異構(gòu)傳感網(wǎng)密鑰管理協(xié)議設(shè)計(jì)與建模分析.pdf

1、異構(gòu)傳感網(wǎng)中的傳感器節(jié)點(diǎn)常具有不同的通信范圍、感知范圍，也可能在網(wǎng)絡(luò)中執(zhí)行不同的應(yīng)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(diǎn)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(luò)運(yùn)行過程中自然形成的。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，備受關(guān)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(dǎo)實(shí)用化的、與應(yīng)用場景相關(guān)的異構(gòu)傳感網(wǎng)密鑰管理協(xié)議設(shè)計(jì)與分析，已成為當(dāng)今傳感網(wǎng)安

2、全研究的熱點(diǎn)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(gè)方面：(1)異構(gòu)性研究，主要致力于通過向網(wǎng)絡(luò)中引入高能節(jié)點(diǎn)完成復(fù)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(luò)，讓由高級節(jié)點(diǎn)組成的簇頭層負(fù)責(zé)各組成員節(jié)點(diǎn)密鑰的分發(fā)、更新和撤銷；（2）對稱密鑰管理協(xié)議設(shè)計(jì)，力圖為網(wǎng)絡(luò)中的兩兩節(jié)點(diǎn)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(luò)開銷，保障信息安全；（3）組密鑰管理協(xié)議設(shè)計(jì)，致力

3、于為成組節(jié)點(diǎn)構(gòu)建共享密鑰，緩解組成員關(guān)系動態(tài)變化、網(wǎng)絡(luò)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(luò)丟包的問題提出了恢復(fù)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(jìn)行合理評估，為后續(xù)改進(jìn)或?yàn)樘囟ǖ膽?yīng)用選擇恰當(dāng)?shù)膮f(xié)議提供幫助。
　　然而，當(dāng)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(luò)的條件下設(shè)計(jì)協(xié)議，僅將異構(gòu)性考慮為協(xié)議部屬的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境背景，缺乏在協(xié)議設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)能夠兼顧各項(xiàng)特殊應(yīng)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(xiàng)尚待解決的重要課題。
　　在國家自然科學(xué)基金（6117024

5、1）、網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（SKLNST-2009-1-10）和哈爾濱工程大學(xué)自然科學(xué)基金培育項(xiàng)目的支持與資助下，本論文在充分分析當(dāng)前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，主要進(jìn)行了下面四方面研究：
　　（1）以異構(gòu)性為切入點(diǎn)，以多維度細(xì)粒度異構(gòu)性刻畫方法為研究內(nèi)容，以拓?fù)潼c(diǎn)集理論和隨機(jī)過程為技術(shù)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(jìn)和分析密鑰管理協(xié)議的實(shí)例，提出了多階段能量有效的密鑰預(yù)分配

6、協(xié)議。實(shí)驗(yàn)分析表明在協(xié)議設(shè)計(jì)過程中合理的利用異構(gòu)性，能夠有效的改進(jìn)協(xié)議有效性，延長網(wǎng)絡(luò)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(shù)、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(shù)，有效干擾了矩陣之間的相關(guān)性，解決了以往基于LU分解的密鑰預(yù)分配方案無法抵抗LU攻擊的問題，提高網(wǎng)絡(luò)安全能力。進(jìn)一步反向利用LU攻擊原理，在密

7、鑰更新過程中，快速擴(kuò)展密鑰原材料，在減少節(jié)點(diǎn)存儲需求、實(shí)現(xiàn)消息認(rèn)證的同時(shí)，提高對動態(tài)拓?fù)涞淖赃m應(yīng)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(chǔ)上上，結(jié)合動態(tài)累加器技術(shù)，對FM協(xié)議的協(xié)議內(nèi)容進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種能夠兼顧安全性和性能、能適應(yīng)動態(tài)拓?fù)渥兓恼J(rèn)證組密鑰管理協(xié)議。
　?。?）考慮到以往通過計(jì)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