感器網(wǎng)絡(luò)這個特殊的應(yīng)用環(huán)境，構(gòu)筑基于加密機制的安全通信外

2、殼是最關(guān)鍵的。但是，傳感器節(jié)點的計算處理能力、通信能力、存儲能力和電池容量都是非常有限的，開發(fā)實用高效的密鑰管理方案是一個頗有挑戰(zhàn)性的課題。 國內(nèi)外研究人員在這個領(lǐng)域做了大量的工作，主流的密鑰管理方案有成對密鑰預(yù)分配方案和動態(tài)密鑰建立方案。根據(jù)大多數(shù)學(xué)者的意見，評估傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理方案優(yōu)劣的四個主要指標是：抗節(jié)點捕獲攻擊能力、安全連通性、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模可擴展性和資源消耗度。本文以此為參考，詳盡分析了當前該領(lǐng)域的密鑰管理算法，并找出相

3、關(guān)算法的弱點，在總結(jié)創(chuàng)新的基礎(chǔ)上提出自己的方案： 提出了全新的基于S/W (Service/Work)架構(gòu)的現(xiàn)場密鑰管理方案：網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點分為兩類：絕大多數(shù)的工作節(jié)點(Work Nodes)和極少數(shù)的服務(wù)節(jié)點(SerVice Node)。工作節(jié)點負責感知和傳輸數(shù)據(jù)，部署前不加載任何密鑰相關(guān)信息；服務(wù)節(jié)點預(yù)加載密鑰空間，并在網(wǎng)絡(luò)部署后向周圍工作節(jié)點安全發(fā)布密鑰對信息；彼此臨近的工作節(jié)點就可以通過交換公鑰來建立共享密鑰。該方案利用公

4、鑰加密機制進行密鑰相關(guān)信息的傳遞，并用Blom算法求解節(jié)點間的共享密鑰。我們提出并論證了“等效半徑模型”，作為分析方案性能的有效工具；通過詳盡的理論分析和仿真實驗表明，我們的現(xiàn)場管理方案整體性能優(yōu)良。 為了讓現(xiàn)場密鑰管理方案趨于實用，我們對它做了改進：在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點部署完成后，通過啟動節(jié)點中固化的程序自行界定該節(jié)點的身份(服務(wù)節(jié)點或工作節(jié)點)，同時，新產(chǎn)生的服務(wù)節(jié)點自動創(chuàng)建密鑰空間。改良后的方案實現(xiàn)了智能化的安全引導(dǎo)過程，是真正的不

5、需預(yù)加載任何密鑰相關(guān)信息的純現(xiàn)場密鑰建立方案。它有效解決了在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點隨機部署時的現(xiàn)場密鑰生成問題，并根據(jù)服務(wù)節(jié)點和工作節(jié)點數(shù)量對比機制從根本上保證了系統(tǒng)的抗節(jié)點捕獲攻擊性能。我們提出并分析了基于柵格架構(gòu)的安全通信方案，將柵格密鑰管理技術(shù)、提高網(wǎng)絡(luò)整體工作壽命及增強系統(tǒng)抗毀性結(jié)合在一起考慮。核心思想是利用冗余節(jié)點來保證通信節(jié)點的更替和抗毀，用骨干節(jié)點的安全通信來支撐整個網(wǎng)絡(luò)的通信功能。根據(jù)GAF(Geographical Adaptive