分布式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理研究.pdf

1、隨著無(wú)線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與微系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，分布式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事國(guó)防、環(huán)境監(jiān)測(cè)、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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域一個(gè)極為重要的創(chuàng)新課題。但是，由于自身的特點(diǎn)和所處的環(huán)境，分布式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)容易受到攻擊，節(jié)點(diǎn)信息易于被捕獲和泄漏。因此，分布式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全已經(jīng)成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要問(wèn)題。
　　 在分布式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制中，密鑰管理起著基礎(chǔ)性的作用。由于分布式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有

2、規(guī)模大、節(jié)點(diǎn)資源非常有限、分布式等特點(diǎn)，傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的密鑰管理機(jī)制已經(jīng)不適合它。近年來(lái)，國(guó)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理方法：隨機(jī)性算法和確定性算法。雖然研究者們?cè)谒惴▽?shí)現(xiàn)和性能表現(xiàn)上取得了很大的進(jìn)步，但是它們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)連通率、安全耐受性和存儲(chǔ)消耗等性能方面缺乏均衡性。
　　 因此，本文在對(duì)分布式無(wú)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(jī)性和確定性兩種方法入手，對(duì)

3、分布式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的密鑰預(yù)分配和建立進(jìn)行了詳細(xì)的分析和研究。主要的研究?jī)?nèi)容包括：
　　 1.分布式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的隨機(jī)性密鑰預(yù)分配研究
　　 針對(duì)基于部署策略的隨機(jī)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(wèn)題，本文提出一種基于有限域多項(xiàng)式池的隨機(jī)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(diǎn)分別劃為若干矩形區(qū)域

4、和節(jié)點(diǎn)組，每個(gè)節(jié)點(diǎn)組部署在一個(gè)矩形區(qū)域內(nèi)；然后部署服務(wù)器產(chǎn)生一個(gè)主多項(xiàng)式池，并從該主多項(xiàng)式池隨機(jī)抽取多項(xiàng)式組成若干子多項(xiàng)式池，每個(gè)節(jié)點(diǎn)組對(duì)應(yīng)一個(gè)子多項(xiàng)式池；最后在密鑰建立階段，每個(gè)節(jié)點(diǎn)從本組子多項(xiàng)式池中選取多項(xiàng)式組成多項(xiàng)式環(huán)，節(jié)點(diǎn)間的連通率由子多項(xiàng)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(wèn)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(shí)，該算法特別適用于大規(guī)模分布式無(wú)線傳感器網(wǎng)

5、絡(luò)的應(yīng)用。
　　 2.分布式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的隨機(jī)性密鑰建立研究
　　 為了進(jìn)一步研究部署策略中網(wǎng)格形狀對(duì)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(jī)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(gè)三角形網(wǎng)格預(yù)分配一個(gè)多項(xiàng)式，每個(gè)網(wǎng)格存在與周圍十三個(gè)鄰近網(wǎng)格的多項(xiàng)式共享。在密鑰建立階段，任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)尋找多項(xiàng)式共享來(lái)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(guò)調(diào)整節(jié)點(diǎn)部署密度、三角形大小和多項(xiàng)式階數(shù)的高低，網(wǎng)絡(luò)通信泄漏的概率會(huì)極大的降低，達(dá)到進(jìn)一步增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全耐受性的要求。
　　 3.分布式無(wú)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(lái)實(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)部署區(qū)域劃分為若干個(gè)互不重疊的六邊形網(wǎng)格，并在每對(duì)鄰近的網(wǎng)格間建立一個(gè)由Blom矩陣生成的秘密矩陣。任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)相同的秘密矩陣信息來(lái)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(diǎn)抗捕獲攻擊能力和存儲(chǔ)消耗之間具備一個(gè)良好的平

8、衡點(diǎn)。
　　 4.分布式無(wú)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(xiàng)式池的確定性密鑰建立方案中，多項(xiàng)式池的有效分配和共享密鑰的建立始終是個(gè)難點(diǎn)。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(duì)稱多項(xiàng)式矩陣的LU分解特性，保證任意一對(duì)節(jié)點(diǎn)間都有共享多項(xiàng)式，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)的多重認(rèn)證。相比同樣利用LU矩陣