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分布式无线传感器网络密钥管理研究

代航阳  
【摘要】: 随着无线通信技术、计算机技术与微系统技术的发展,分布式无线传感器网络在军事国防、环境监测、生物医疗以及商业应用等领域具有广阔的应用前景,是当前计算机网络领域一个极为重要的创新课题。但是,由于自身的特点和所处的环境,分布式无线传感器网络容易受到攻击,节点信息易于被捕获和泄漏。因此,分布式无线传感器网络安全已经成为系统设计的一个重要问题。 在分布式无线传感器网络安全机制中,密钥管理起着基础性的作用。由于分布式无线传感器网络具有规模大、节点资源非常有限、分布式等特点,传统无线网络的密钥管理机制已经不适合它。近年来,国内外学者在该领域的工作取得了许多成果,提出了两种类型的分布式无线传感器网络密钥管理方法:随机性算法和确定性算法。虽然研究者们在算法实现和性能表现上取得了很大的进步,但是它们在网络连通率、安全耐受性和存储消耗等性能方面缺乏均衡性。 因此,本文在对分布式无线传感器网络密钥管理的研究成果系统学习和总结基础上,从随机性和确定性两种方法入手,对分布式无线传感器网络的密钥预分配和建立进行了详细的分析和研究。主要的研究内容包括: 1.分布式无线传感器网络的随机性密钥预分配研究 针对基于部署策略的随机性密钥预分配方案存在连通性和安全性之间的不均衡问题,本文提出一种基于有限域多项式池的随机性密钥预分配方案(Polynomial Pool-based Key Management,PPKM)。该方案首先把部署区域和传感器节点分别划为若干矩形区域和节点组,每个节点组部署在一个矩形区域内;然后部署服务器产生一个主多项式池,并从该主多项式池随机抽取多项式组成若干子多项式池,每个节点组对应一个子多项式池;最后在密钥建立阶段,每个节点从本组子多项式池中选取多项式组成多项式环,节点间的连通率由子多项式池的重叠因子决定。研究表明,该方案解决了其它相关算法仅在单一性能上表现较好的问题,在保持网络高连通概率的情况下,大大提高了网络抗捕获攻击的能力。同时,该算法特别适用于大规模分布式无线传感器网络的应用。 2.分布式无线传感器网络的随机性密钥建立研究 为了进一步研究部署策略中网格形状对网络连通性和安全性的影响,本文提出了基于三角形网格的随机性密钥建立方案Triangle-based。该方案根据部署策略构建了等边三角形网格模型,并为每个三角形网格预分配一个多项式,每个网格存在与周围十三个邻近网格的多项式共享。在密钥建立阶段,任意两个节点通过寻找多项式共享来建立共享密钥。同基于正方形网格的方案相比,Triangle-based方案随着密钥建立所需跳跃阶数增大,网络连通率的提高更为明显。此外,通过调整节点部署密度、三角形大小和多项式阶数的高低,网络通信泄漏的概率会极大的降低,达到进一步增强网络安全耐受性的要求。 3.分布式无线传感器网络的确定性密钥预分配研究 基于密钥池的确定性密钥预分配算法虽然在网络连通性能上表现出较好的特性,但安全耐受性能较差。为此,本文考虑引入具有t安全特性的Blom矩阵来实现密钥的预分配,给出了一种基于Blom矩阵的确定性密钥预分配方案(Blom-based Hexagonal Key Management, BHKM)。本文把整个节点部署区域划分为若干个互不重叠的六边形网格,并在每对邻近的网格间建立一个由Blom矩阵生成的秘密矩阵。任意两个节点通过相同的秘密矩阵信息来建立共享密钥。分析结果显示:同其它密钥预分配方案只在单一性能上表现较好的特征相比,本方案在网络安全连通率、节点抗捕获攻击能力和存储消耗之间具备一个良好的平衡点。 4.分布式无线传感器网络的确定性密钥建立研究 在已有的基于多项式池的确定性密钥建立方案中,多项式池的有效分配和共享密钥的建立始终是个难点。本文研究了基于LU矩阵分解方法的确定性密钥建立方案(LU decomposition-based Key Management, LUKM)。该方案利用对称多项式矩阵的LU分解特性,保证任意一对节点间都有共享多项式,同时实现了节点到节点的多重认证。相比同样利用LU矩阵分解的密钥建立方案,一方面,LUKM方案采用多项式池代替密钥池的方法建立共享密钥,提高了节点抗捕获攻击的能力;另一方面,一种有效的存储机制减小了LU矩阵中零元素造成的存储浪费,同时体现了分布式无线传感器网络密钥管理方案设计中高能效的要求。另外,该方案也解决了不规则网络中多项式的分配效率问题。


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