无线传感器网络安全若干关键技术研究与应用

论文摘要

无线传感器网络(WSN)在军事、环境监测、智能家居、医疗护理、智能交通、物流、抗震救灾、煤矿安全监测等方面都显示出了巨大的潜在应用价值。随着无线传感器网络发展和研究的不断深入,无线传感器网络的安全问题显得日益突出,因此对无线传感器网络安全问题的研究具有重要的意义。本文首先对无线传感器网络进行简要介绍,阐述了其安全需求；然后从网络协议的各个层次对无线传感器网络的所面临的安全威胁进行了详细的分析,总结出无线传感器网络安全最基本的技术和机制是：加密技术、密钥管理和认证技术。接着研究了无线传感网络现有的加密技术,提出将南京大学自主知识专利的混沌伪随机序列(CPRS)数据加密技术应用于无线传感网络,并通过性能的分析比较得出CPRS算法适合应用于无线传感器网络；讨论了无线传感网络密钥管理方案的性能评价指标,对现有的密钥管理方案进行分类和比较,对比总结现有各经典的密钥管理方案的优缺点,指出了还有待解决的问题并给出今后的研究方向。最后设计并搭建了一个无线传感器网络——ZigBee网络,对基于无线传感器网络的保密通话系统的安全进行设计,把混沌伪随机序列(CPRS)数据加密技术应用其中,并设计了一个基于混沌伪随机序列的改进SPINS密钥管理方案,理论分析表明,此方案能够很好的适应系统的应用需求。本论文中的ZigBee网络从设计开始就考虑了安全问题,适合应用于有安全需求的无线传感器网络的场景,有一定的市场前景。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 无线传感器网络简介
• 1.1.1 无线传感器网络结构
• 1.1.2 无线传感器网络节点结构
• 1.1.3 无线传感器网络特点
• 1.2 无线传感网络安全需求和威胁
• 1.2.1 无线传感器网络基本安全需求
• 1.2.2 无线传感器网络面临的安全威胁
• 1.2.2.1 物理层的安全威胁
• 1.2.2.2 数据链路层的安全威胁
• 1.2.2.3 网络层的安全威胁
• 1.2.2.4 传输层的安全威胁
• 1.2.3 小结
• 1.3 论文的主要工作和组织结构
• 第二章 混沌加密技术
• 2.1 密码学概述
• 2.2 无线传感器网络加密技术现状
• 2.2.1 RC5算法
• 2.2.2 Rijndael算法
• 2.2.3 小结
• 2.3 混沌密码的在无线传感器网络中的应用
• 2.3.1 WSN中现有的混沌加密算法
• 2.3.2 混沌伪随机序列
• 2.3.2.1 混沌流密码的可行性和安全性分析
• 2.3.2.2 CPRS算法
• 2.3.2.3 CPRS和现有加密技术性能比较
• 第三章 无线传感网络密钥管理方案
• 3.1 密钥管理方案评价标准和分类
• 3.1.1 评价标准
• 3.1.2 密钥管理方案的分类
• 3.2 基于对称密码体制的密钥管理方案
• 3.2.1 随机方式的密钥管理方案
• 3.2.2 确定方式的密钥管理方案
• 3.2.3 小结
• 3.3 密钥管理方案的未来
• 第四章 ZigBee网络的设计及安全关键技术的应用
• 4.1 系统安全方案设计
• 4.1.1 系统的功能框图
• 4.1.2 密钥管理方案
• 4.1.2.1 初始化阶段
• 4.1.2.2 节点间密钥建立
• 4.1.2.3 密钥更新
• 4.1.2.4 广播认证
• 4.1.3 性能分析
• 4.2 硬件节点设计
• 4.2.1 ZigBee解决方案选择
• 4.2.2 芯片选型
• 4.2.2.1 RF芯片的选择
• 4.2.2.2 MCU芯片的选择
• 4.2.2.3 电源芯片选择
• 4.2.3 电路设计
• 4.2.3.1 CC2420和STM32硬件接口设计
• 4.2.3.2 CC2420寄存器配置
• 4.3 软件设计
• 4.3.1 物理层
• 4.3.2 MAC层
• 4.3.3 网络层
• 4.3.4 程序设计流程图
• 4.4 性能测试
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 前景与展望
• 参考文献
• 致谢