应用区域分组的无线传感器网络的密钥管理方案设计

作     者：周美秀 

作者单位：暨南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：姚国祥

授予年度：2012年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0839[工学-网络空间安全] 0802[工学-机械工程] 

主      题：无线传感器网络 密钥管理方案 随机预分配密钥 区域分组 单向哈希函数 

摘      要：无线传感器网络是一种以采集数据、发送数据为目的的新型网络，由大量部署在检测区域的传感器节点以无线通信方式自组织构成。由于无线传感器网络的自身特点，使其具有拓扑结构复杂、自组织、计算能力、内存容量等局限性，导致已有网络中的许多技术并不能直接应用到其中，因此必须建立无线传感器网络特有的通信模型和安全模型。 本文基于无线传感器网络安全模型的核心问题密钥管理方案，提出了一种安全高效的基于区域分组的随机密钥预分配管理模型，以保证网络的安全性。该模型的研究思路是按照无线传感器网络密钥管理流程中的几个主要阶段，包括节点部署前的次密钥池和子密钥池分配规则、共享密钥池生成，节点部署之后的密钥协商、密钥更新和新节点加入等，首先通过对比几种基本分组模型,确定了正六边形的分组模型。接着将整个区域划分为包括次区域层和子区域层的双层模型，这种双层区域模型设计可以既保证密钥的安全性又满足连通率，并设计了完整的子密钥池分配算法。通过数学证明及与原基本方案的比较，结果显示本算法在节省网络存储开销的前提下，还可以有效地增强节点连通概率。 另外，本方案采用了基于时间变量的单向散列函数预共享密钥池架构，使得攻击者即使掌握了算法和泄露密钥，仍然不能推算出下一个更新后的密钥信息。此设计不仅可以在密钥协商阶段建立安全的通信链路;还可以在新节点加入阶段预防攻击者冒充新节点发动安全攻击，保证新旧节点建立安全通信密钥;同时还能及时剔除密钥池中的不可靠密钥，预防攻击者冒充旧节点展开攻击，从而保障了预共享密钥的前向安全和后向安全。最后分析结果证实，整个方案除了增加了一定的计算和通信消耗，但大幅度增强了网络连通性、链路安全性、网络扩展性，这些方面都优于基本随机密钥预分配方案。