分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理研究.pdf

1、隨著無線通信技術(shù)、計算機技術(shù)與微系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事國防、環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)療以及商業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，是當(dāng)前計算機網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域一個極為重要的創(chuàng)新課題。但是，由于自身的特點和所處的環(huán)境，分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)容易受到攻擊，節(jié)點信息易于被捕獲和泄漏。因此，分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全已經(jīng)成為系統(tǒng)設(shè)計的一個重要問題。
　　 在分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全機制中，密鑰管理起著基礎(chǔ)性的作用。由于分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有

2、規(guī)模大、節(jié)點資源非常有限、分布式等特點，傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的密鑰管理機制已經(jīng)不適合它。近年來，國內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域的工作取得了許多成果，提出了兩種類型的分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理方法：隨機性算法和確定性算法。雖然研究者們在算法實現(xiàn)和性能表現(xiàn)上取得了很大的進步，但是它們在網(wǎng)絡(luò)連通率、安全耐受性和存儲消耗等性能方面缺乏均衡性。
　　 因此，本文在對分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理的研究成果系統(tǒng)學(xué)習(xí)和總結(jié)基礎(chǔ)上，從隨機性和確定性兩種方法入手，對

3、分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的密鑰預(yù)分配和建立進行了詳細(xì)的分析和研究。主要的研究內(nèi)容包括：
　　 1.分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的隨機性密鑰預(yù)分配研究
　　 針對基于部署策略的隨機性密鑰預(yù)分配方案存在連通性和安全性之間的不均衡問題，本文提出一種基于有限域多項式池的隨機性密鑰預(yù)分配方案（Polynomial
　　 Pool-based Key Management，PPKM）。該方案首先把部署區(qū)域和傳感器節(jié)點分別劃為若干矩形區(qū)域

4、和節(jié)點組，每個節(jié)點組部署在一個矩形區(qū)域內(nèi)；然后部署服務(wù)器產(chǎn)生一個主多項式池，并從該主多項式池隨機抽取多項式組成若干子多項式池，每個節(jié)點組對應(yīng)一個子多項式池；最后在密鑰建立階段，每個節(jié)點從本組子多項式池中選取多項式組成多項式環(huán)，節(jié)點間的連通率由子多項式池的重疊因子決定。研究表明，該方案解決了其它相關(guān)算法僅在單一性能上表現(xiàn)較好的問題，在保持網(wǎng)絡(luò)高連通概率的情況下，大大提高了網(wǎng)絡(luò)抗捕獲攻擊的能力。同時，該算法特別適用于大規(guī)模分布式無線傳感器網(wǎng)

5、絡(luò)的應(yīng)用。
　　 2.分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的隨機性密鑰建立研究
　　 為了進一步研究部署策略中網(wǎng)格形狀對網(wǎng)絡(luò)連通性和安全性的影響，本文提出了基于三角形網(wǎng)格的隨機性密鑰建立方案Triangle-based。該方案根據(jù)部署策略構(gòu)建了等邊三角形網(wǎng)格模型，并為每個三角形網(wǎng)格預(yù)分配一個多項式，每個網(wǎng)格存在與周圍十三個鄰近網(wǎng)格的多項式共享。在密鑰建立階段，任意兩個節(jié)點通過尋找多項式共享來建立共享密鑰。同基于正方形網(wǎng)格的方案相比，Tr

6、iangle-based方案隨著密鑰建立所需跳躍階數(shù)增大，網(wǎng)絡(luò)連通率的提高更為明顯。此外，通過調(diào)整節(jié)點部署密度、三角形大小和多項式階數(shù)的高低，網(wǎng)絡(luò)通信泄漏的概率會極大的降低，達到進一步增強網(wǎng)絡(luò)安全耐受性的要求。
　　 3.分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的確定性密鑰預(yù)分配研究
　　 基于密鑰池的確定性密鑰預(yù)分配算法雖然在網(wǎng)絡(luò)連通性能上表現(xiàn)出較好的特性，但安全耐受性能較差。為此，本文考慮引入具有t安全特性的Blom矩陣來實現(xiàn)密鑰的預(yù)分

7、配，給出了一種基于Blom矩陣的確定性密鑰預(yù)分配方案（Blom-basedHexagonal Key Management，BHKM）。本文把整個節(jié)點部署區(qū)域劃分為若干個互不重疊的六邊形網(wǎng)格，并在每對鄰近的網(wǎng)格間建立一個由Blom矩陣生成的秘密矩陣。任意兩個節(jié)點通過相同的秘密矩陣信息來建立共享密鑰。分析結(jié)果顯示：同其它密鑰預(yù)分配方案只在單一性能上表現(xiàn)較好的特征相比，本方案在網(wǎng)絡(luò)安全連通率、節(jié)點抗捕獲攻擊能力和存儲消耗之間具備一個良好的平

8、衡點。
　　 4.分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的確定性密鑰建立研究
　　 在已有的基于多項式池的確定性密鑰建立方案中，多項式池的有效分配和共享密鑰的建立始終是個難點。本文研究了基于LU矩陣分解方法的確定性密鑰建立方案（LU decomposition-based Key Management，LUKM）。該方案利用對稱多項式矩陣的LU分解特性，保證任意一對節(jié)點間都有共享多項式，同時實現(xiàn)了節(jié)點到節(jié)點的多重認(rèn)證。相比同樣利用LU矩陣