傳感器網(wǎng)絡(luò)中對(duì)偶密鑰建立算法研究.pdf

1、作為一種新興網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN，Wireless Sensor Networks)將在軍事、環(huán)境、健康、家庭和其他領(lǐng)域中發(fā)揮不可估量的重要作用。較之傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)而言，WSN具有顯著不同的特征，如自組織形式的組網(wǎng)特征、節(jié)點(diǎn)能耗受限、節(jié)點(diǎn)無(wú)攻擊抵抗能力、以及異常情況缺乏離線反饋機(jī)制等。作為一種基礎(chǔ)的安全設(shè)施，傳感器網(wǎng)絡(luò)的密鑰管理問(wèn)題一直引起了研究者們的廣泛關(guān)注。本文圍繞無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的對(duì)偶密鑰建立問(wèn)題，探索可伸縮性、密鑰路徑可確定

2、性、安全及抗毀性等綜合性能指標(biāo)較理想的對(duì)偶密鑰建立算法。主要包括以下幾個(gè)方面： (1)全面分析傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)特征、安全需求、節(jié)點(diǎn)資源等多方面的狀況，提出分層結(jié)構(gòu)的傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全體系結(jié)構(gòu)；強(qiáng)調(diào)WSN中密鑰管理的作用、組成及性能指標(biāo)。 (2)借鑒并行處理領(lǐng)域中的容錯(cuò)模型，將節(jié)點(diǎn)間由于物理不相鄰而無(wú)法建立安全鏈接的情形模擬成容錯(cuò)研究中的“故障鏈路“情況，提出基于超立方體規(guī)則網(wǎng)絡(luò)模型的分段弱連通性質(zhì)。與其它弱連通性質(zhì)所不同的

3、是：1)該性質(zhì)針對(duì)鏈路而不是節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障的情況，完全以子立方體內(nèi)是否連通作為判定條件，有效提高參考模型的適用性；2)該性質(zhì)兼具標(biāo)識(shí)的一致性及判斷的本地化等特點(diǎn)，所約定的弱連通性質(zhì)標(biāo)識(shí)惟一對(duì)應(yīng)連通集團(tuán)，節(jié)點(diǎn)通過(guò)有限范圍內(nèi)的信息交換判斷所在的集團(tuán)標(biāo)識(shí)。 針對(duì)實(shí)際部署當(dāng)中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多樣性，建立標(biāo)識(shí)同構(gòu)的分段弱連通性質(zhì)的序列的集合。較之于單一約定的弱連通性質(zhì)的標(biāo)識(shí)，所描述的可能連通狀況能夠更逼近實(shí)際連通情形。分析基于弱連通序列集合的多態(tài)

4、網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于兩個(gè)置換或?qū)φ{(diào)相鄰的弱連通序列，理論上分析了與之對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)連通集團(tuán)間的互聯(lián)的可能性，從而完成了基于分段弱連通性質(zhì)的多態(tài)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)特征的完整描述。 (3)探討了一系列的基于超立方體互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)密鑰預(yù)置模型以及相應(yīng)的密鑰建立過(guò)程。如擴(kuò)充預(yù)置算法、基于k維子立方體分段弱連通性質(zhì)的密鑰建立算法、以及基于位置信息感知的密鑰路徑建立算法。 其中，擴(kuò)充預(yù)置算法在原有基本超立方體模型預(yù)置的基礎(chǔ)上，合理增加分段長(zhǎng)度為3的t分段預(yù)

5、置模型，能夠顯著減小漢明距較長(zhǎng)的節(jié)點(diǎn)間的密鑰路徑長(zhǎng)度，且具有更強(qiáng)的抗毀性能；基于分段弱連通性質(zhì)的理論分析，在多態(tài)網(wǎng)絡(luò)中，使用m元組定義節(jié)點(diǎn)間的層次連接關(guān)系，提出基于弱連通性質(zhì)多態(tài)網(wǎng)絡(luò)的密鑰路徑建立框架，相應(yīng)給出基于k維分段弱連通性質(zhì)的密鑰路徑建立算法。該算法具有本地化、可確定性強(qiáng)、本地連通度高的特點(diǎn)；由于在一般的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中可以一定程度上預(yù)測(cè)節(jié)點(diǎn)的可能落地位置，基于此，基于位置信息感知的混合超立方體模型及相應(yīng)的密鑰路徑建立算法具有較低的密

6、鑰預(yù)置要求、較高的直接對(duì)偶密鑰建立概率、以及抗毀性高等特點(diǎn)。 (4)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同，WSN領(lǐng)域的研究更關(guān)注網(wǎng)絡(luò)的整體性能。連通分析模型在考察各類預(yù)置方案的連通性能方面具有重要的理論意義。給定微觀個(gè)體節(jié)點(diǎn)的本地連通度，隨機(jī)圖模型是分析宏觀網(wǎng)絡(luò)的幾何性質(zhì)的有力工具。由直接對(duì)偶密鑰建立的兩個(gè)條件，探討了域內(nèi)伯努利隨機(jī)圖適用模型的連通性質(zhì)和邊界條件：針對(duì)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)部署，質(zhì)疑扁平型(flat)隨機(jī)圖分析模型的有效性和可行性，首次提出

7、層次(hirarchical)隨機(jī)網(wǎng)分析模型并探討了該模型的的邊界效應(yīng)；性能分析顯示基于該分析模型的層次預(yù)置模型框架具有較強(qiáng)的適用性和良好的可擴(kuò)充性。 (5)基于層次預(yù)置模型框架，采用規(guī)則預(yù)置和隨機(jī)預(yù)置相結(jié)合的方式，提出多有限域內(nèi)多密鑰空間的密鑰向量預(yù)置算法；高級(jí)別節(jié)點(diǎn)(如組頭、簇頭節(jié)點(diǎn)等)間通信的安全需求要高于普通節(jié)點(diǎn)，為避免這類節(jié)點(diǎn)間的密鑰路徑過(guò)分依賴于普通節(jié)點(diǎn)的抗妥協(xié)強(qiáng)度，提出基于擴(kuò)環(huán)矩陣向量的節(jié)點(diǎn)自學(xué)習(xí)算法，從而使得高級(jí)別節(jié)點(diǎn)基