無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中安全保障模型和方法的研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用大量集成化的微型傳感器協(xié)作地監(jiān)測(cè)、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，利用嵌入式系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行處理，通過自組織的無線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼的方式將所需的信息傳送至用戶端。它將邏輯上的信息世界與真實(shí)的物理世界融合在一起，改變了人與自然交互的方式。在軍事國防、環(huán)境科學(xué)、醫(yī)療健康、空間探索、工農(nóng)業(yè)自動(dòng)化等許多領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用前景。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常部署在無人值守的區(qū)域甚至是敵方陣地，傳感器節(jié)點(diǎn)之間使用無線通信鏈路

2、進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)點(diǎn)的計(jì)算、存儲(chǔ)、通信以及能量等性能都十分有限，這些特性使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)很容易受到各種惡意攻擊的威脅。本文針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在戰(zhàn)場(chǎng)信息偵察、自然災(zāi)害預(yù)測(cè)、重要設(shè)施監(jiān)控等關(guān)鍵性應(yīng)用領(lǐng)域中的安全問題，主要圍繞適用于不同節(jié)點(diǎn)類型和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的靜態(tài)密鑰管理、動(dòng)態(tài)密鑰管理、安全多次部署、入侵檢測(cè)等內(nèi)容進(jìn)行了深入的研究，提出了能夠確保無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全的保障模型和方法。 本文的主要研究成果和創(chuàng)新如下： (1)提出了確保

3、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全的保障模型。模型主要由密鑰管理和入侵檢測(cè)兩大部分組成。其中，密鑰管理作為確保無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全的第一道屏障，其目標(biāo)是為安全的數(shù)據(jù)傳輸、安全路由、實(shí)體認(rèn)證、安全的組播多播等提供底層的技術(shù)支持，從而能夠有效地防御外部攻擊。而入侵檢測(cè)作為確保無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全的第二道屏障，其目標(biāo)是有效地檢測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的偽造和篡改消息攻擊、選擇性轉(zhuǎn)發(fā)攻擊、采集點(diǎn)漏洞攻擊、蟲洞攻擊、Hello消息廣播攻擊以及黑洞攻擊等一系列異常行為，從而能夠

4、有效地防御內(nèi)部攻擊，進(jìn)一步提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性。通過把密鑰管理和入侵檢測(cè)系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來，從多方面、多角度地增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的正常數(shù)據(jù)采集和信息處理提供堅(jiān)固的安全保障。 (2)靜態(tài)密鑰管理方案能在確保傳感器網(wǎng)絡(luò)安全性的同時(shí)有效減少傳感器節(jié)點(diǎn)的資源消耗。本文提出了一種靜態(tài)密鑰管理方案——基于正六邊形的密鑰預(yù)分配方案。該方案有效地利用了正六邊形來模擬無線傳感器節(jié)點(diǎn)的信號(hào)傳輸情況，通過構(gòu)建傳感器蜂窩網(wǎng)絡(luò)來

5、分配密鑰多項(xiàng)式，從而提高傳感器節(jié)點(diǎn)間建立直接或間接對(duì)等密鑰的概率。 (3)為了提高靜態(tài)密鑰管理環(huán)境中屬于不同部署集的傳感器節(jié)點(diǎn)之間的連通性和安全性，提出了安全的網(wǎng)絡(luò)多次部署方案。該方案通過運(yùn)行自適應(yīng)密鑰選擇算法生成部署集中所有預(yù)分配密鑰的最小生成集，從而在維持較高安全性的同時(shí)極大地提高了傳感器節(jié)點(diǎn)之間的連通概率，并且能很容易地與現(xiàn)有的密鑰預(yù)分配方案相結(jié)合。 (4)動(dòng)態(tài)密鑰管理方案能夠避免靜態(tài)密鑰管理中被捕獲節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)連通

6、性的影響。針對(duì)平面結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全，提出了一種基于分組的動(dòng)態(tài)密鑰管理方案。該方案以EBS(Exclusion Basis Systems)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在實(shí)施時(shí)并不需要基站和簇頭節(jié)點(diǎn)的參與，從而確保了方案的通用性，同時(shí)密鑰的動(dòng)態(tài)更新特性進(jìn)一步確保了傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全不受被捕獲傳感器節(jié)點(diǎn)的影響。 (5)針對(duì)層次結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全，提出了一種基于改進(jìn)密鑰鏈接樹的動(dòng)態(tài)密鑰管理方案。該方案通過在基于密鑰鏈接樹的組密鑰管理方案中

7、引入臟密鑰路徑，并延遲這些臟密鑰路徑上的密鑰更新操作，從而減少密鑰鏈接樹中輔助節(jié)點(diǎn)上的重復(fù)密鑰更新。與現(xiàn)有的組密鑰管理方案相比，基于改進(jìn)密鑰鏈接樹的組密鑰管理方案在節(jié)點(diǎn)添加和刪除時(shí)產(chǎn)生更少的密鑰更新消息，進(jìn)而消耗更少的能量。 (6)作為安全保障模型第一道屏障的密鑰管理方案可能無法抵御無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的所有攻擊。為了能夠及時(shí)地檢測(cè)出網(wǎng)絡(luò)中的異常行為，提出了一種基于分組的分布式入侵檢測(cè)方案。該方案首先利用δ分組算法將整個(gè)無線傳感器網(wǎng)