线传感器网络安全方案设计
（计算机学院通信工程专业08级 指导教师：）
摘：
线传感器网络量静止移动传感器组织跳方式构成线网络目协作感知采集处理传输网络覆盖理区域感知象监测信息报告户 英文Wireless Sensor Network 简称WSN传感器网络安全传感器网络核心保证传感器网络够正常运作文线传感器网络路安全协议密钥理协议安全定位协议三方面进行分析着重分析线传感器网络密钥理协议详细分析种较重密钥理方案线传感器网络安全重性
关键字：传感器 密钥理 安全协议 方案设计
Wireless sensor network security design
Abastract
Wireless sensor network is a large number of stationary or moving sensor consisting of selforganization and multihop wireless network with the aim of the collaboration awareness acquisition processing and transmission network covers the perception of objects in the geographic area of monitoring information and report back tousers English is a Wireless Sensor Network of WSN for shortAnd Sensor network security is the core of the sensor network It ensures that the sensor network is capable of normal operation This paper mainly analysis the routing security protocol for wireless sensor networks key management protocol security location protocol focusing on the key management protocol for wireless sensor networks a detailed analysis of several key management scheme and itsthe importance of the wireless sensor network security
KEYWORDS Sensor Key management Security protocol program design
目录
引言 2
第章 线传感器网络基础知识 4
11 线传感器网络概述 4
12 线传感器网络体系架构 4
13 线传感器网络安全需求 6
14 线传感器网络安全协议 7
142 线传感器网络关键技术 8
第二章 线传感器网络安全性分析 11
21 攻击种类 11
22 线传感器网络安全防范策安全协议概述 13
221路安全协议 13
222密钥理协议 15
223安全定位协议 17
第三章 线传感器网络密钥理协议效方案设计 18
31线传感器网络密钥理安全性 18
32 典型线传感器网络密钥理方案协议 19
321 Eschenauer机密钥预分配方案 19
322 EG方案种改进 20
323基栅格密钥预分配方案 23
324基组合密钥预分配方案 24
325 SPINS（securiry protocols for sensor networks）协议LEAP(localized encryption and authentication protocol)协议 24
326 基IBC（identiybased cryptography）密钥预分配方案 26
327 方案协议综合分析需解决研究问题 26
第四章 总结 28
参 考 文 献 28
致 谢 29
引言
着微电子技术MEMS技术断进展作信息获取基重技术——传感器技术长足发展伴着信息时代网络化进程传感器信息获取技术已单化渐渐集成化微型化网络化发展
计算机技术发展已进入PC时代PC时代特点推动计算机桌面系统数中心进入物理环境中
线传感器网络（WSN）技术技术进步基础发展起种集成监测控制线通信技术网络系统传感器网络节点般搭载传感器感知物理世界采跳传播基础设施组网节点信息采集发出者充信息路者具规模组织动态性应相关数中心等特点
线传感器网络传统线网络：
线传感器网络节点数目众般没全球唯网络标识符传统线线网络中节点唯址路传感器网络数中心某节点间路需线传感器网络中宜采传统路协议
二线传感器网络中数流需信息般区域数融合需信息传送目节点——sink节点统交付户
三传感器节点电存储容量限观测象部附部署量传感器节点节点中收集数附节点收集数存传感器节点采集数相相存冗余信息传输数会消耗量节点量没必数全部发送汇聚节点需路协议具数融合力提高带宽利率
四线传感器网络中部分节点传统Ad hoc网络中节点样快速移动没必花费代价频繁更新路表信息
线传输电池供电覆盖范围节点生存期受定限制
现实问题远处部署线传感器网络中提取数种方法连接WSN现网络设施包括国际互联网天部分网络IP协议作基技术实现WSNIP网络互联网成热门研究课题
WSN采跳传播基础设施网组野外战场等恶劣偏远环境中电力系统运营通信网络覆盖方传感器网络武计算机等功率较设备实现野外目标探测传感器实时监控实现线传感器网络远程访问现实采低功耗单片机微控制器组成系统利太网供电技术定范围拓展太网覆盖范围延伸WSN接入点作半径成具实研究意义课题
第章 线传感器网络基础知识
11 线传感器网络概述
线传感器网络前国际备受关注科学交叉新兴前研究热点领域简单说线传感器网络（wireless sensor network WSN）许集传感驱动控制力计算力通信力身资源受限（指计算存储源方面限制）嵌入式节点通线方式互联起网络指特定应环境中布置传感器节点线通信方式组织成网络传感器节点完成指定数采集工作节点通线传感器网络数发送网络中终特定应接收
WSN量密集部署监控区域智节点构成种网络应系统通线通信方式形成跳组织网络系统广泛运设施安全环境监控工业应交通控制等传统线Ad hoc网络线传感器网络节点没统标识节点间通广播跳通信方式进行数交换节点数量机分布密布较网络拓扑结构时间动态变化节点设供电电源量限生命周期短WSN需研究新技术保证实现网络量消耗化节点生命周期化量负载均衡化通信力优化目标WSN技术涉研究领域非常广泛中相部分集中网络层路协议链路层MAC协议系统节策略步定位等性技术WSN应目标协作感知采集处理网络覆盖区中感知象信息发观察者三素传感器感知象观察者说WSN逻辑信息世界客观物理世界融合起改变类然界交互方式
机分布传感器数处理单元通信模块微节点通组织方式构成网络助节点中置形式样传感器测量周边环境中热红外声纳雷达震波信号探测包括温度湿度噪声光强度压力土壤成分移动物体速度方等众感兴趣物质现象通信方式然采线线红外光等种形式般认短距离线低功率通信技术适合传感器网络明确起见般称线传感器网络（WSNWireless Sensor Network）[6]
12 线传感器网络体系架构
线传感器网络结构图11示传感器网络系统通常包括传感器节点（sensor node）汇聚节点（sink node）理节点量传感器节点机部署检测区域（sensing region）组织方式构成网络通跳中继方式检测数传送汇聚节点通互联网卫星达理节点户通理节点传感器网络进行配置理发布检测务收集检测数[7]
图11 线传感器网络体系结构
传感器节点微型嵌入式系统计算力存储力通信力非常限量限传感器节点进行信息收集外节点转发数进行融合相较言汇聚节点方面力强具足够力供汇聚节点通常外部网络直接相连负责发布理节点检测务收集数转发外部网络
传感器节点般数采集模块处理器模块线通信模块量供应模块四部分组成数采集模块负责数采集转换处理器模块负责数处理线通信模块负责节点进行数传输量供应模块负责运行需量通常采微型电池
传感器节点处理器通常嵌入式CPUIntel8086外系统需微型化操作系统进行务调度理UC BerkeleyTinyOS嵌入式Linyx等图12描述节点组成数感知单元通传感器区域进行数采集感知进行模数转换数处理单元数信号进行简单处理数传送单元调制发射出
图12 传感器节点体系结构
1 数采集模块：组传感器数模转换装置构成数采集模块负责周围环境物理现象转换成数字信号例测量周边环境中热红外声纳雷达震波信号探测包括温度湿度噪声光强度压力土壤成分移动物体速度方等众户感兴趣物理现象数采集模块提供采集信息力数字世界物理世界联系起
2 处理器模块：处理器存储器构成处理器模块负责协调线传感器模块工作数采集模块获取信息进行必处理存储控制线通信模块量供应模块工作模式等处理器模块提供处理信息量线传感器节点智化
3 线通信模块：短距离线收发电路构成线通信模块负责线传感器邻居节点基站进行线通信线通信模块提供传输信息力单独线传感器节点联接成协作网络
4 量供应模块：电池构成量供应模块线传感器模块提供电源
13 线传感器网络安全需求
线传感器网络会遇窃听消息修改消息注入路欺骗拒绝服务恶意代码等安全威胁外线传感器网络中安全概念发生变化通信安全中重部分隐私保护日渐重授权重性降低
线传感器网络开放性分布线广播通信特征存安全隐患应背景线传感器网络信息提出保护需求线传感器网络安全需求表现方面：
1 机密性
机密性确保传感器网络节点间传输敏感信息安全基求线通信广播特性容易截听机密性窃听方截获节点间物理通信信号然知道携带消息容
2 完整性
线传感器网络通信环境恶意节点实施数丢失损坏攻击提供方便完整性求网络节点收数包传输程中未插入删篡改等保证收消息源方发出消息完全致
3 真实性
线传感器网络真实性需求体现点点消息认证广播认证前者指节点收节点消息时够核实消息源真实性伪造假者解决单节点组节点发送统通告时真实性确认问题
4 性
性求线传感器网络够时预先设定工作方式系统合法户提供信息访问服务攻击者通复制伪造信号干扰等方式传感器网络处部分全部瘫痪状态破坏系统性典型拒绝服务（DoS）攻击
5 新鲜性
线传感器网络中节点数目众路径消息传输机制重放攻击目标接收方收延相数包新鲜性求接收方收数包新非重放体现消息时效性
6 鲁棒性
线传感器网络应具强动态性确定性包括网络拓扑变化节点加入面种威胁等线传感器网络种安全攻击应具强适应性存活性某次攻击行逞该特性求影响化单节点受威胁会导致整网络瘫痪
7 访问控制
访问控制求访问线传感器网络户身份进行确认确保合法性传感器网络区传统网络节点物理访问设置防火墙进行访问滤线传感器网络资源受限特征基非称加密体制数字签名公匙证书机制难应[12]
14 线传感器网络安全协议
141 概述
着通信技术 嵌入式计算技术传感器技术飞速发展日益成熟具感知力计算力通信力微型传感器开始世界范围出现传感器网络巨应价值已引起世界许国家军事部门工业界学术界极关注Intel Microsoft 等信息工业界巨头开始传感器网络方面研究工作纷纷设立启动相应行动计划
142 线传感器网络关键技术
线传感器网络作信息领域新研究热点涉科学交叉研究领域非常关键技术发现研究面仅列出部分关键技术
1 网络拓扑控制
线组织传感器网络言网络拓扑控制具特重意义通拓扑控制动生成良网络拓扑结构够提高路协议MAC协议效率数融合时间步目标定位等方面奠定基础利节省节点量延长网络生存期拓扑控制线传感器网络研究核心技术
传感器网络拓扑控制目前研究问题满足网络覆盖度连通度前提通功率控制骨干网节点选择剔节点间必线喜链路生成高效数转发网络拓扑结构拓扑控制分节点功率控制层次型拓扑结构形成两方面功率控制机制调节网络中节点发射功率满足网络连通度前提减少节点发送功率均衡节点单跳达邻居数目已提出COMPOW等统功率分配算法LINTLILTLMNLMA等基节点度数算法CBTCLMSTRNGDRNGDLSS等基邻图似算法层次型拓扑控制利分簇机制节点作簇头节点簇头节点形成处理转发数骨干网非骨干网节点暂时关闭通信模块进入休眠状态节省量目前提出TopDisc成簇算法改进GAF虚拟理网格分簇算法LEACHHEED等组织成簇算法
传统功率控制层次型拓扑控制提出启发式阶段唤醒休眠机制该机制够节点没事件发生时设置通信模块睡眠状态事件发生时时动醒唤醒邻居节点形成数转发拓扑结构种机制重点解决节点睡眠状态活动状态间转换问题够独立作种拓扑结构控制机制需拓扑控制算法结合
2 网络协议
传感器节点计算力存储力通信力携带量十分限节点获取局部网络拓扑信息运行网络协议太复杂时传感器拓扑结构动态变化网络资源断变化网络协议提出更高求传感器网络协议负责独立节点形成跳数传输网络目前研究重点网络层协议数链路层协议网络层路协议决定监测信息传输路径数链路层介质访问控制构建底层基础结构控制传感器节点通信程工作模式
线传感器网络中路协议仅关心单节点量消耗更关心整网络量均衡消耗样延长整网络生存期时线传感器网络数中心路协议中表现突出节点没必采全网统编址选择路径根节点编址更根感兴趣数建立数源汇集节点间转发路径目前提出种类型传感器网络路协议量感知路协议定扩散谣传路等基查询路协议GEAR GEM等基理位置路协议SPEEDReInForM等支持QoS路协议
传感器网络MAC协议首先考虑节省源扩展性次考虑公性利率实时性等MAC层源浪费表现空闲侦听接收必数碰撞重传等减少量消耗MAC协议通常采侦听睡眠交线信道侦听机制传感器节点需收发数时菜侦听线信道没数需收发时量进入睡眠状态
3 网络安全
线传感器网络作务型网络仅进行数传输进行数采集融合务协控制等保证务执行机密性数产生性数融合高效性数传输安全性成线传感器网络安全问题需全面考虑容
保证务机密布置务执行结果安全传递融合线传感器网络需实现基安全机制：机密性点点消息认证完整性鉴新鲜性认证广播安全理外确保数融合数源信息保留水印技术成线传感器网络安全研究容
然安全研究方面线传感器网络没引入太容线传感器网络特点决定安全传统网络安全研究方法计算手段首先线传感器网络单元节点方面力目前Internet种网络终端相必然存算法计算强度安全强度 间权衡问题通更简单算法实现量坚固安全外壳线传感器网络安全挑战次限计算资源量资源需系统种技术综合考虑减少系统代码数量安全路技术等外线传感器网络务协作特性路局部特性节点间存安全耦合单节点安全泄露必然威胁网络安全考虑安全算法时候量减少种耦合性
线传感器网络SPINS安全框架机密性点点消息认证完整性鉴新鲜性认证广播方面定义完整效机制算法安全理方面目前密钥预分布模型作安全初始化维护机制中机密钥模型基项式密钥模型等目前代表性算法
4 定位技术
位置信息传感器节点采集数中缺少部分没位置信息监测消息通常毫意义确定事件发生位置采集数节点位置传感器网络基功提供效位置信息机部署传感器节点必须够布置确定身位置传感器节点存资源限机部署通信易受环境干扰甚节点失效等特点定位机制必须满足组织性健壮性量高效分布式计算等求
根节点位置否确定传感器节点分信标节点位置未知节点信标节点位置已知位置未知节点需少数信标节点某种定位机制确定身位置传感器网络定位程中通常会三边测量法三角测量法极似然估计法确定节点位置根定位程中否实际测量节点间距离角度传感器网络中定位分类基距离定位距离关定位
基距离定位机制通测量相邻节点间实际距离方位确定未知节点位置通常采测距定位修正等步骤实现根测量节点间距离方位时采方法基距离定位分基TOA定位基TDOA定位基AOA定位基RSSI定位等实际测量节点间距离角度基距离定位机制通常定位精度相较高节点硬件提出高求距离关定位机制须实际测量节点间绝距离方位够确定未知节点位置目前须测量节点间绝距离方位降低节点硬件求节点成更适合规模传感器网络距离关定位机制定位性受环境素影响然定位误差相应增加定位精度够满足数传感器网络应求目前家重点关注定位机制
143 线传感器网络重性
线传感器网络集成传感器微机电系统网络3技术种全新信息获取处理技术够协作实时监测感知采集网络分布区域种环境监测象信息信息进行处理获详准确信息传送需信息户传感器网络时间点环境条件获取量详实信息线传感器网络系统广泛应军事领域环境科学医疗健康空间探索交通理制造业反恐抗灾等领域
1 军事领域
线传感器网络节点具巧隐蔽性环境适应性等特点非常适合应恶劣战场环境中应侦查敌情监控兵力装备物资等方面途
2 环境监测预报
着环境问题关注程度越越高需采集环境数越越越越具体线传感器网络出现机性研究数获取提供便利线传感器网络踪候鸟昆虫迁移研究环境变化农作物影响监测海洋气土壤成分等
3 医疗护理
线传感器网络医疗研究护理领域展身手罗彻特学科学家线传感器创建智医疗房间微尘测量居住者重征兆睡觉姿势天24时活动状况
4 途
线传感器网络应领域危险工业环境井矿核电厂等工作员通实施安全监测交通领域作车辆监控力工具外工业动化生产线等诸领域
第二章 线传感器网络安全性分析
21 攻击种类
点破坏路协议执行程仅仅通侦听路通信程获取路信息线频谱开放性类攻击检测相困难动式攻击指恶意节点阻止路建立更改包传送方中断路利虚假数欺骗网络认证授权等破坏性行动式攻击进步分外部攻击部攻击外部攻击指位网络外部攻击者网络发起攻击部攻击指认证授权已成网络成员恶意节点(Compromised节点文称叛变节 点) 网络部发起攻击显然部攻击破坏性更强里网络路攻击方法结种窃听欺骗篡改重放( Relay) 路信息选择性转发攻击塌陷(Sink hole ) 攻击女巫( Sybil ) 攻击蛀洞(Wormhole ) 攻击HELLO 泛洪攻击应答欺骗(Acknowledgement Spoofing) 等
1 窃听欺骗篡改重放路信息
路协议直接攻击目标节点间交换路信息攻击者通窃听欺骗篡改重放路信息生成路环路引诱拒绝通信流量延长缩短源路产生虚假错误消息分隔网络增加端端延迟(Latency) 等
2 选择性转发攻击
跳(Multi hop) 网络通常假设参传输节点会透明转发接收消息选择性转发攻击中恶意节点会拒绝转发某消息丢弃该攻击种简单形式恶意节点象黑洞(Black Hole) 样拒绝转发接收数包该攻击弱点邻节点识出恶意节点效性选择外条路该攻击种更巧妙形式攻击者选择性转发数包 攻击者通删更改感兴趣节点数包信息进行转发减少节点非法操作猜疑攻击者处数流路径中时选择性转发攻击般效
3 Sinkhole 攻击
Sinkhole 攻击中攻击者目标通叛变节点引诱特定区域通信流量该区域中心造成类似塌陷样攻击例协议链路性延迟等信息验证路质量种情况攻击者利足够发射功率Wormhole 攻击提供条高质量路通叛变节点真实虚拟高质量路攻击者邻节点通攻击者基站转发包邻节点传播该路实际攻击者建立洞吸引节点发基站通信
4 Sybil 攻击
Sybil 攻击中攻击者网络中节点身份出现Sybil 攻击够基理位置路协议显著威胁位置感知路协议通常需节点邻节点交换坐标信息效发送标指定址数包般情况节点仅相邻节点接收唯组坐标值Sybil 攻击攻击者时拥位置坐标
5 Wormhole 攻击
Wormhole 攻击中常见攻击形式2 相距远恶意节点通特定方式起虚报间距离位基站附攻击者通适设置Wormhole完全破坏路攻击者通Wormhole 基站正常跳节点相信基站两跳距离样产生Sinkhole Wormhole 方攻击者提供基站高质量路果路没明显吸引力周围区域通信引诱条路
6 HELLO 泛洪攻击
HELLO 泛洪攻击种新型针传感器网络攻击方法许协议需节点广播HELLO包相邻节点广播攻击者足够发射功率广播路信息网络中节点相信攻击者邻居HELLO 泛洪攻击攻击者需构建合法通信攻击者简单足够功率重播窃听(Overheard) 包网络中节点接收
7 应答欺骗
许路协议赖固定链路层应答攻击者通欺骗链路层应答窃听相邻节点数包应答欺骗目标包括发送者相信实际效率低链路效率高者认已停禁节点效例路协议根链路性选择路径中跳增加效率低效链路种计划巧妙方式发送包效率低效链路丢失攻击者应答欺骗方式促目标节点链路发送包效进行选择性转发攻击
22 线传感器网络安全防范策安全协议概述
221路安全协议
1 路协议般描述
路协议选择条源节点目标节点路径然通条路径传送信息包规线传感器网络路协议设计目标尤更特殊求种类型路协议包括路发现路选择路维护（删）程传感器网络节点睡眠状态耗远远低工作者开启等状态耗般节约量传感器节点传输数前处睡眠状态需数传输时开始转入路建立（发现）程首先源节点广播路请求包PPEQ（Routing Request）者目节点广播信息请求包IREQ（Ingormation Request）中间节点路包进行转发事回转路应答包RREP(Routing Reply)直源节点目节点间建立起路次根实际需求路协议设计目标进行路选择然实际通信程中节点量安全攻击等素定期定期队现路进行维护（删）
出整程中没涉身份确认问题法解决恶意节点篡改请求信息者充目标节点问题次中间节点安全性没监测确保请求信息安全建立源节点目标节点间正确路径值参考问题
2 线传感器网络安全路协议分类
传感器节点资源限现密码体制难直接线传感器网络称密钥机制简单易运算复杂特点引入线传感器网络中作加密方式着线传感器网络路协议发展相继出现性良路协议层次式路协议路径路协议称密钥机制引入路协议中保证数传输安全性线传感器网络中称密钥机制分享密钥簇密钥租密钥等述基密钥认证安全解决方案抵御通认证合法节点发起攻击部攻击信解决开放式网络中部攻击解决方法够抵御网络恶意节点种恶意攻击根线传感器网络安全路协议实现方式线传感器网络安全路协议进行分类图21示
图21 线传感器网络安全路协议分类
3 解决路安全威胁措施
（1） 防御虚假路信息
针虚假路信息直接防范措施采取消息加密身份认证消息认证路信息广播认证入侵监测信机制保证信息传输完整性机密性方式求传感器网络支持密钥理机制间接防范措施利传感器节点冗余性提供条路径某链路破坏进行数传输情况然利备路径完成务路径够保证通信性性具入侵容忍力针消息窃取采称密码加密确保传感器网络机密性标准解决方案基椭圆曲线密码体制分布式认证方案效防御虚假路攻击
（2） 防御污水池攻击
传感器网络中存污水池攻击链路层加密验证防止数路协议外部攻击攻击者难加入网络拓扑中污水池攻击难达目目前路层般通路协议进行精密设计进行效防止
理路协议效防御污水池攻击该协议中节点保持绝彼相位置信息节点间需局部交换信息形成拓扑结构荡污水池攻击节点妄图跨越物理拓扑时局部节点通彼间拓扑信息识破种破坏邻居节点会注意两者间距离远远超出正常通信范围外流量然流基站物理位置位置难吸引流量创建黑洞前提邻居节点广播位置信息信
（3） 防御虫洞攻击
目前防御虫洞攻击效措施少传感器网络中严格时间步机制效防止虫洞攻击时间步机制成熟目前法应传感器网络外直接定位系统者间接定位机制效识具虫洞攻击节点现路协议中增加防御机制难实现办法设计虫洞攻击效路协议例：基理位置路协议
（4） 防御女巫攻击
传感器网络外部女巫攻击认证加密方法效组织网络部女巫攻击效信基站节点享称密钥两节点间互相身份验证建立享密钥防止部攻击网络周围逐步网络中节点建立享密钥基站合理限制邻节点数量运线资源检测发现女巫攻击源身份注册机密钥分发建立节点间安全连接等方法老防止女巫攻击理路协议中安全定位技术防御女巫攻击
（5）解决选择性转发攻击
解决选择性转发攻击直接方案检测机制节点行做出评价做出恶意行超出正常标准节点基站者簇头该恶意节点排网络外参正常网络通信间接方案冗余路径方式路径路方式种方式够付种攻击路径路种容侵机制部分节点局部网络遭受攻击时候正常通信种方式增加耗
（6） 防御Hello flood攻击
邻居节点间局部信息交换进行网络拓扑维护流控制路协议容易受Hello flood攻击Hello flood攻击效方法通信双方采取效措施进行身份认证者通信基站确认 邻居节点身份节点位置限制邻居节点范围
（7） 防御欺骗信息
身份认证数字签名方法保证通信方身份合法性资源受限传感器网络中必须建立套综合考虑安全性效率性进行合理折中传感器网络身份认证方案
（8） 防御拒绝服务攻击
传感器网络配置功强攻击者说相脆弱传感器网络层存种拒绝服务攻击形式攻击形式应方式[13]
222密钥理协议
WSN密钥理协议设计复杂棘手问题年然生物系统（Natural biological systems）中启示采然生物系统中某机理解决复杂网络问题采具进化特性遗传算法提高WSN路协议性采循环系统方法量传感器节点工逐节点部署行逐修改传感器节点代码者节点预先存储密钥材料样十分困难（节点没外接接口USB等）简单易行方法批量生产软件相传感器节点需节点进行预处理投入Anderson等提出密钥传播（Key Infection）协议节点数目庞功简单资源严格受限WSN提供初始密钥建立理外提供密钥进化（Key Evolution）等bio_inspired类算法设计WSN密钥理安全协议WSN安全设计中新发展方
2003年WSN密钥理历研究高峰期取许成果方案协议侧重点面协议特点进行分类
1 称密钥理非称密钥理
根密码体制WSN密钥理分称密钥理非称密钥理两类称密钥理方面通信双方相密钥加密算法数进行加密解密称密钥理具密钥长度长计算通信存储开销相较等特点较WSN目前WSN密钥理流研究方非称密钥理方面节点拥加密解密密钥般计算意义安全加密算法非称密钥理节点计算存储通信等力求较高度认适应WSN研究表明非称加密算法优化适WSN安全角度非称密码体制安全强度计算意义高称密码体制
2 分布式密钥理层次式密钥理
根网络结构WSN密钥理分分布式密钥理层次式密钥理两类分布式密钥理中节点具相通信力计算力节点密钥协商更新通节点预分配密钥相互协作完成层次WSN密钥理里节点划分干簇簇力较强簇头（cluster head）负责理普通节点密钥分配协商更新等通簇头完成
分布式密钥理特点密钥协商通相邻节点相互协作实现具较分布特性层次式密钥理特点普通节点计算存储力求低簇头受损导致严重安全威胁
3 静态密钥理动态密钥理
根节点部署密钥否更新WSN密钥理分静态密钥理动态密钥理两类静态密钥理中节点部署前预分配定数量密钥部署通协商生成通信密钥通信密钥整网络运行期考虑密钥更新撤销动态密钥理中密钥分配协商撤销操作周期性进行
静态密钥理特点通信密钥需频繁更新会导致更计算通信开销排受损节点继续参网络操作存受损节点网络具安全威胁动态密钥理特点节点通信密钥处动态更新状态攻击者难通俘获节点获取实时密钥信息密钥动态分配协商更新撤销操作导致较通信计算开销
4 机密钥理确定密钥理
根节点密钥分配方法WSN密钥理分机密钥理确定密钥理机密钥理中节点密钥链（Key Ring）通机方式获取密钥池里机选取部分密钥密钥空间里机选取干密钥空间确定密钥理中密钥链确定方式获取理信息称BIBD（nalanced incomplete block design）称项式等连通概率角度机密钥理密钥连通概率介01间确定密钥理连通概率总1
机性密钥理优点密钥分配简单节点部署方式受限制缺点密钥分配具盲目性节点存储密钥浪费存储空间确定密钥理优点密钥分配具较强针性节点存储空间利较意两节点直接建立通信密钥缺点特殊部署方式会降低灵活性密钥协商计算通信开销较
223安全定位协议
1基概念描述
线传感器网络节点定位技术中根节点否已知身位置传感器节点分锚节点（anchor node）称信标节点（beacon node）未知节点（unkonwm node）锚节点未知节点定位参考节点锚节点网络节点中占例根定位需求具体设定定位方法包括通携带GPS定位设备等手段获身精确未知某情况预先设置相应位置锚节点外传感器节点未知节点通锚节点位置信息确定身位置
线传感器网络定位方法包括种分类绝定位相定位物理定位符号定位集中式计算分布式计算紧密耦合松散耦合基测距技术定位需测距技术定位等等
2 传感器网络节点定位系统
定位指节点获取理位置信息受价格体积功耗扩展性等素限制数传感器网络节点定位系统采取利信标节点辅助节点定位方案网络中包含少量信标节点节点通携带GPS(global position system)定位组件等手段获身位置信息发送包含位置参信息信标报文建立坐标系未知节点定位程中首先测量估算未知节点邻信标节点位置关系(距离角度区域包含关系等)然利位置关系特定算法计算出未知节点坐标执行计算体未知节点信标节点者某授权节点(authority)常算法包括三边测量(trilateration)三角测量(triangulation)极似然估计(multilateration)等
定位系统包括基测距(rangebased)定位须测距(rangefree)定位两类基测距定位需测量节点间点点距离角度信息常测量技术TOA(time of arrival)TDOA(time difference of arrival)AOA(angle of arrival)RSSI(received signal strength indicator)须测距定位利网络连通性等信息估算节点间位置关系常算法质心算法APIT算法DVHop算法Amorphous算法等
3 节点定位系统受攻击分析
攻击者节点定位系统攻击发生位置关系测量估算阶段攻击目标通常信标节点者传输信标报文线链路定位系统基物理属性定位程攻击手段系统采定位技术密切相关具体分析
（1） 针基测距定位攻击
基测距定位尤容易受发生物理层链路层测距干扰欺骗攻击导致测距结果实际结果偏差超正常范围攻击者仅移动隔离信标节点降低定位精度发起线电干扰攻击
（2） 针须测距定位攻击
类似须测距定位位置关系估算阶段容易受干扰欺骗目攻击然种类述针节点线信道物理层链路层攻击包括针网络层攻击重放伪造篡改丢弃信标报文虫洞攻击女巫攻击(sybil attack)等中针定位系统女巫攻击指恶意节点编造出许身份网络中出现存节点干扰定位协议正常运作
4 传感器网络节点定位系统安全措施分析较
常规安全机制抗泄密硬件软件技术扩频编码技术称非称加密算法等难防御述针定位技术物理属性定位程脆弱性发起攻击传感器节点定位系统定制安全措施应运生根安全目标安全措施分距离界定安全定位入侵异常检测隔离鲁棒性节点定位算法等4方面协议算法间存较差异时着定关联
第三章 线传感器网络密钥理协议效方案设计
31线传感器网络密钥理安全性
典型网络样WSN密钥理必须满足性（availability）完整性（authentication）认（nonreputation）等传统安全需求外根WSN密钥理应满足性评价指标：
1 扩展性（scalability）：WSN节点规模少十十种成千万着规模扩密钥协商需计算存储通信开销会增密钥理方案协议必须够适应规模WSN
2 效性(efficiency)：网络节点存储处理通信力非常受限情况必须充分考虑具体言应考虑方面：存储复杂度（storage complexity）保存通信密钥存储空间情况计算复杂度（computation complexity）生成通信密钥必须进行计算情况通信复杂度（communication complexity）通信密钥生成程中需传送信息量情况
3 密钥连接性（key connecivity）：节点间建立通信密钥概率保持足够高密钥连接概率WSN发挥应功必条件需强调WSN节点距离较远节点直接通信需保证某节点节点保持安全连接仅需确保相连节点间保持较高密钥连接
4 抗毁性（resilience）：抵御节点受损力说存储节点链路交换信息未链路暴露安全方面信息抗毁性表示部分节点受损受损节点密钥暴露概率抗毁性越意味着链路受损越低
32 典型线传感器网络密钥理方案协议
321 Eschenauer机密钥预分配方案
EschenauerGligorWSN中先提出机密钥预分配方案（简称EG方案）该方案3阶段组成第1阶段密钥预分配阶段部署前部署服务器首先生成密钥总数P密钥池密钥标识节点密钥池里机选取k（k<根典机图理节点度d网络节点总数n存关系：
中Pc全连通概率节点期邻居节点数 (31)nˊ(nˊ<EG方案3方面满足符合WSN特点：节点仅存储少量密钥网络获较高安全连通概率例保证节点数10 000WSN保持全连通节点仅需密钥总数100 000密钥池机选取250密钥满足求二密钥预分配时需节点先验信息（节点位置信息连通关系等）三部署节点间密钥协商需Sink参密钥理具良分布特性
322 EG方案种改进
EG方案密钥机预分配思想WSN密钥预分配策略提供种行思路续许方案协议框架基础发展分享密钥阀值密钥池结构密钥预分配策略密钥路径建立方法等方面提高机密钥预分配方案性
1 qCcomposite机密钥预分配方案
Chen提出qCcomposite机密钥预分配方案（简称qCcomposite方案）中节点密钥总数|S|密钥池里机选取m密钥部署两相邻节点少享q密钥直接建立配密钥享密钥数t(t≥q)单散列函数建立配密钥Khash(k1||k2||…||kt)（密钥序列号事先约定）
着享密钥阀值增攻击者够破坏安全链路难度呈指数增时节点存储空间需求增阀值q选取该方案需着重考虑素实验表明网络中节点数量较少时该方案抗毁性EG方案着受损节点数量增该方案变较差
2 密钥空间机密钥预分配方案
Blom单密钥空间方案网咯中意两节点直接建立配密钥确保受损节点数超阀值时网络会泄露机密信息Du扩展密钥空间机密钥预分配方案网络节点总数N部署前部署服务器限域GF(q)(q足够素数)生成 (34) 公开矩阵G(G满足意 (35)线性相关)ω (36)称机密矩阵D1D2…Dω(DiG)i12…ω称密钥空间部署服务器分计算 (37)节点机选取 (38)密钥空间节点j选中矩阵DiJ保存矩阵Ai第j行元素行元素信息机密公开节点时保存矩阵G第j列相应种子值（仅保留种子值处节约存储空间考虑）部署意两相邻节点享密钥空间利矩阵Ai称直接建立配密钥配密钥生成图31示
图31生成配密钥
选择合适ω提高密钥空间暴露概率实验表明10安全链路受损EG方案qComposite方案必须俘获该方案5倍数量节点该方案缺点计算开销较Blom方案相该方案然降低密钥连通概率提高网络密钥连通抗毁性
3 称项式机密钥预分配方案
Blumdo方案称二元项式性质 (39)f(xy)f(yx)网络中意两节点建立配密钥Liu基础提出基称二元项式机密钥预分配方案部署前部署服务器相邻节点相项式享直接建立配密钥
实验表明受损节点数较少时该方案抗毁性EG方案qcompodite方案受损节点超定阀值时（60节点受损）该方案安全链路受损数量超述两方案
4 基理信息部署信息机密钥预分配方案
特殊应中节点位置信息部署信息预先概估计密钥理Liu静态WSN里建立基理信息配密钥方案（简称CPKS(closet pairwise keys scheme)方案）部署前节点机期位置c节点建立配密钥例节点u邻居节点v部署服务器机生成配密钥Kuv然(v Kuv)(u Kuv)分分配uv部署相邻节点通交换节点标识确定双方否存配密钥
CPKS方案优点节点仅限相邻节点建立配密钥网络规模受限制配密钥位置信息绑定节点受损会影响节点安全缺点密钥连通概率提高仅通分配更配密钥实现受定限制
针述问题Lin提出基理信息称二元项式机密钥预分配方案（简称LBKP(locationbased key predistribution)方案）该方案吧部署目标区域划分干致正方形区域部署前部署服务器生成区域数量相等称t阶二元项式区域指定唯二元项式节点根期位置确定处区域部署服务器吧该区域相邻左右4区域节点区域5二元项式享载入该节点部署两节点享少1二元项式享直接建立配密钥该方案通调整区域解决CPKS方案存连通概率受限问题EG方案qcomposite方案甚Blundo方案相LBKP方案抗毁性明显提高缺点计算通信开销
基部署知识机密钥预分配方案中假定网络部署目标区域二维矩形区域节点部署服Gaussian分布节点划分t×n部署组组Gij(i1…tj1…n)部署位置组成栅格密钥池（密钥数|Sc|）划分干子密钥池（密钥数|Sc|）字密钥池应部署组两子密钥池水垂直相邻少享a|Sc|密钥两子密钥池角相邻少享b|Sc|密钥（ab满足关系：0图32 相邻密钥池间享密钥数
组节点应子密钥池机取m密钥部署相邻节点存享密钥直接建立配密钥
实验表明等条件该方案提高节点连通概率例节点预分配密钥数100时EG方案节点连通概率仅0095该方案够达0687部署知识节点减少预分配密钥数量提高网络抗毁性该方案子密钥池划分需慎重考虑
LiuDu密钥预分配时节点位置信息提高抗毁性存着攻击容易节点进行定位俘获节点缺乏认证机制伪造等问题针述问题Huang栅格组部署方案限制组节点数量设定密钥空间选中阀值等方法提出解决方案
5 路径密钥增强方案
EG方案里两相邻节点AB分配密钥分配节点节点受损AB间链路会受安全威胁Liu提出路径密钥增强方案假设AB密钥协商存着j条相交路径A产生j机值V1 V2 ……Vf然通j条相交路径发送BB接收j机值生成新配密钥Kk⊕V1⊕V2⊕……⊕Vf攻击者获取全部j机值破释配密钥K该方案EG方案机密钥理方案结合够显著提高相应方案安全性该方案缺点建立否建立足够数量相交路径目前尚属NP问题
323基栅格密钥预分配方案
机密钥预分配方案中相邻节点定概率建立密钥连接密钥理方案协议致力意两节点建立配密钥LiuChan基栅格分建立密钥预分配方案
建立栅格方法：根网络中节点总数N结构m×m栅格中mLiu提出方案（简称GBKP（gridbased key predistribution）方案）里部署前部署服务器生成2m项式栅格行应唯项式列应唯项式部署服务器节点逐应栅格汇合点应项式享标识符配置该节点图33示部署行列节点直接建立配密钥行列节点通中间节点建立密钥路径Chan提出PIKE（peer intermediaries for key estabishment）方案里节点栅格行列编号部署前节点行列 (310)节点建立配密钥然节点序列序进行部署图34示：部署行列节点直接拥配密钥行列节点通公行列节点建立密钥路径
图33 GBKP方案
图34 PIKE方案
GBKP方案PIKE方案保证意两节点够建立配密钥节点密度关够显著降低节点通信存储开销缺点部署方式固定够灵活中间节点受损会影响整网络安全
324基组合密钥预分配方案
Camtepe组合设计理（combinatorial design theory）设计WSN确定密钥预分配方案假设网络节点总数Nn阶限射影空间（finte projective plane）（n满足n²+n+1≥N素数）生成参数称(n²+n+1n+11) BIBD支持网络节点数n²+n+1密钥池n²+n+1够生成n²+n+1n+1密钥环意两密钥环少存1公密钥密钥出现n+1密钥环里见意两节点密钥连通概率1系数n支持意网络规模例N> n²+n+1时n必须新素数素数会导致密钥环急剧增突破节点存储空间适WSN广义四边形（generalized quadrangles简称GQ）更支持网络规模
325 SPINS（securiry protocols for sensor networks）协议LEAP(localized encryption and authentication protocol)协议
Perrig利Sink作网络信密钥分发中心网络节点建立配密钥实现广播数包认证SPINS协议两部分组成：SNEP（secure network encryption prorocol）µ TESLA (timed efficient stream losstolerant authentication)SNEP通计数器消息认证码等机制实现数机密性数认证通信双方配密钥MAC密钥通Sink获取密钥伪机函数生成SNEP协议语义级安全保证数鲜活性MAC密钥长度固定仅8字节增加通信负载
µ TESLA实现广播数认证Sink首先单散列函数H生成单密钥链{K0K1……Kn}中KiH(Ki+1)Ki+1容易计算KiKi法计算Ki+1网络运行时间分干时间槽（slot）时间槽密钥链里应密钥i时间槽里Sink发送认证数包然延迟时间公布密钥Ki节点接收该数包首先保存缓区里等接收新公布密钥Ki然目前保存密钥Kv (311)验证密钥Ki否合法合法Ki认证缓区里数包µ TESLA工作示意图图35示
图35 µ TESLA单密钥链
µ TESLA里攻击者难获取伪造新认证密钥µ TESLA提供良广播认证机制密钥延迟暴露非实时认证问题容易受DoS攻击针问题Liu分提出级µ TESLAMerkle散列树解决方法
SPINS协议里节点配密钥生成数包认证必须通Sink完成旦Sink受损整网络安全受威胁Sink开销SPINS协议仅规模较网络
种单密钥机制实现WSN需安全通信提出LEAP协议建立4种类型密钥：体密钥配密钥组密密钥簇密钥体密钥节点Sink享密钥节点部署前通预分配密钥伪机函数生成两相邻节点生成配密钥通交换标识符预分配密钥单散列函数计算节点作簇头建立邻居节点享簇密钥产生机密钥作簇密钥然邻居节点配密钥逐队簇密钥加密发送应节点邻居节点簇密钥解密保存组密钥Sink节点享通信密钥Sink首先组密钥字节点享簇密钥加密广播子节点子节点获取新组密钥级子节点享簇密钥加密组密钥广播子节点类推直节点获取新组密钥止
LEAP协议优点节点受损会影响节点安全缺点节点部署特定时间必须保留全网通密钥密钥旦暴露整网络安全受威胁
326 基IBC（identiybased cryptography）密钥预分配方案
CBC相基身份密码体制（IBC优点公匙公开信息直接推导获需公钥进行认证效降低计算复杂度通信负载认较WSN例Bilinear Pairing技术理信息相结合IBC密钥理方案
部署前节点A预加载系统参数（pqEFqG1G2 HhWWpub）私钥IKA中pq限域Fq两素数EFq椭圆曲线G1G2机选取生产元Hh两散列函数WpubKw(k密钥)IKAkHIDA)部署节点A通定位算法获取位置信息lA计算私钥LKkH(IDA||lA)节点A邻居节点B通获取公开ID方理信息建立配密钥KABA生成配密钥KAB（IKAH(IDB||lB)）B生成配密钥KAB（IKBH(IDA||lA)）根映射性质知KAB（kH(IDA||lA）H(IDB||lB)) (H(IDA||lA)kH(IDB||lB)) KAB建立双方配密钥基础h配密钥生成通信需种类型会话密钥
该方案具强容侵力节点受损会暴露节点机密信息采节点间认证机制效防止WormholeSinkholeSybilBogus Data Injection等攻击该方案存缺陷：节点预分配密钥k必须等私钥生成删密钥暴露整网络机密信息会暴露二位置固定仅静态WSN三节点资源需求高制约应范围
327 方案协议综合分析需解决研究问题
研究现状机密钥预分配方案协议认适WSN目前WSN密钥理流研究方较高密钥连通概率意味着相邻节点甚全网络达较高安全连通性密钥暴露概率越意味着抗毁性越
密钥池设计结构化提高享密钥阀值利理信息部署知识效提高机密钥预分配方案协议抗毁性密钥连通概率节点部署密度相关理基础典机图模型模型机图模型完全适WSN时指出选取适密钥池密钥环确保获取较高密钥连接概率
机密钥预分配方案协议然提供佳密钥连通概率计算存储通信开销较理想具良分布特性确定密钥预分配非称密钥理方案协议然保证两节点建立密钥连接计算存储通信开销问题需进步优化
总然密钥理研究取许成果密钥理方案协议然满足种应需求存需解决问题具体：
1 建立许类型通信密钥目前WSN密钥理方案协议仅考虑建立邻居节点间配密钥配密钥实现节点通信支持组播全网广播方案协议应建立种类型通信密钥满足单播通信组播通信广播通信等需求
2 支持密钥分布式动态理节点受损避免受损节点排网络外首先动态更新撤回已受损密钥目前数方案协议较少考虑密钥动态理已密钥动态理方案集中式产生计算通信开销密钥更新撤回应节点间协作实现方案协议具良分布特性
3 提供效认证机制密钥协商需数包节点身份进行效认证否保证建立通信密钥正确性单纯MAC机制称密钥理中存伪造问题基非称密钥数字签名机制目前适WSN提供符合WSN特点认证机制密钥理研究重容
4 支持容侵容错节点易受伤计算通信力受限特点节点容易受DoS攻击全面防御DoS攻击较困难外未受安全威胁节点出节考虑资源耗导致保证永远处正常运行状态数包丢失避免方案协议应具良容侵容错性
体系结构观点密钥理安全机制提供服务安全机制组成WSN整体安全解决方案认实现跨层设计密钥理利明确设计目标性优化例目前绝数密钥理方案协议仅仅致力建立相邻节点间通信密钥效安全解决方案里跳节点间通信密钥必加强密钥理安全路安全定位安全数融合等安全机制耦合够系统整体角度方案协议处理复杂度存储复杂度通信复杂度进行优化设计密钥理方案协议更加符合WSN特点具良适应性
运符合WSN特点理分析方法进行密钥理研究十分必样够避免设计机制算法赖直觉验缺乏严谨科学信理避免严谨成果片面性局部性甚提供更加效解决方案成熟行理方法机图理信息等理方法采WatchDog单散列函数链selfhealing技术等安全算法技术结合WSN资源受限拓扑易变部署机组织规模固定设施支持等特点设计行密钥理方案协议实现密钥理机制算法模型化度量化计算
第四章 总结
文通线传感器网络路安全协议密钥理协议安全定位协议三方面进行分析着重分析线传感器网络密钥理协议详细分析种较重密钥理方案线传感器网络安全重性
通种安全方案设计分析更解线传感器网络安全性求进行进步分析研究加强线传感器网络安全性行性
着微机电技术传感器技术通信技术等技术断发展线传感器网络应必断深入广泛作项基安全服务密钥理研究会引起更关注重视密钥理方案协议必须符合满足WSN特点扩展性计算复杂度存储空间需求低通信负载低拓扑结构易变等必须应密切相关密钥理方案协议安全分布组织性容错容侵性理信息相结合等研究问题步研究工作需重点关注解决外WSN接资源受严格限制时非称密钥理方案协议必成具潜力研究方
参 考 文 献
[1] 苏忠林闯丰富君丰原·线传感器网络密钥理方案协议·清华学2007年P211
[2] 谭伯周贤伟杨军李晓勤·基线传感器网络路协议安全机制研究·传感技术报2006年8月第19卷第4期P25
[3] 刘志宏·线传感器网络密钥理·西安电子科技学2009年P34
[4] 廉飞宇张元·计算机网络通信·电子工业出版社2009年P5069
[5] 张金国·线传感器网络密钥分配协议分析设计·南京航空航天2008年P411
[6] 崔吉徐桂云张燕超李辉·线传感器概述·中国矿业学机电学院2009年P12
[7] Eylem Ekici Yaoyao Gu and Doruk Bozdag MobilityBased Communication in Wireless Sensor Networks IEEE Communications Magazine Vol 44 Pp 5662 IEEE 2006
[8] Jing Deng Richard Han and Shivakant Mishra INSENS IntrusionTolerant Routing for Wireless Sensor Networks Computer Communications Volume 29 Issue 2 January 2006 Pp 216230 ACM 2006
[9] Hai Liu Amiya Nayak and Ivan Stojmenovi FaultTolerant AlgorithmsProtocols in Wireless Sensor Networks Guide to Wireless Sensor Networks Computer Communications Springer 2009
[10] 李敏殷建伍勇安程杰仁·线传感器网络密钥理方案综述· 国防科技学计算机学院2008年P25
[11] 彭志娟徐慧严燕·线传感器网络认证密钥协商协议·南通学学报2009年第8卷第3期
[12] 王兵·线传感器网络信誉安全路协议研究·南京邮电学2010年P2425
[13] Tatiana Bokareva Wen Hu Salil Kanhere Branko Ristic Neil Gordon Travis Bessell Mark Rutten and Sanjay Jha Wireless Sensor Networks for Battlefield Surveillance Proceedings of The Land Warfare Conference (LWC) October 2006
[14] Mahmood Ali Annette Böhm and Magnus Jonsson Wireless Sensor Networks for Surveillance Applications – A Comparative Survey of MAC Protocols The Fourth International Conference on Wireless and Mobile CommunicationsPp 399403 IEEE 2008
致 谢
文完成际首先关心帮助指导指导老师XX老师表示衷心感谢致崇高敬意
学校学生活结束回顾四年学历面现收获感限欣慰热心帮助老师学表示衷感谢文工作中遇许许样样问题专业问题文格式问题直 焦方源老师亲切关怀悉心指导文快完成焦方源渊博学识严谨治学态度求实工作作风敏捷思维留深刻印象终生难忘焦方源老师悉心指导次表示衷心感谢感谢学生营造浓郁学术氛围学生活私帮助 值文完成际谨焦方源老师致崇高敬意
衷心感谢百忙中评阅文参加答辩位专家教授
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（计算机学院通信工程专业08级 指导教师：）
摘：
线传感器网络量静止移动传感器组织跳方式构成线网络目协作感知采集处理传输网络覆盖理区域感知象监测信息报告户 英文Wireless Sensor Network 简称WSN传感器网络安全传感器网络核心保证传感器网络够正常运作文线传感器网络路安全协议密钥理协议安全定位协议三方面进行分析着重分析线传感器网络密钥理协议详细分析种较重密钥理方案线传感器网络安全重性
关键字：传感器 密钥理 安全协议 方案设计
Wireless sensor network security design
Abastract
Wireless sensor network is a large number of stationary or moving sensor consisting of selforganization and multihop wireless network with the aim of the collaboration awareness acquisition processing and transmission network covers the perception of objects in the geographic area of monitoring information and report back tousers English is a Wireless Sensor Network of WSN for shortAnd Sensor network security is the core of the sensor network It ensures that the sensor network is capable of normal operation This paper mainly analysis the routing security protocol for wireless sensor networks key management protocol security location protocol focusing on the key management protocol for wireless sensor networks a detailed analysis of several key management scheme and itsthe importance of the wireless sensor network security
KEYWORDS Sensor Key management Security protocol program design
目录
引言 2
第章 线传感器网络基础知识 4
11 线传感器网络概述 4
12 线传感器网络体系架构 4
13 线传感器网络安全需求 6
14 线传感器网络安全协议 7
142 线传感器网络关键技术 8
第二章 线传感器网络安全性分析 11
21 攻击种类 11
22 线传感器网络安全防范策安全协议概述 13
221路安全协议 13
222密钥理协议 15
223安全定位协议 17
第三章 线传感器网络密钥理协议效方案设计 18
31线传感器网络密钥理安全性 18
32 典型线传感器网络密钥理方案协议 19
321 Eschenauer机密钥预分配方案 19
322 EG方案种改进 20
323基栅格密钥预分配方案 23
324基组合密钥预分配方案 24
325 SPINS（securiry protocols for sensor networks）协议LEAP(localized encryption and authentication protocol)协议 24
326 基IBC（identiybased cryptography）密钥预分配方案 26
327 方案协议综合分析需解决研究问题 26
第四章 总结 28
参 考 文 献 28
致 谢 29
引言
着微电子技术MEMS技术断进展作信息获取基重技术——传感器技术长足发展伴着信息时代网络化进程传感器信息获取技术已单化渐渐集成化微型化网络化发展
计算机技术发展已进入PC时代PC时代特点推动计算机桌面系统数中心进入物理环境中
线传感器网络（WSN）技术技术进步基础发展起种集成监测控制线通信技术网络系统传感器网络节点般搭载传感器感知物理世界采跳传播基础设施组网节点信息采集发出者充信息路者具规模组织动态性应相关数中心等特点
线传感器网络传统线网络：
线传感器网络节点数目众般没全球唯网络标识符传统线线网络中节点唯址路传感器网络数中心某节点间路需线传感器网络中宜采传统路协议
二线传感器网络中数流需信息般区域数融合需信息传送目节点——sink节点统交付户
三传感器节点电存储容量限观测象部附部署量传感器节点节点中收集数附节点收集数存传感器节点采集数相相存冗余信息传输数会消耗量节点量没必数全部发送汇聚节点需路协议具数融合力提高带宽利率
四线传感器网络中部分节点传统Ad hoc网络中节点样快速移动没必花费代价频繁更新路表信息
线传输电池供电覆盖范围节点生存期受定限制
现实问题远处部署线传感器网络中提取数种方法连接WSN现网络设施包括国际互联网天部分网络IP协议作基技术实现WSNIP网络互联网成热门研究课题
WSN采跳传播基础设施网组野外战场等恶劣偏远环境中电力系统运营通信网络覆盖方传感器网络武计算机等功率较设备实现野外目标探测传感器实时监控实现线传感器网络远程访问现实采低功耗单片机微控制器组成系统利太网供电技术定范围拓展太网覆盖范围延伸WSN接入点作半径成具实研究意义课题
第章 线传感器网络基础知识
11 线传感器网络概述
线传感器网络前国际备受关注科学交叉新兴前研究热点领域简单说线传感器网络（wireless sensor network WSN）许集传感驱动控制力计算力通信力身资源受限（指计算存储源方面限制）嵌入式节点通线方式互联起网络指特定应环境中布置传感器节点线通信方式组织成网络传感器节点完成指定数采集工作节点通线传感器网络数发送网络中终特定应接收
WSN量密集部署监控区域智节点构成种网络应系统通线通信方式形成跳组织网络系统广泛运设施安全环境监控工业应交通控制等传统线Ad hoc网络线传感器网络节点没统标识节点间通广播跳通信方式进行数交换节点数量机分布密布较网络拓扑结构时间动态变化节点设供电电源量限生命周期短WSN需研究新技术保证实现网络量消耗化节点生命周期化量负载均衡化通信力优化目标WSN技术涉研究领域非常广泛中相部分集中网络层路协议链路层MAC协议系统节策略步定位等性技术WSN应目标协作感知采集处理网络覆盖区中感知象信息发观察者三素传感器感知象观察者说WSN逻辑信息世界客观物理世界融合起改变类然界交互方式
机分布传感器数处理单元通信模块微节点通组织方式构成网络助节点中置形式样传感器测量周边环境中热红外声纳雷达震波信号探测包括温度湿度噪声光强度压力土壤成分移动物体速度方等众感兴趣物质现象通信方式然采线线红外光等种形式般认短距离线低功率通信技术适合传感器网络明确起见般称线传感器网络（WSNWireless Sensor Network）[6]
12 线传感器网络体系架构
线传感器网络结构图11示传感器网络系统通常包括传感器节点（sensor node）汇聚节点（sink node）理节点量传感器节点机部署检测区域（sensing region）组织方式构成网络通跳中继方式检测数传送汇聚节点通互联网卫星达理节点户通理节点传感器网络进行配置理发布检测务收集检测数[7]
图11 线传感器网络体系结构
传感器节点微型嵌入式系统计算力存储力通信力非常限量限传感器节点进行信息收集外节点转发数进行融合相较言汇聚节点方面力强具足够力供汇聚节点通常外部网络直接相连负责发布理节点检测务收集数转发外部网络
传感器节点般数采集模块处理器模块线通信模块量供应模块四部分组成数采集模块负责数采集转换处理器模块负责数处理线通信模块负责节点进行数传输量供应模块负责运行需量通常采微型电池
传感器节点处理器通常嵌入式CPUIntel8086外系统需微型化操作系统进行务调度理UC BerkeleyTinyOS嵌入式Linyx等图12描述节点组成数感知单元通传感器区域进行数采集感知进行模数转换数处理单元数信号进行简单处理数传送单元调制发射出
图12 传感器节点体系结构
1 数采集模块：组传感器数模转换装置构成数采集模块负责周围环境物理现象转换成数字信号例测量周边环境中热红外声纳雷达震波信号探测包括温度湿度噪声光强度压力土壤成分移动物体速度方等众户感兴趣物理现象数采集模块提供采集信息力数字世界物理世界联系起
2 处理器模块：处理器存储器构成处理器模块负责协调线传感器模块工作数采集模块获取信息进行必处理存储控制线通信模块量供应模块工作模式等处理器模块提供处理信息量线传感器节点智化
3 线通信模块：短距离线收发电路构成线通信模块负责线传感器邻居节点基站进行线通信线通信模块提供传输信息力单独线传感器节点联接成协作网络
4 量供应模块：电池构成量供应模块线传感器模块提供电源
13 线传感器网络安全需求
线传感器网络会遇窃听消息修改消息注入路欺骗拒绝服务恶意代码等安全威胁外线传感器网络中安全概念发生变化通信安全中重部分隐私保护日渐重授权重性降低
线传感器网络开放性分布线广播通信特征存安全隐患应背景线传感器网络信息提出保护需求线传感器网络安全需求表现方面：
1 机密性
机密性确保传感器网络节点间传输敏感信息安全基求线通信广播特性容易截听机密性窃听方截获节点间物理通信信号然知道携带消息容
2 完整性
线传感器网络通信环境恶意节点实施数丢失损坏攻击提供方便完整性求网络节点收数包传输程中未插入删篡改等保证收消息源方发出消息完全致
3 真实性
线传感器网络真实性需求体现点点消息认证广播认证前者指节点收节点消息时够核实消息源真实性伪造假者解决单节点组节点发送统通告时真实性确认问题
4 性
性求线传感器网络够时预先设定工作方式系统合法户提供信息访问服务攻击者通复制伪造信号干扰等方式传感器网络处部分全部瘫痪状态破坏系统性典型拒绝服务（DoS）攻击
5 新鲜性
线传感器网络中节点数目众路径消息传输机制重放攻击目标接收方收延相数包新鲜性求接收方收数包新非重放体现消息时效性
6 鲁棒性
线传感器网络应具强动态性确定性包括网络拓扑变化节点加入面种威胁等线传感器网络种安全攻击应具强适应性存活性某次攻击行逞该特性求影响化单节点受威胁会导致整网络瘫痪
7 访问控制
访问控制求访问线传感器网络户身份进行确认确保合法性传感器网络区传统网络节点物理访问设置防火墙进行访问滤线传感器网络资源受限特征基非称加密体制数字签名公匙证书机制难应[12]
14 线传感器网络安全协议
141 概述
着通信技术 嵌入式计算技术传感器技术飞速发展日益成熟具感知力计算力通信力微型传感器开始世界范围出现传感器网络巨应价值已引起世界许国家军事部门工业界学术界极关注Intel Microsoft 等信息工业界巨头开始传感器网络方面研究工作纷纷设立启动相应行动计划
142 线传感器网络关键技术
线传感器网络作信息领域新研究热点涉科学交叉研究领域非常关键技术发现研究面仅列出部分关键技术
1 网络拓扑控制
线组织传感器网络言网络拓扑控制具特重意义通拓扑控制动生成良网络拓扑结构够提高路协议MAC协议效率数融合时间步目标定位等方面奠定基础利节省节点量延长网络生存期拓扑控制线传感器网络研究核心技术
传感器网络拓扑控制目前研究问题满足网络覆盖度连通度前提通功率控制骨干网节点选择剔节点间必线喜链路生成高效数转发网络拓扑结构拓扑控制分节点功率控制层次型拓扑结构形成两方面功率控制机制调节网络中节点发射功率满足网络连通度前提减少节点发送功率均衡节点单跳达邻居数目已提出COMPOW等统功率分配算法LINTLILTLMNLMA等基节点度数算法CBTCLMSTRNGDRNGDLSS等基邻图似算法层次型拓扑控制利分簇机制节点作簇头节点簇头节点形成处理转发数骨干网非骨干网节点暂时关闭通信模块进入休眠状态节省量目前提出TopDisc成簇算法改进GAF虚拟理网格分簇算法LEACHHEED等组织成簇算法
传统功率控制层次型拓扑控制提出启发式阶段唤醒休眠机制该机制够节点没事件发生时设置通信模块睡眠状态事件发生时时动醒唤醒邻居节点形成数转发拓扑结构种机制重点解决节点睡眠状态活动状态间转换问题够独立作种拓扑结构控制机制需拓扑控制算法结合
2 网络协议
传感器节点计算力存储力通信力携带量十分限节点获取局部网络拓扑信息运行网络协议太复杂时传感器拓扑结构动态变化网络资源断变化网络协议提出更高求传感器网络协议负责独立节点形成跳数传输网络目前研究重点网络层协议数链路层协议网络层路协议决定监测信息传输路径数链路层介质访问控制构建底层基础结构控制传感器节点通信程工作模式
线传感器网络中路协议仅关心单节点量消耗更关心整网络量均衡消耗样延长整网络生存期时线传感器网络数中心路协议中表现突出节点没必采全网统编址选择路径根节点编址更根感兴趣数建立数源汇集节点间转发路径目前提出种类型传感器网络路协议量感知路协议定扩散谣传路等基查询路协议GEAR GEM等基理位置路协议SPEEDReInForM等支持QoS路协议
传感器网络MAC协议首先考虑节省源扩展性次考虑公性利率实时性等MAC层源浪费表现空闲侦听接收必数碰撞重传等减少量消耗MAC协议通常采侦听睡眠交线信道侦听机制传感器节点需收发数时菜侦听线信道没数需收发时量进入睡眠状态
3 网络安全
线传感器网络作务型网络仅进行数传输进行数采集融合务协控制等保证务执行机密性数产生性数融合高效性数传输安全性成线传感器网络安全问题需全面考虑容
保证务机密布置务执行结果安全传递融合线传感器网络需实现基安全机制：机密性点点消息认证完整性鉴新鲜性认证广播安全理外确保数融合数源信息保留水印技术成线传感器网络安全研究容
然安全研究方面线传感器网络没引入太容线传感器网络特点决定安全传统网络安全研究方法计算手段首先线传感器网络单元节点方面力目前Internet种网络终端相必然存算法计算强度安全强度 间权衡问题通更简单算法实现量坚固安全外壳线传感器网络安全挑战次限计算资源量资源需系统种技术综合考虑减少系统代码数量安全路技术等外线传感器网络务协作特性路局部特性节点间存安全耦合单节点安全泄露必然威胁网络安全考虑安全算法时候量减少种耦合性
线传感器网络SPINS安全框架机密性点点消息认证完整性鉴新鲜性认证广播方面定义完整效机制算法安全理方面目前密钥预分布模型作安全初始化维护机制中机密钥模型基项式密钥模型等目前代表性算法
4 定位技术
位置信息传感器节点采集数中缺少部分没位置信息监测消息通常毫意义确定事件发生位置采集数节点位置传感器网络基功提供效位置信息机部署传感器节点必须够布置确定身位置传感器节点存资源限机部署通信易受环境干扰甚节点失效等特点定位机制必须满足组织性健壮性量高效分布式计算等求
根节点位置否确定传感器节点分信标节点位置未知节点信标节点位置已知位置未知节点需少数信标节点某种定位机制确定身位置传感器网络定位程中通常会三边测量法三角测量法极似然估计法确定节点位置根定位程中否实际测量节点间距离角度传感器网络中定位分类基距离定位距离关定位
基距离定位机制通测量相邻节点间实际距离方位确定未知节点位置通常采测距定位修正等步骤实现根测量节点间距离方位时采方法基距离定位分基TOA定位基TDOA定位基AOA定位基RSSI定位等实际测量节点间距离角度基距离定位机制通常定位精度相较高节点硬件提出高求距离关定位机制须实际测量节点间绝距离方位够确定未知节点位置目前须测量节点间绝距离方位降低节点硬件求节点成更适合规模传感器网络距离关定位机制定位性受环境素影响然定位误差相应增加定位精度够满足数传感器网络应求目前家重点关注定位机制
143 线传感器网络重性
线传感器网络集成传感器微机电系统网络3技术种全新信息获取处理技术够协作实时监测感知采集网络分布区域种环境监测象信息信息进行处理获详准确信息传送需信息户传感器网络时间点环境条件获取量详实信息线传感器网络系统广泛应军事领域环境科学医疗健康空间探索交通理制造业反恐抗灾等领域
1 军事领域
线传感器网络节点具巧隐蔽性环境适应性等特点非常适合应恶劣战场环境中应侦查敌情监控兵力装备物资等方面途
2 环境监测预报
着环境问题关注程度越越高需采集环境数越越越越具体线传感器网络出现机性研究数获取提供便利线传感器网络踪候鸟昆虫迁移研究环境变化农作物影响监测海洋气土壤成分等
3 医疗护理
线传感器网络医疗研究护理领域展身手罗彻特学科学家线传感器创建智医疗房间微尘测量居住者重征兆睡觉姿势天24时活动状况
4 途
线传感器网络应领域危险工业环境井矿核电厂等工作员通实施安全监测交通领域作车辆监控力工具外工业动化生产线等诸领域
第二章 线传感器网络安全性分析
21 攻击种类
点破坏路协议执行程仅仅通侦听路通信程获取路信息线频谱开放性类攻击检测相困难动式攻击指恶意节点阻止路建立更改包传送方中断路利虚假数欺骗网络认证授权等破坏性行动式攻击进步分外部攻击部攻击外部攻击指位网络外部攻击者网络发起攻击部攻击指认证授权已成网络成员恶意节点(Compromised节点文称叛变节 点) 网络部发起攻击显然部攻击破坏性更强里网络路攻击方法结种窃听欺骗篡改重放( Relay) 路信息选择性转发攻击塌陷(Sink hole ) 攻击女巫( Sybil ) 攻击蛀洞(Wormhole ) 攻击HELLO 泛洪攻击应答欺骗(Acknowledgement Spoofing) 等
1 窃听欺骗篡改重放路信息
路协议直接攻击目标节点间交换路信息攻击者通窃听欺骗篡改重放路信息生成路环路引诱拒绝通信流量延长缩短源路产生虚假错误消息分隔网络增加端端延迟(Latency) 等
2 选择性转发攻击
跳(Multi hop) 网络通常假设参传输节点会透明转发接收消息选择性转发攻击中恶意节点会拒绝转发某消息丢弃该攻击种简单形式恶意节点象黑洞(Black Hole) 样拒绝转发接收数包该攻击弱点邻节点识出恶意节点效性选择外条路该攻击种更巧妙形式攻击者选择性转发数包 攻击者通删更改感兴趣节点数包信息进行转发减少节点非法操作猜疑攻击者处数流路径中时选择性转发攻击般效
3 Sinkhole 攻击
Sinkhole 攻击中攻击者目标通叛变节点引诱特定区域通信流量该区域中心造成类似塌陷样攻击例协议链路性延迟等信息验证路质量种情况攻击者利足够发射功率Wormhole 攻击提供条高质量路通叛变节点真实虚拟高质量路攻击者邻节点通攻击者基站转发包邻节点传播该路实际攻击者建立洞吸引节点发基站通信
4 Sybil 攻击
Sybil 攻击中攻击者网络中节点身份出现Sybil 攻击够基理位置路协议显著威胁位置感知路协议通常需节点邻节点交换坐标信息效发送标指定址数包般情况节点仅相邻节点接收唯组坐标值Sybil 攻击攻击者时拥位置坐标
5 Wormhole 攻击
Wormhole 攻击中常见攻击形式2 相距远恶意节点通特定方式起虚报间距离位基站附攻击者通适设置Wormhole完全破坏路攻击者通Wormhole 基站正常跳节点相信基站两跳距离样产生Sinkhole Wormhole 方攻击者提供基站高质量路果路没明显吸引力周围区域通信引诱条路
6 HELLO 泛洪攻击
HELLO 泛洪攻击种新型针传感器网络攻击方法许协议需节点广播HELLO包相邻节点广播攻击者足够发射功率广播路信息网络中节点相信攻击者邻居HELLO 泛洪攻击攻击者需构建合法通信攻击者简单足够功率重播窃听(Overheard) 包网络中节点接收
7 应答欺骗
许路协议赖固定链路层应答攻击者通欺骗链路层应答窃听相邻节点数包应答欺骗目标包括发送者相信实际效率低链路效率高者认已停禁节点效例路协议根链路性选择路径中跳增加效率低效链路种计划巧妙方式发送包效率低效链路丢失攻击者应答欺骗方式促目标节点链路发送包效进行选择性转发攻击
22 线传感器网络安全防范策安全协议概述
221路安全协议
1 路协议般描述
路协议选择条源节点目标节点路径然通条路径传送信息包规线传感器网络路协议设计目标尤更特殊求种类型路协议包括路发现路选择路维护（删）程传感器网络节点睡眠状态耗远远低工作者开启等状态耗般节约量传感器节点传输数前处睡眠状态需数传输时开始转入路建立（发现）程首先源节点广播路请求包PPEQ（Routing Request）者目节点广播信息请求包IREQ（Ingormation Request）中间节点路包进行转发事回转路应答包RREP(Routing Reply)直源节点目节点间建立起路次根实际需求路协议设计目标进行路选择然实际通信程中节点量安全攻击等素定期定期队现路进行维护（删）
出整程中没涉身份确认问题法解决恶意节点篡改请求信息者充目标节点问题次中间节点安全性没监测确保请求信息安全建立源节点目标节点间正确路径值参考问题
2 线传感器网络安全路协议分类
传感器节点资源限现密码体制难直接线传感器网络称密钥机制简单易运算复杂特点引入线传感器网络中作加密方式着线传感器网络路协议发展相继出现性良路协议层次式路协议路径路协议称密钥机制引入路协议中保证数传输安全性线传感器网络中称密钥机制分享密钥簇密钥租密钥等述基密钥认证安全解决方案抵御通认证合法节点发起攻击部攻击信解决开放式网络中部攻击解决方法够抵御网络恶意节点种恶意攻击根线传感器网络安全路协议实现方式线传感器网络安全路协议进行分类图21示
图21 线传感器网络安全路协议分类
3 解决路安全威胁措施
（1） 防御虚假路信息
针虚假路信息直接防范措施采取消息加密身份认证消息认证路信息广播认证入侵监测信机制保证信息传输完整性机密性方式求传感器网络支持密钥理机制间接防范措施利传感器节点冗余性提供条路径某链路破坏进行数传输情况然利备路径完成务路径够保证通信性性具入侵容忍力针消息窃取采称密码加密确保传感器网络机密性标准解决方案基椭圆曲线密码体制分布式认证方案效防御虚假路攻击
（2） 防御污水池攻击
传感器网络中存污水池攻击链路层加密验证防止数路协议外部攻击攻击者难加入网络拓扑中污水池攻击难达目目前路层般通路协议进行精密设计进行效防止
理路协议效防御污水池攻击该协议中节点保持绝彼相位置信息节点间需局部交换信息形成拓扑结构荡污水池攻击节点妄图跨越物理拓扑时局部节点通彼间拓扑信息识破种破坏邻居节点会注意两者间距离远远超出正常通信范围外流量然流基站物理位置位置难吸引流量创建黑洞前提邻居节点广播位置信息信
（3） 防御虫洞攻击
目前防御虫洞攻击效措施少传感器网络中严格时间步机制效防止虫洞攻击时间步机制成熟目前法应传感器网络外直接定位系统者间接定位机制效识具虫洞攻击节点现路协议中增加防御机制难实现办法设计虫洞攻击效路协议例：基理位置路协议
（4） 防御女巫攻击
传感器网络外部女巫攻击认证加密方法效组织网络部女巫攻击效信基站节点享称密钥两节点间互相身份验证建立享密钥防止部攻击网络周围逐步网络中节点建立享密钥基站合理限制邻节点数量运线资源检测发现女巫攻击源身份注册机密钥分发建立节点间安全连接等方法老防止女巫攻击理路协议中安全定位技术防御女巫攻击
（5）解决选择性转发攻击
解决选择性转发攻击直接方案检测机制节点行做出评价做出恶意行超出正常标准节点基站者簇头该恶意节点排网络外参正常网络通信间接方案冗余路径方式路径路方式种方式够付种攻击路径路种容侵机制部分节点局部网络遭受攻击时候正常通信种方式增加耗
（6） 防御Hello flood攻击
邻居节点间局部信息交换进行网络拓扑维护流控制路协议容易受Hello flood攻击Hello flood攻击效方法通信双方采取效措施进行身份认证者通信基站确认 邻居节点身份节点位置限制邻居节点范围
（7） 防御欺骗信息
身份认证数字签名方法保证通信方身份合法性资源受限传感器网络中必须建立套综合考虑安全性效率性进行合理折中传感器网络身份认证方案
（8） 防御拒绝服务攻击
传感器网络配置功强攻击者说相脆弱传感器网络层存种拒绝服务攻击形式攻击形式应方式[13]
222密钥理协议
WSN密钥理协议设计复杂棘手问题年然生物系统（Natural biological systems）中启示采然生物系统中某机理解决复杂网络问题采具进化特性遗传算法提高WSN路协议性采循环系统方法量传感器节点工逐节点部署行逐修改传感器节点代码者节点预先存储密钥材料样十分困难（节点没外接接口USB等）简单易行方法批量生产软件相传感器节点需节点进行预处理投入Anderson等提出密钥传播（Key Infection）协议节点数目庞功简单资源严格受限WSN提供初始密钥建立理外提供密钥进化（Key Evolution）等bio_inspired类算法设计WSN密钥理安全协议WSN安全设计中新发展方
2003年WSN密钥理历研究高峰期取许成果方案协议侧重点面协议特点进行分类
1 称密钥理非称密钥理
根密码体制WSN密钥理分称密钥理非称密钥理两类称密钥理方面通信双方相密钥加密算法数进行加密解密称密钥理具密钥长度长计算通信存储开销相较等特点较WSN目前WSN密钥理流研究方非称密钥理方面节点拥加密解密密钥般计算意义安全加密算法非称密钥理节点计算存储通信等力求较高度认适应WSN研究表明非称加密算法优化适WSN安全角度非称密码体制安全强度计算意义高称密码体制
2 分布式密钥理层次式密钥理
根网络结构WSN密钥理分分布式密钥理层次式密钥理两类分布式密钥理中节点具相通信力计算力节点密钥协商更新通节点预分配密钥相互协作完成层次WSN密钥理里节点划分干簇簇力较强簇头（cluster head）负责理普通节点密钥分配协商更新等通簇头完成
分布式密钥理特点密钥协商通相邻节点相互协作实现具较分布特性层次式密钥理特点普通节点计算存储力求低簇头受损导致严重安全威胁
3 静态密钥理动态密钥理
根节点部署密钥否更新WSN密钥理分静态密钥理动态密钥理两类静态密钥理中节点部署前预分配定数量密钥部署通协商生成通信密钥通信密钥整网络运行期考虑密钥更新撤销动态密钥理中密钥分配协商撤销操作周期性进行
静态密钥理特点通信密钥需频繁更新会导致更计算通信开销排受损节点继续参网络操作存受损节点网络具安全威胁动态密钥理特点节点通信密钥处动态更新状态攻击者难通俘获节点获取实时密钥信息密钥动态分配协商更新撤销操作导致较通信计算开销
4 机密钥理确定密钥理
根节点密钥分配方法WSN密钥理分机密钥理确定密钥理机密钥理中节点密钥链（Key Ring）通机方式获取密钥池里机选取部分密钥密钥空间里机选取干密钥空间确定密钥理中密钥链确定方式获取理信息称BIBD（nalanced incomplete block design）称项式等连通概率角度机密钥理密钥连通概率介01间确定密钥理连通概率总1
机性密钥理优点密钥分配简单节点部署方式受限制缺点密钥分配具盲目性节点存储密钥浪费存储空间确定密钥理优点密钥分配具较强针性节点存储空间利较意两节点直接建立通信密钥缺点特殊部署方式会降低灵活性密钥协商计算通信开销较
223安全定位协议
1基概念描述
线传感器网络节点定位技术中根节点否已知身位置传感器节点分锚节点（anchor node）称信标节点（beacon node）未知节点（unkonwm node）锚节点未知节点定位参考节点锚节点网络节点中占例根定位需求具体设定定位方法包括通携带GPS定位设备等手段获身精确未知某情况预先设置相应位置锚节点外传感器节点未知节点通锚节点位置信息确定身位置
线传感器网络定位方法包括种分类绝定位相定位物理定位符号定位集中式计算分布式计算紧密耦合松散耦合基测距技术定位需测距技术定位等等
2 传感器网络节点定位系统
定位指节点获取理位置信息受价格体积功耗扩展性等素限制数传感器网络节点定位系统采取利信标节点辅助节点定位方案网络中包含少量信标节点节点通携带GPS(global position system)定位组件等手段获身位置信息发送包含位置参信息信标报文建立坐标系未知节点定位程中首先测量估算未知节点邻信标节点位置关系(距离角度区域包含关系等)然利位置关系特定算法计算出未知节点坐标执行计算体未知节点信标节点者某授权节点(authority)常算法包括三边测量(trilateration)三角测量(triangulation)极似然估计(multilateration)等
定位系统包括基测距(rangebased)定位须测距(rangefree)定位两类基测距定位需测量节点间点点距离角度信息常测量技术TOA(time of arrival)TDOA(time difference of arrival)AOA(angle of arrival)RSSI(received signal strength indicator)须测距定位利网络连通性等信息估算节点间位置关系常算法质心算法APIT算法DVHop算法Amorphous算法等
3 节点定位系统受攻击分析
攻击者节点定位系统攻击发生位置关系测量估算阶段攻击目标通常信标节点者传输信标报文线链路定位系统基物理属性定位程攻击手段系统采定位技术密切相关具体分析
（1） 针基测距定位攻击
基测距定位尤容易受发生物理层链路层测距干扰欺骗攻击导致测距结果实际结果偏差超正常范围攻击者仅移动隔离信标节点降低定位精度发起线电干扰攻击
（2） 针须测距定位攻击
类似须测距定位位置关系估算阶段容易受干扰欺骗目攻击然种类述针节点线信道物理层链路层攻击包括针网络层攻击重放伪造篡改丢弃信标报文虫洞攻击女巫攻击(sybil attack)等中针定位系统女巫攻击指恶意节点编造出许身份网络中出现存节点干扰定位协议正常运作
4 传感器网络节点定位系统安全措施分析较
常规安全机制抗泄密硬件软件技术扩频编码技术称非称加密算法等难防御述针定位技术物理属性定位程脆弱性发起攻击传感器节点定位系统定制安全措施应运生根安全目标安全措施分距离界定安全定位入侵异常检测隔离鲁棒性节点定位算法等4方面协议算法间存较差异时着定关联
第三章 线传感器网络密钥理协议效方案设计
31线传感器网络密钥理安全性
典型网络样WSN密钥理必须满足性（availability）完整性（authentication）认（nonreputation）等传统安全需求外根WSN密钥理应满足性评价指标：
1 扩展性（scalability）：WSN节点规模少十十种成千万着规模扩密钥协商需计算存储通信开销会增密钥理方案协议必须够适应规模WSN
2 效性(efficiency)：网络节点存储处理通信力非常受限情况必须充分考虑具体言应考虑方面：存储复杂度（storage complexity）保存通信密钥存储空间情况计算复杂度（computation complexity）生成通信密钥必须进行计算情况通信复杂度（communication complexity）通信密钥生成程中需传送信息量情况
3 密钥连接性（key connecivity）：节点间建立通信密钥概率保持足够高密钥连接概率WSN发挥应功必条件需强调WSN节点距离较远节点直接通信需保证某节点节点保持安全连接仅需确保相连节点间保持较高密钥连接
4 抗毁性（resilience）：抵御节点受损力说存储节点链路交换信息未链路暴露安全方面信息抗毁性表示部分节点受损受损节点密钥暴露概率抗毁性越意味着链路受损越低
32 典型线传感器网络密钥理方案协议
321 Eschenauer机密钥预分配方案
EschenauerGligorWSN中先提出机密钥预分配方案（简称EG方案）该方案3阶段组成第1阶段密钥预分配阶段部署前部署服务器首先生成密钥总数P密钥池密钥标识节点密钥池里机选取k（k<
中Pc全连通概率节点期邻居节点数 (31)nˊ(nˊ<
322 EG方案种改进
EG方案密钥机预分配思想WSN密钥预分配策略提供种行思路续许方案协议框架基础发展分享密钥阀值密钥池结构密钥预分配策略密钥路径建立方法等方面提高机密钥预分配方案性
1 qCcomposite机密钥预分配方案
Chen提出qCcomposite机密钥预分配方案（简称qCcomposite方案）中节点密钥总数|S|密钥池里机选取m密钥部署两相邻节点少享q密钥直接建立配密钥享密钥数t(t≥q)单散列函数建立配密钥Khash(k1||k2||…||kt)（密钥序列号事先约定）
着享密钥阀值增攻击者够破坏安全链路难度呈指数增时节点存储空间需求增阀值q选取该方案需着重考虑素实验表明网络中节点数量较少时该方案抗毁性EG方案着受损节点数量增该方案变较差
2 密钥空间机密钥预分配方案
Blom单密钥空间方案网咯中意两节点直接建立配密钥确保受损节点数超阀值时网络会泄露机密信息Du扩展密钥空间机密钥预分配方案网络节点总数N部署前部署服务器限域GF(q)(q足够素数)生成 (34) 公开矩阵G(G满足意 (35)线性相关)ω (36)称机密矩阵D1D2…Dω(DiG)i12…ω称密钥空间部署服务器分计算 (37)节点机选取 (38)密钥空间节点j选中矩阵DiJ保存矩阵Ai第j行元素行元素信息机密公开节点时保存矩阵G第j列相应种子值（仅保留种子值处节约存储空间考虑）部署意两相邻节点享密钥空间利矩阵Ai称直接建立配密钥配密钥生成图31示
图31生成配密钥
选择合适ω提高密钥空间暴露概率实验表明10安全链路受损EG方案qComposite方案必须俘获该方案5倍数量节点该方案缺点计算开销较Blom方案相该方案然降低密钥连通概率提高网络密钥连通抗毁性
3 称项式机密钥预分配方案
Blumdo方案称二元项式性质 (39)f(xy)f(yx)网络中意两节点建立配密钥Liu基础提出基称二元项式机密钥预分配方案部署前部署服务器相邻节点相项式享直接建立配密钥
实验表明受损节点数较少时该方案抗毁性EG方案qcompodite方案受损节点超定阀值时（60节点受损）该方案安全链路受损数量超述两方案
4 基理信息部署信息机密钥预分配方案
特殊应中节点位置信息部署信息预先概估计密钥理Liu静态WSN里建立基理信息配密钥方案（简称CPKS(closet pairwise keys scheme)方案）部署前节点机期位置c节点建立配密钥例节点u邻居节点v部署服务器机生成配密钥Kuv然(v Kuv)(u Kuv)分分配uv部署相邻节点通交换节点标识确定双方否存配密钥
CPKS方案优点节点仅限相邻节点建立配密钥网络规模受限制配密钥位置信息绑定节点受损会影响节点安全缺点密钥连通概率提高仅通分配更配密钥实现受定限制
针述问题Lin提出基理信息称二元项式机密钥预分配方案（简称LBKP(locationbased key predistribution)方案）该方案吧部署目标区域划分干致正方形区域部署前部署服务器生成区域数量相等称t阶二元项式区域指定唯二元项式节点根期位置确定处区域部署服务器吧该区域相邻左右4区域节点区域5二元项式享载入该节点部署两节点享少1二元项式享直接建立配密钥该方案通调整区域解决CPKS方案存连通概率受限问题EG方案qcomposite方案甚Blundo方案相LBKP方案抗毁性明显提高缺点计算通信开销
基部署知识机密钥预分配方案中假定网络部署目标区域二维矩形区域节点部署服Gaussian分布节点划分t×n部署组组Gij(i1…tj1…n)部署位置组成栅格密钥池（密钥数|Sc|）划分干子密钥池（密钥数|Sc|）字密钥池应部署组两子密钥池水垂直相邻少享a|Sc|密钥两子密钥池角相邻少享b|Sc|密钥（ab满足关系：0
组节点应子密钥池机取m密钥部署相邻节点存享密钥直接建立配密钥
实验表明等条件该方案提高节点连通概率例节点预分配密钥数100时EG方案节点连通概率仅0095该方案够达0687部署知识节点减少预分配密钥数量提高网络抗毁性该方案子密钥池划分需慎重考虑
LiuDu密钥预分配时节点位置信息提高抗毁性存着攻击容易节点进行定位俘获节点缺乏认证机制伪造等问题针述问题Huang栅格组部署方案限制组节点数量设定密钥空间选中阀值等方法提出解决方案
5 路径密钥增强方案
EG方案里两相邻节点AB分配密钥分配节点节点受损AB间链路会受安全威胁Liu提出路径密钥增强方案假设AB密钥协商存着j条相交路径A产生j机值V1 V2 ……Vf然通j条相交路径发送BB接收j机值生成新配密钥Kk⊕V1⊕V2⊕……⊕Vf攻击者获取全部j机值破释配密钥K该方案EG方案机密钥理方案结合够显著提高相应方案安全性该方案缺点建立否建立足够数量相交路径目前尚属NP问题
323基栅格密钥预分配方案
机密钥预分配方案中相邻节点定概率建立密钥连接密钥理方案协议致力意两节点建立配密钥LiuChan基栅格分建立密钥预分配方案
建立栅格方法：根网络中节点总数N结构m×m栅格中mLiu提出方案（简称GBKP（gridbased key predistribution）方案）里部署前部署服务器生成2m项式栅格行应唯项式列应唯项式部署服务器节点逐应栅格汇合点应项式享标识符配置该节点图33示部署行列节点直接建立配密钥行列节点通中间节点建立密钥路径Chan提出PIKE（peer intermediaries for key estabishment）方案里节点栅格行列编号部署前节点行列 (310)节点建立配密钥然节点序列序进行部署图34示：部署行列节点直接拥配密钥行列节点通公行列节点建立密钥路径
图33 GBKP方案
图34 PIKE方案
GBKP方案PIKE方案保证意两节点够建立配密钥节点密度关够显著降低节点通信存储开销缺点部署方式固定够灵活中间节点受损会影响整网络安全
324基组合密钥预分配方案
Camtepe组合设计理（combinatorial design theory）设计WSN确定密钥预分配方案假设网络节点总数Nn阶限射影空间（finte projective plane）（n满足n²+n+1≥N素数）生成参数称(n²+n+1n+11) BIBD支持网络节点数n²+n+1密钥池n²+n+1够生成n²+n+1n+1密钥环意两密钥环少存1公密钥密钥出现n+1密钥环里见意两节点密钥连通概率1系数n支持意网络规模例N> n²+n+1时n必须新素数素数会导致密钥环急剧增突破节点存储空间适WSN广义四边形（generalized quadrangles简称GQ）更支持网络规模
325 SPINS（securiry protocols for sensor networks）协议LEAP(localized encryption and authentication protocol)协议
Perrig利Sink作网络信密钥分发中心网络节点建立配密钥实现广播数包认证SPINS协议两部分组成：SNEP（secure network encryption prorocol）µ TESLA (timed efficient stream losstolerant authentication)SNEP通计数器消息认证码等机制实现数机密性数认证通信双方配密钥MAC密钥通Sink获取密钥伪机函数生成SNEP协议语义级安全保证数鲜活性MAC密钥长度固定仅8字节增加通信负载
µ TESLA实现广播数认证Sink首先单散列函数H生成单密钥链{K0K1……Kn}中KiH(Ki+1)Ki+1容易计算KiKi法计算Ki+1网络运行时间分干时间槽（slot）时间槽密钥链里应密钥i时间槽里Sink发送认证数包然延迟时间公布密钥Ki节点接收该数包首先保存缓区里等接收新公布密钥Ki然目前保存密钥Kv (311)验证密钥Ki否合法合法Ki认证缓区里数包µ TESLA工作示意图图35示
图35 µ TESLA单密钥链
µ TESLA里攻击者难获取伪造新认证密钥µ TESLA提供良广播认证机制密钥延迟暴露非实时认证问题容易受DoS攻击针问题Liu分提出级µ TESLAMerkle散列树解决方法
SPINS协议里节点配密钥生成数包认证必须通Sink完成旦Sink受损整网络安全受威胁Sink开销SPINS协议仅规模较网络
种单密钥机制实现WSN需安全通信提出LEAP协议建立4种类型密钥：体密钥配密钥组密密钥簇密钥体密钥节点Sink享密钥节点部署前通预分配密钥伪机函数生成两相邻节点生成配密钥通交换标识符预分配密钥单散列函数计算节点作簇头建立邻居节点享簇密钥产生机密钥作簇密钥然邻居节点配密钥逐队簇密钥加密发送应节点邻居节点簇密钥解密保存组密钥Sink节点享通信密钥Sink首先组密钥字节点享簇密钥加密广播子节点子节点获取新组密钥级子节点享簇密钥加密组密钥广播子节点类推直节点获取新组密钥止
LEAP协议优点节点受损会影响节点安全缺点节点部署特定时间必须保留全网通密钥密钥旦暴露整网络安全受威胁
326 基IBC（identiybased cryptography）密钥预分配方案
CBC相基身份密码体制（IBC优点公匙公开信息直接推导获需公钥进行认证效降低计算复杂度通信负载认较WSN例Bilinear Pairing技术理信息相结合IBC密钥理方案
部署前节点A预加载系统参数（pqEFqG1G2 HhWWpub）私钥IKA中pq限域Fq两素数EFq椭圆曲线G1G2机选取生产元Hh两散列函数WpubKw(k密钥)IKAkHIDA)部署节点A通定位算法获取位置信息lA计算私钥LKkH(IDA||lA)节点A邻居节点B通获取公开ID方理信息建立配密钥KABA生成配密钥KAB（IKAH(IDB||lB)）B生成配密钥KAB（IKBH(IDA||lA)）根映射性质知KAB（kH(IDA||lA）H(IDB||lB)) (H(IDA||lA)kH(IDB||lB)) KAB建立双方配密钥基础h配密钥生成通信需种类型会话密钥
该方案具强容侵力节点受损会暴露节点机密信息采节点间认证机制效防止WormholeSinkholeSybilBogus Data Injection等攻击该方案存缺陷：节点预分配密钥k必须等私钥生成删密钥暴露整网络机密信息会暴露二位置固定仅静态WSN三节点资源需求高制约应范围
327 方案协议综合分析需解决研究问题
研究现状机密钥预分配方案协议认适WSN目前WSN密钥理流研究方较高密钥连通概率意味着相邻节点甚全网络达较高安全连通性密钥暴露概率越意味着抗毁性越
密钥池设计结构化提高享密钥阀值利理信息部署知识效提高机密钥预分配方案协议抗毁性密钥连通概率节点部署密度相关理基础典机图模型模型机图模型完全适WSN时指出选取适密钥池密钥环确保获取较高密钥连接概率
机密钥预分配方案协议然提供佳密钥连通概率计算存储通信开销较理想具良分布特性确定密钥预分配非称密钥理方案协议然保证两节点建立密钥连接计算存储通信开销问题需进步优化
总然密钥理研究取许成果密钥理方案协议然满足种应需求存需解决问题具体：
1 建立许类型通信密钥目前WSN密钥理方案协议仅考虑建立邻居节点间配密钥配密钥实现节点通信支持组播全网广播方案协议应建立种类型通信密钥满足单播通信组播通信广播通信等需求
2 支持密钥分布式动态理节点受损避免受损节点排网络外首先动态更新撤回已受损密钥目前数方案协议较少考虑密钥动态理已密钥动态理方案集中式产生计算通信开销密钥更新撤回应节点间协作实现方案协议具良分布特性
3 提供效认证机制密钥协商需数包节点身份进行效认证否保证建立通信密钥正确性单纯MAC机制称密钥理中存伪造问题基非称密钥数字签名机制目前适WSN提供符合WSN特点认证机制密钥理研究重容
4 支持容侵容错节点易受伤计算通信力受限特点节点容易受DoS攻击全面防御DoS攻击较困难外未受安全威胁节点出节考虑资源耗导致保证永远处正常运行状态数包丢失避免方案协议应具良容侵容错性
体系结构观点密钥理安全机制提供服务安全机制组成WSN整体安全解决方案认实现跨层设计密钥理利明确设计目标性优化例目前绝数密钥理方案协议仅仅致力建立相邻节点间通信密钥效安全解决方案里跳节点间通信密钥必加强密钥理安全路安全定位安全数融合等安全机制耦合够系统整体角度方案协议处理复杂度存储复杂度通信复杂度进行优化设计密钥理方案协议更加符合WSN特点具良适应性
运符合WSN特点理分析方法进行密钥理研究十分必样够避免设计机制算法赖直觉验缺乏严谨科学信理避免严谨成果片面性局部性甚提供更加效解决方案成熟行理方法机图理信息等理方法采WatchDog单散列函数链selfhealing技术等安全算法技术结合WSN资源受限拓扑易变部署机组织规模固定设施支持等特点设计行密钥理方案协议实现密钥理机制算法模型化度量化计算
第四章 总结
文通线传感器网络路安全协议密钥理协议安全定位协议三方面进行分析着重分析线传感器网络密钥理协议详细分析种较重密钥理方案线传感器网络安全重性
通种安全方案设计分析更解线传感器网络安全性求进行进步分析研究加强线传感器网络安全性行性
着微机电技术传感器技术通信技术等技术断发展线传感器网络应必断深入广泛作项基安全服务密钥理研究会引起更关注重视密钥理方案协议必须符合满足WSN特点扩展性计算复杂度存储空间需求低通信负载低拓扑结构易变等必须应密切相关密钥理方案协议安全分布组织性容错容侵性理信息相结合等研究问题步研究工作需重点关注解决外WSN接资源受严格限制时非称密钥理方案协议必成具潜力研究方
参 考 文 献
[1] 苏忠林闯丰富君丰原·线传感器网络密钥理方案协议·清华学2007年P211
[2] 谭伯周贤伟杨军李晓勤·基线传感器网络路协议安全机制研究·传感技术报2006年8月第19卷第4期P25
[3] 刘志宏·线传感器网络密钥理·西安电子科技学2009年P34
[4] 廉飞宇张元·计算机网络通信·电子工业出版社2009年P5069
[5] 张金国·线传感器网络密钥分配协议分析设计·南京航空航天2008年P411
[6] 崔吉徐桂云张燕超李辉·线传感器概述·中国矿业学机电学院2009年P12
[7] Eylem Ekici Yaoyao Gu and Doruk Bozdag MobilityBased Communication in Wireless Sensor Networks IEEE Communications Magazine Vol 44 Pp 5662 IEEE 2006
[8] Jing Deng Richard Han and Shivakant Mishra INSENS IntrusionTolerant Routing for Wireless Sensor Networks Computer Communications Volume 29 Issue 2 January 2006 Pp 216230 ACM 2006
[9] Hai Liu Amiya Nayak and Ivan Stojmenovi FaultTolerant AlgorithmsProtocols in Wireless Sensor Networks Guide to Wireless Sensor Networks Computer Communications Springer 2009
[10] 李敏殷建伍勇安程杰仁·线传感器网络密钥理方案综述· 国防科技学计算机学院2008年P25
[11] 彭志娟徐慧严燕·线传感器网络认证密钥协商协议·南通学学报2009年第8卷第3期
[12] 王兵·线传感器网络信誉安全路协议研究·南京邮电学2010年P2425
[13] Tatiana Bokareva Wen Hu Salil Kanhere Branko Ristic Neil Gordon Travis Bessell Mark Rutten and Sanjay Jha Wireless Sensor Networks for Battlefield Surveillance Proceedings of The Land Warfare Conference (LWC) October 2006
[14] Mahmood Ali Annette Böhm and Magnus Jonsson Wireless Sensor Networks for Surveillance Applications – A Comparative Survey of MAC Protocols The Fourth International Conference on Wireless and Mobile CommunicationsPp 399403 IEEE 2008
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