论文部分内容阅读
无线传感器网络因其多学科的交叉性和广泛的应用前景得到了越来越多的关注。安全机制的研究是传感器网络广泛应用的基础，但传感器网络的资源受限、无线通信的易毁性以及物理安全的缺失，给相关安全机制的设计带来了很大的挑战。无线传感器网络中的错误数据防范是一个重要的安全问题，攻击者注入的错误数据不仅会造成数据搜集者的决策失误，错误数据的传输也会造成网络资源的浪费。无线传感器网络中的错误数据也存在于多个阶段和各个层面，数据感知阶段的错误数据会影响应用决策，数据传输阶段的错误数据会恶意消耗网络资源，节点路由阶段的错误数据还会影响网络端到端的可用性；同时错误数据还会严重影响网络应用层和网络层的功能。相关的研究一直关注网络错误数据滤除机制的设计，但是均没有较全面地考虑传感器网络错误数据防范系统的设计，具体而言，许多研究提出利用数据的安全生成机制滤除错误数据，而没有考虑中间节点对数据传播的扰乱造成的数据的不可达；另一些研究关注在数据传播阶段的安全协议设计，但不能保证产生的数据是可靠和安全的。本文综合地考虑数据生成阶段和数据传播阶段的错误数据防范问题，更全面地防范了传感器网络中的错误数据，主要的研究结果包括如下四个方面：
1.为了提供基础的安全服务，本文提出了传感器网络中一种密钥分配机制——双层单向Hash链的密钥分配机制(Keyed One Way Hash Chain，Keyed—OWHC)。该机制结合了非对称密钥和对称密钥分配机制各自的优点，既利用了非对称密钥分配的简单性，又利用了对称密码算法的计算上的高效性，同时利用位置绑定密钥限制了攻击者的恶意行为的地理范围。
2.在无线传感器网络的数据生成阶段设计了基于认证共识的安全机制，合法的认证共识包含了多个传感器节点计算的认证码，有效地抵御了被攻破的节点向网络注入错误数据的恶意行为，保证了传感器网络获取数据的真实性。
3.在无线传感器网络的数据传输阶段设计了一个安全路由协议——基于反馈的安全路由协议(Feedback based Secure Routing，FBSR)。FBSR协议利用了邻居节点的反馈信息来选择合适的节点作为下一跳，邻居节点的反馈信息是其与目标节点的距离和其已消耗能量的加权值，此反馈信息既反应了节点的剩余能量水平，也反应了邻居节点作为路由下一跳的路径有效性。FBSR利用Keyed—OWHC来认证邻居节点的反馈信息，保证了协议的安全性。仿真试验验证了协议的有效性和安全性。
4.为了分析系统性能，本文提出了基于信息论的错误数据防范系统的评价模型，从整体上分析了系统的错误数据检测能力。利用信息熵和互信息的概念，系统的错误数据检测能力定义为系统能够正向消除输入数据不确定性的比例。详细的数据分析显示了该指标比误判率、漏报率、Bayes方法评价指标更优，能更加综合地体现系统的整体性能。根据这个系统性能的评价指标，在系统整体模型框架下验证了系统的性能比相关工作的错误数据检测能力更高，从而从信息论模型的角度说明了本文所设计机制的有效性。