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基于无线传输中随机因素的物联网安全通信协议研究

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【摘要】:随着物联网的发展,物联网系统遭受的攻击在数量和复杂性上都呈现增加的趋势。针对物联网系统的攻击旨在窃取敏感数据、注入虚假消息或者干扰网络和服务的正常运行。在一些物联网应用中,例如医疗健康或者军事等应用程序,通过网络传输的敏感数据不应泄露给未经授权的实体。攻击者可能会监听网络并提取敏感信息。因此,通信安全在这些物联网应用中是至关重要的。然而,由于大多数互联网技术和通信协议最初并不是为了支持物联网而设计的,将现有的通信协议直接应用到物联网会导致安全性方面的各种挑战。例如,传统通信安全协议无法便捷地预设密钥、遭遇密钥失窃攻击后难以恢复安全或者使用统一对称密钥导致单点入侵甚至威胁整个网络的安全等等。针对物联网动态环境中节点移动容易导致密钥暴露等安全性问题,本文提出了适用于物联网动态环境的安全通信协议。本协议利用无线传输中的随机因素来保障密钥安全,利用动态改变的密钥来保障通信安全。在通信双方没有任何共享信息的情况下,本协议以明文方式传输用于协商密钥的随机消息,利用数据链路层不可避免的丢包和出错等随机因素来自动筛选出用于建立密钥的随机消息。无线传输中的随机因素将导致攻击者遭受信息损失。攻击者即便有强大的计算能力,也无法恢复这种信息损失。因此,攻击者将会失去对密钥的了解。本协议在通信过程中使用动态密钥更新方式,具有自动恢复安全的特点,不仅可以减轻密钥暴露或者密钥窃取的安全威胁,也可以抵御猜测攻击、重放攻击等攻击。本文侧重物联网中动态无线通信场景。首先,本文调研了物联网动态环境中的密钥管理方案,以确定节点移动对密钥安全性的影响及相应的解决方案。然后,本文基于数据链路层的特性设计了适用于物联网动态性的安全通信协议。此外,本协议还提供了异常应对机制,以解决设备死机、链路异常等原因而导致的通信中断问题。接着,本文实现了物联网安全通信协议的系统原型,基于系统原型进行了安全性实验、可靠性实验和对比实验,并进一步对该系统原型进行安全性和可靠性分析。最后,本文列举了本协议在物联网中的三种应用场景并概述了这些应用场景的实现逻辑。此外,本协议也适用于物联网动态环境中节点传输数据量较少的通信场景,也可以应用于有资源受限设备的通信场景以及分布式通信场景。


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