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《湖南大学》 2007年
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传感器网络中对偶密钥建立算法研究

李平  
【摘要】: 作为一种新兴网络,无线传感器网络(WSN,Wireless Sensor Networks)将在军事、环境、健康、家庭和其他领域中发挥不可估量的重要作用。较之传统有线网络而言,WSN具有显著不同的特征,如自组织形式的组网特征、节点能耗受限、节点无攻击抵抗能力、以及异常情况缺乏离线反馈机制等。作为一种基础的安全设施,传感器网络的密钥管理问题一直引起了研究者们的广泛关注。本文围绕无线传感器网络的对偶密钥建立问题,探索可伸缩性、密钥路径可确定性、安全及抗毁性等综合性能指标较理想的对偶密钥建立算法。主要包括以下几个方面: (1)全面分析传感器网络的组网特征、安全需求、节点资源等多方面的状况,提出分层结构的传感器网络的安全体系结构;强调WSN中密钥管理的作用、组成及性能指标。 (2)借鉴并行处理领域中的容错模型,将节点间由于物理不相邻而无法建立安全链接的情形模拟成容错研究中的“故障链路“情况,提出基于超立方体规则网络模型的分段弱连通性质。与其它弱连通性质所不同的是:1)该性质针对链路而不是节点出现故障的情况,完全以子立方体内是否连通作为判定条件,有效提高参考模型的适用性;2)该性质兼具标识的一致性及判断的本地化等特点,所约定的弱连通性质标识惟一对应连通集团,节点通过有限范围内的信息交换判断所在的集团标识。 针对实际部署当中拓扑结构的多样性,建立标识同构的分段弱连通性质的序列的集合。较之于单一约定的弱连通性质的标识,所描述的可能连通状况能够更逼近实际连通情形。分析基于弱连通序列集合的多态网络,对于两个置换或对调相邻的弱连通序列,理论上分析了与之对应的节点连通集团间的互联的可能性,从而完成了基于分段弱连通性质的多态网络互联特征的完整描述。 (3)探讨了一系列的基于超立方体互联网络的节点密钥预置模型以及相应的密钥建立过程。如扩充预置算法、基于k维子立方体分段弱连通性质的密钥建立算法、以及基于位置信息感知的密钥路径建立算法。 其中,扩充预置算法在原有基本超立方体模型预置的基础上,合理增加分段长度为3的t分段预置模型,能够显著减小汉明距较长的节点间的密钥路径长度,且具有更强的抗毁性能;基于分段弱连通性质的理论分析,在多态网络中,使用m元组定义节点间的层次连接关系,提出基于弱连通性质多态网络的密钥路径建立框架,相应给出基于k维分段弱连通性质的密钥路径建立算法。该算法具有本地化、可确定性强、本地连通度高的特点;由于在一般的网络应用中可以一定程度上预测节点的可能落地位置,基于此,基于位置信息感知的混合超立方体模型及相应的密钥路径建立算法具有较低的密钥预置要求、较高的直接对偶密钥建立概率、以及抗毁性高等特点。 (4)与传统网络不同,WSN领域的研究更关注网络的整体性能。连通分析模型在考察各类预置方案的连通性能方面具有重要的理论意义。给定微观个体节点的本地连通度,随机图模型是分析宏观网络的几何性质的有力工具。由直接对偶密钥建立的两个条件,探讨了域内伯努利随机图适用模型的连通性质和边界条件;针对大规模网络的节点部署,质疑扁平型(flat)随机图分析模型的有效性和可行性,首次提出层次(hirarchical)随机网分析模型并探讨了该模型的的边界效应;性能分析显示基于该分析模型的层次预置模型框架具有较强的适用性和良好的可扩充性。 (5)基于层次预置模型框架,采用规则预置和随机预置相结合的方式,提出多有限域内多密钥空间的密钥向量预置算法;高级别节点(如组头、簇头节点等)间通信的安全需求要高于普通节点,为避免这类节点间的密钥路径过分依赖于普通节点的抗妥协强度,提出基于扩环矩阵向量的节点自学习算法,从而使得高级别节点基于已有的知识信息,独自计算出对应的密钥。 (6)出于安全性、抗毁性以及良好的本地连通概率等因素的折中和平衡,已有的各种预置方案可能使得实际部署的网络出现彼此孤立的密钥连通集团、或数量不等的孤立节点。对连通集团的关键边缘节点进行了理论分析,提出了信任域内可信节点的委托认证的多点信任模型,构造了基于信任域认证密钥建立协议。较之与其它解耦方式的密钥建立,实验表明新的协议具有良好的抗毁性,能够有效实现孤立集团或节点的连通。
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TP212.9;TN918.6

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