異構(gòu)傳感網(wǎng)密鑰管理協(xié)議設計與建模分析.pdf

1、異構(gòu)傳感網(wǎng)中的傳感器節(jié)點常具有不同的通信范圍、感知范圍，也可能在網(wǎng)絡中執(zhí)行不同的應用。對于分布式異構(gòu)傳感網(wǎng)中不同位置上的相同節(jié)點也可能采用了不同的配置。異構(gòu)性已然成為異構(gòu)傳感網(wǎng)的固有屬性之一，它可能是人為添加的，也可能是在網(wǎng)絡運行過程中自然形成的。隨著電子技術的發(fā)展，備受關注的傳感網(wǎng)密鑰管理協(xié)議研究也逐漸從同構(gòu)向異構(gòu)轉(zhuǎn)換。充分利用傳感網(wǎng)中客觀存在的異構(gòu)性，指導實用化的、與應用場景相關的異構(gòu)傳感網(wǎng)密鑰管理協(xié)議設計與分析，已成為當今傳感網(wǎng)安

2、全研究的熱點方向。
　　目前，針對異構(gòu)傳感網(wǎng)密鑰管理協(xié)議的研究主要可以分為以下幾個方面：(1)異構(gòu)性研究，主要致力于通過向網(wǎng)絡中引入高能節(jié)點完成復雜耗能操作來提高協(xié)議的安全性和有效性。例如，采用二級分簇網(wǎng)絡，讓由高級節(jié)點組成的簇頭層負責各組成員節(jié)點密鑰的分發(fā)、更新和撤銷；（2）對稱密鑰管理協(xié)議設計，力圖為網(wǎng)絡中的兩兩節(jié)點建立安全有效的通信鏈路，以期增加密鑰連通概率、抗毀性，平衡網(wǎng)絡開銷，保障信息安全；（3）組密鑰管理協(xié)議設計，致力

3、于為成組節(jié)點構(gòu)建共享密鑰，緩解組成員關系動態(tài)變化、網(wǎng)絡不安全性等因素帶來的影響。例如自愈組密鑰管理方案就針對網(wǎng)絡丟包的問題提出了恢復丟失密鑰的辦法，保障了組密鑰的連續(xù)性和有效性；（4）協(xié)議分析方面，力圖對不同類型的密鑰管理協(xié)議所面臨的安全問題，有效性問題等進行合理評估，為后續(xù)改進或為特定的應用選擇恰當?shù)膮f(xié)議提供幫助。
　　然而，當前異構(gòu)傳感網(wǎng)密鑰管理協(xié)議研究尚存一些問題：大多數(shù)異構(gòu)性研究集中在少數(shù)幾種異構(gòu)的利用上，對于傳感網(wǎng)中其他

4、異構(gòu)元素及其利用方法尚未涉及，針對密鑰管理的異構(gòu)性系統(tǒng)化研究更是局限于在分層網(wǎng)絡的條件下設計協(xié)議，僅將異構(gòu)性考慮為協(xié)議部屬的網(wǎng)絡環(huán)境背景，缺乏在協(xié)議設計和分析過程中的考慮和利用。另一方面，異構(gòu)傳感網(wǎng)密鑰管理協(xié)議雖已經(jīng)取得一些階段性成果，但現(xiàn)有研究的有效性、安全性還并不理想，設計能夠兼顧各項特殊應用需求，平衡和優(yōu)化協(xié)議安全性、有效性和靈活性的異構(gòu)傳感網(wǎng)密鑰管理協(xié)議仍然是一項尚待解決的重要課題。
　　在國家自然科學基金（6117024

5、1）、網(wǎng)絡與交換技術國家重點實驗室開放課題（SKLNST-2009-1-10）和哈爾濱工程大學自然科學基金培育項目的支持與資助下，本論文在充分分析當前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎上，主要進行了下面四方面研究：
　　（1）以異構(gòu)性為切入點，以多維度細粒度異構(gòu)性刻畫方法為研究內(nèi)容，以拓撲點集理論和隨機過程為技術手段，提出了異構(gòu)性空間模型，分析了動態(tài)異構(gòu)性的變化規(guī)律，給出了利用異構(gòu)性改進和分析密鑰管理協(xié)議的實例，提出了多階段能量有效的密鑰預分配

6、協(xié)議。實驗分析表明在協(xié)議設計過程中合理的利用異構(gòu)性，能夠有效的改進協(xié)議有效性，延長網(wǎng)絡壽命；在協(xié)議分析過程中合理利用異構(gòu)性，能夠有效的分析協(xié)議的長期性能及其變化趨勢。
　?。?）與擾動技術、LU攻擊原理相結(jié)合，提出抗LU攻擊的異構(gòu)傳感密鑰管理協(xié)議。所提協(xié)議以LU分解矩陣為原材料，結(jié)合擾動技術，有效干擾了矩陣之間的相關性，解決了以往基于LU分解的密鑰預分配方案無法抵抗LU攻擊的問題，提高網(wǎng)絡安全能力。進一步反向利用LU攻擊原理，在密

7、鑰更新過程中，快速擴展密鑰原材料，在減少節(jié)點存儲需求、實現(xiàn)消息認證的同時，提高對動態(tài)拓撲的自適應能力。.
　?。?）向FM協(xié)議密鑰構(gòu)建過程發(fā)起攻擊，證明了FM協(xié)議不具有前后向安全性。在此基礎上上，結(jié)合動態(tài)累加器技術，對FM協(xié)議的協(xié)議內(nèi)容進行改進，提出了一種能夠兼顧安全性和性能、能適應動態(tài)拓撲變化的認證組密鑰管理協(xié)議。
　?。?）考慮到以往通過計算一次通信或一組通信能耗來衡量協(xié)議短期靜態(tài)性能的方式難以分析協(xié)議的長期動態(tài)性能，對