【正文】 桂林航天工業(yè)高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計（論文）桂林航天工業(yè)高等專科學(xué)校畢業(yè)設(shè)計 題目：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全方案設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是我個人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名：　　 　 　　日　 期：　　 　 　　 指導(dǎo)教師簽名：　　 　 　　 日　　期：　　 　 　　 使用授權(quán)說明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。作者簽名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)　　 　 　大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名： 日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日目 錄教師評語　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 Ⅰ答辯記錄　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 Ⅱ畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書 Ⅲ畢業(yè)設(shè)計開題報告 Ⅳ中英文摘要 　　 V引言................................................................1第一章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)知識....................................3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概述........................................3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)......................................3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全需求....................................5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全協(xié)議....................................6 概述................................................6 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)............................6 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要性..............................9第二章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全性分析...................................10 攻擊種類...................................................10 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的防范對策、安全協(xié)議概述......................11 路由安全協(xié)議.......................................11 密鑰管理協(xié)議.......................................14 安全定位協(xié)議.......................................16第三章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理協(xié)議有效方案設(shè)計.....................18 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理的安全性能...........................18 典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理的方案和協(xié)議...................18 Eschenauer隨機密鑰預(yù)分配方案.......................18 對EG方案的幾種改進(jìn)...............................19 基于柵格的密鑰預(yù)分配方案...........................22 基于組合論的密鑰預(yù)分配方案.........................23 SPIN協(xié)議及LEAP協(xié)議................................23 基于IBC的密鑰預(yù)分配方案...........................25第四章 總結(jié).......................................................29參考文獻(xiàn)...........................................................30引言隨著微電子技術(shù)和MEMS技術(shù)的不斷進(jìn)展，作為信息獲取最基本和最重要的技術(shù)——傳感器技術(shù)，也得到了長足發(fā)展。伴隨著信息時代網(wǎng)絡(luò)化的進(jìn)程，傳感器信息獲取技術(shù)已經(jīng)從過去的單一化漸漸向集成化、微型化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。計算機技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了后PC時代，后PC時代的一個特點就是推動了計算機從桌面系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心進(jìn)入到物理環(huán)境中。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)是在以上技術(shù)的進(jìn)步的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的，是一種集成了監(jiān)測、控制和無線通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點一般搭載一個或多個傳感器，感知物理世界。它采用多跳的傳播和無基礎(chǔ)設(shè)施組網(wǎng)，節(jié)點既是信息的采集和發(fā)出者，又充當(dāng)信息的路由者，具有規(guī)模大、自組織、動態(tài)性、應(yīng)用相關(guān)、以數(shù)據(jù)為中心等特點。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不同于傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)：其一，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目眾多，一般沒有全球唯一的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符，傳統(tǒng)的有線、無線網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點都有唯一的地址用于路由。傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心，某些節(jié)點之間的路由是不需要的，所以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中不宜采用傳統(tǒng)的路由協(xié)議。其二，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的流向是多對一的，需要的信息一般是來自一個區(qū)域，經(jīng)過數(shù)據(jù)融合后，得到需要的信息，再傳送到目的節(jié)點——sink節(jié)點，由其統(tǒng)一交付給用戶。其三，傳感器節(jié)點電能和存儲容量都很有限。由于在被觀測對象內(nèi)部或附近部署了大量的傳感器節(jié)點，一個節(jié)點中收集的數(shù)據(jù)有可能和其他附近節(jié)點收集的數(shù)據(jù)存在因為這些傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)是相同或相近的，即存在冗余信息，傳輸數(shù)據(jù)會消耗大量的節(jié)點能量，因而沒有必要將這些數(shù)據(jù)全部發(fā)送給匯聚節(jié)點。這就需要路由協(xié)議具有數(shù)據(jù)融合能力，以提高帶寬利用率。其四，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的大部分節(jié)點不像傳統(tǒng)的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點一樣快速移動，因此沒有必要花費很大的代價頻繁地更新路由表信息。由于是無線傳輸、電池供電、覆蓋范圍和節(jié)點生存期受到一定的限制。一個現(xiàn)實問題是如何在遠(yuǎn)處從部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中提取數(shù)據(jù)，一種方法是連接WSN和現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，包括國際互聯(lián)網(wǎng)。今天大部分網(wǎng)絡(luò)使用的是IP協(xié)議作為其基本的技術(shù)，因此，如何實現(xiàn)把WSN和IP網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)成為了熱門的研究課題。因為WSN采用多跳的傳播和無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)組，在野外或戰(zhàn)場等惡劣且偏遠(yuǎn)的環(huán)境中，在電力系統(tǒng)以及運營通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到的地方，卻往往是傳感器網(wǎng)絡(luò)大有用武之地，依靠計算機等功率較大的設(shè)備實現(xiàn)對野外目標(biāo)探測傳感器的實時監(jiān)控并實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程訪問是不現(xiàn)實的，采用低功耗單片機或微控制器組成的系統(tǒng)，利用以太網(wǎng)供電技術(shù)可以在一定范圍內(nèi)拓展以太網(wǎng)的覆蓋范圍，延伸了WSN接入點的作用半徑，成為具有實用和研究意義的課題。第一章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)知識 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前國際上備受關(guān)注的由多科學(xué)交叉的新興前沿研究熱點領(lǐng)域。簡單地說，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network, WSN）就是由許多集傳感與驅(qū)動控制能力、計算能力、通信能力于一身的資源受限（指計算、存儲和能源方面的限制）的嵌入式節(jié)點通過無線方式互聯(lián)起來的網(wǎng)絡(luò)。也指在特定應(yīng)用環(huán)境中布置的傳感器節(jié)點以無線通信方式組織成網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點完成指定的數(shù)據(jù)采集工作，節(jié)點通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中，并最終由特定的應(yīng)用接收。WSN是由大量密集部署在監(jiān)控區(qū)域的智能節(jié)點構(gòu)成的一種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。廣泛運用于設(shè)施安全、環(huán)境監(jiān)控、工業(yè)應(yīng)用、交通控制等。與傳統(tǒng)的無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)不同，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點沒有統(tǒng)一的標(biāo)識，節(jié)點之間按通過廣播，多跳的通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；節(jié)點數(shù)量大，隨機分布，密布較大，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時間動態(tài)變化，節(jié)點設(shè)各供電電源能量有限，生命周期短。所以WSN需要研究新的技術(shù)，以保證實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能量消耗最小化，節(jié)點生命周期最大化，能量負(fù)載均衡化，以及通信能力最優(yōu)化的目標(biāo)。WSN技術(shù)涉及的研究領(lǐng)域非常廣泛，其中有相當(dāng)一部分集中在網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議、鏈路層的MAC協(xié)議、系統(tǒng)節(jié)能策略以及同步和定位等共性技術(shù)。WSN應(yīng)用的目標(biāo)是協(xié)作的感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋地區(qū)中感知對象的信息，并發(fā)給觀察者，因此它的三個要素是傳感器、感知對象和觀察者。因此可以說WSN將邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界融合在一起，改變了人類與自然界的交互方式。 隨機分布的有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的微小節(jié)點通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，借助節(jié)點中內(nèi)置的形式多樣的傳感器測量所在周邊環(huán)境中的熱、紅外、聲納、雷達(dá)和地震波信號，從而探測包括溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等眾多我們感興趣的物質(zhì)現(xiàn)象。在通信方式上，雖然可以采用有線、無線、紅外和光等多種形式，但一般認(rèn)為短距離的無線低功率通信技術(shù)最適合傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用，為明確起見，一般稱無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（ Sensor Network）。[6] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖11所示，傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點（sensor node）、匯聚節(jié)點（sink node）和管理節(jié)點。大量傳感器節(jié)點隨機部署在檢測區(qū)域（sensing region）內(nèi)，以自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，通過多跳中繼方式將檢測到的數(shù)據(jù)傳送給匯聚節(jié)點，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點。用戶通過管理節(jié)點對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布檢測任務(wù)及收集檢測數(shù)據(jù)。[7]圖11 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)傳感器節(jié)點是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，計算能力、存儲能力和通信能力非常有限，能量也很有限。傳感器節(jié)點除了進(jìn)行本地信息的收集之外，還要對其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。相比較而言，匯聚節(jié)點各方面的能力要強得多，并且具有足夠的能力供給。匯聚節(jié)點通常與外部網(wǎng)絡(luò)直接相連，負(fù)責(zé)發(fā)布管理節(jié)點的檢測任務(wù)，并把收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給外部網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點一般由數(shù)據(jù)采集模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊這四部分組成。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換，處理器模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理，無線通信模塊負(fù)責(zé)與其他節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，能量供應(yīng)模塊負(fù)責(zé)運行所需的能量，通常采用微型電池。傳感器節(jié)點的處理器通常使用嵌入式CPU，如UC Berkeley的TinyOS，嵌入式Linyx等。圖12描述了節(jié)點的組成，數(shù)據(jù)感知單元通過對傳感器所在區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和感知，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；經(jīng)由數(shù)據(jù)處理單元對數(shù)據(jù)信號進(jìn)行簡單處理后由數(shù)據(jù)傳送單元調(diào)制后發(fā)射出去。[17]圖12 傳感器節(jié)點體系結(jié)構(gòu)1. 數(shù)據(jù)采集模塊：由一組傳感器和數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)將周圍環(huán)境的物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，例如測量所在周邊環(huán)境中的熱、紅外、聲納、雷達(dá)和地震波信號，從而探測包括溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等眾多用戶感興趣的物理現(xiàn)象。數(shù)據(jù)采集模塊提供了采集信息的能力，將數(shù)字世界與物理世界聯(lián)系起來。2. 處理器模塊：由處理器和存儲器構(gòu)成的處理器模塊，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)無線傳感器各個模塊的工作，如對數(shù)據(jù)采集模塊獲取信息進(jìn)行必要的處理和存儲，控制無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊的工作模式等。處理器模塊提供了處理信息的能量，將無線傳感器節(jié)點智能化。3. 無線通信模塊：由短距離無線收發(fā)電路構(gòu)成的無線通信模塊，負(fù)責(zé)與其他無線傳感器鄰居節(jié)點或基站進(jìn)行無線通信。無線通信模塊提供了傳輸信息的能力，將單獨的無線傳感器節(jié)點聯(lián)接成為協(xié)作網(wǎng)絡(luò)。4. 能量供應(yīng)模塊：由電池構(gòu)成的能量供應(yīng)模塊，為無線傳感器的其他模塊提供電源。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全需求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可能會遇到竊聽、