【正文】 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(qiáng)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。傳感器節(jié)點(diǎn)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。[7]圖11 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)傳感器節(jié)點(diǎn)是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)，計(jì)算能力、存儲能力和通信能力非常有限，能量也很有限。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）。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是由大量密集部署在監(jiān)控區(qū)域的智能節(jié)點(diǎn)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(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。因?yàn)閃SN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(yùn)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(jì)算機(jī)等功率較大的設(shè)備實(shí)現(xiàn)對野外目標(biāo)探測傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)控并實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程訪問是不現(xiàn)實(shí)的，采用低功耗單片機(jī)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(diǎn)的作用半徑，成為具有實(shí)用和研究意義的課題。其四，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的大部分節(jié)點(diǎn)不像傳統(tǒng)的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)一樣快速移動，因此沒有必要花費(fèi)很大的代價(jià)頻繁地更新路由表信息。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(gè)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(diǎn)——sink節(jié)點(diǎn)，由其統(tǒng)一交付給用戶。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般搭載一個(gè)或多個(gè)傳感器，感知物理世界。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(jì)任務(wù)書 Ⅲ畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)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(jì).....................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(jī)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。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：　　 　 　　 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(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jì)（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。桂林航天工業(yè)高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）桂林航天工業(yè)高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì) 題目：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全方案設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jì)（論文），是我個(gè)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。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(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。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(jī)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。伴隨著信息時(shí)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。它采用多跳的傳播和無基礎(chǔ)設(shè)施組網(wǎng)，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)。其三，傳感器節(jié)點(diǎn)電能和存儲容量都很有限。由于是無線傳輸、電池供電、覆蓋范圍和節(jié)點(diǎn)生存期受到一定的限制。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(diǎn)領(lǐng)域。廣泛運(yùn)用于設(shè)施安全、環(huán)境監(jiān)控、工業(yè)應(yīng)用、交通控制等。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(gè)要素是傳感器、感知對象和觀察者。[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(diǎn)（sensor node）、匯聚節(jié)點(diǎn)（sink node）和管理節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)除了進(jìn)行本地信息的收集之外，還要對其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。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(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，能量供應(yīng)模塊負(fù)責(zé)運(yùn)行所需的能量，通常采用微型電池。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。無線通信模塊提供了傳輸信息的能力，將單獨(dú)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)聯(lián)接成為協(xié)作網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的開放性分布和無線廣播通信特征存在安全隱患，而不同的應(yīng)用背景的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對信息提出了不同的保護(hù)需求。完整性要求網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)收到的數(shù)據(jù)包在傳輸過程中未被插入、刪除、篡改等，即保證收到的消息和源方發(fā)出的消息是完全一致的。5. 新鮮性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目眾多，其多路徑消息傳輸機(jī)制或重放攻擊可能使目標(biāo)接收方收到延后的相同數(shù)據(jù)包。但傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的是每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是物理可訪問的，不能設(shè)置防火墻進(jìn)行訪問過濾；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的資源受限特征也使得基于非對稱加密體制的數(shù)字簽名和公匙證書機(jī)制難以應(yīng)用。Intel1. 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂茖τ跓o線的自組織的傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂凭哂刑貏e重要的意義。拓?fù)淇刂瓶梢苑譃楣?jié)點(diǎn)功率控制和層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形成兩個(gè)方面。該機(jī)制能夠使節(jié)點(diǎn)在沒有事件發(fā)生時(shí)設(shè)置通信模塊為睡眠狀態(tài)，而在有事件發(fā)生時(shí)及時(shí)自動醒來并喚醒鄰居節(jié)點(diǎn)，形成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議負(fù)責(zé)使各個(gè)獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)多跳的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，目前研究的重點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。目前提出了多種類型的傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，如多個(gè)能量感知的路由協(xié)議，定向擴(kuò)散和謠傳路由等基于查詢的路由協(xié)議，GEAR 和GEM等基于地理位置的路由協(xié)議，SPEED和ReInForM等支持QoS的路由協(xié)議。3. 網(wǎng)絡(luò)安全無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為任務(wù)型的網(wǎng)絡(luò)，不僅要進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，而且要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和融合，、任務(wù)的協(xié)同控制等。雖然在安全研究方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)沒有引入太多的內(nèi)容，但無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)決定了它的安全與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全在研究方法和計(jì)算手段上有很大的不同。4. 定位技術(shù)位置信息是傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)中不可缺少的部分，沒有位置信息的監(jiān)測消息通常毫無意義。根據(jù)節(jié)點(diǎn)位置是否確定，傳感器節(jié)點(diǎn)分為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和位置未知節(jié)點(diǎn)?；诰嚯x的定位機(jī)制就是通過測量相鄰節(jié)點(diǎn)間的實(shí)際距離或方位來確定未知節(jié)點(diǎn)的位置，通常采用測距、定位和修正等步驟實(shí)現(xiàn)。距離無關(guān)的定位機(jī)制的定位性能受環(huán)境因素的影響小，雖然定位誤差相應(yīng)有所增加，但定位精度能夠滿足多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的要求，是目前大家重點(diǎn)關(guān)注的定位機(jī)制。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要性 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)集成了傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)3大技術(shù)，是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)。 1. 軍事領(lǐng)域由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有小巧、隱蔽性好、環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)，使其非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，可以應(yīng)用在偵查敵情、監(jiān)控兵力、裝備和物資等多方面用途。羅徹特大學(xué)的科學(xué)家使用無線傳感器創(chuàng)建了一個(gè)智能醫(yī)療房間，使用微塵測量居住者的重要征兆、睡覺姿勢以及每天24小時(shí)的活動狀況。第二章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全性分析 點(diǎn)并不破壞路由協(xié)議的執(zhí)行過程而僅僅通過偵聽路由的通信過程獲取對它有用的路由信息。外部攻擊是指位于網(wǎng)絡(luò)外部的攻擊者對網(wǎng)絡(luò)發(fā)起的攻擊,而內(nèi)部攻擊是指經(jīng)過了認(rèn)證和授權(quán)已成為網(wǎng)絡(luò)成員的惡意節(jié)點(diǎn)(即:Compromised節(jié)點(diǎn),本文稱之為“叛變”節(jié) 點(diǎn))Relay))攻擊、“蛀洞”(WormholeSpoofing)攻擊者通過竊聽、欺騙、篡改或重放路由信息,可生成路由環(huán)路、引誘或拒絕通信流量、延長或縮短源路由、產(chǎn)生虛假的錯(cuò)誤消息、分隔網(wǎng)絡(luò)、增加端到端的延遲(Latency)該攻擊的一種簡單形式就是惡意節(jié)點(diǎn)象黑洞(Black因此,該攻擊的一種更巧妙形式就是攻擊者選擇性地轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包,Sinkhole在這種情況下,攻擊者可利用足夠大的發(fā)射功率或Wormhole 4.Sybil攻擊的攻擊者可以“同時(shí)擁有多個(gè)位置的坐標(biāo)”。個(gè)相距很遠(yuǎn)的惡意節(jié)點(diǎn)通過特定方式一起虛報(bào)它們之間的距離。這樣可以產(chǎn)生一個(gè)SinkholeHELLO攻擊者用足夠大的發(fā)射功率廣播路由或其他信息,這使網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都相信攻擊者是它的鄰居。到的包,以使網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能接收到。例如,路由協(xié)議可根據(jù)鏈路可靠性選擇路徑中下一跳。首先，源節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)路由請求包PPEQ（Routing Request）,或者目的節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)信息請求包IREQ（Ingormation Request），中間節(jié)點(diǎn)對路由包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，同事回轉(zhuǎn)一個(gè)路由應(yīng)答包RREP(Routing Reply),直到源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間建立起可用路由；其次，根據(jù)實(shí)際需求的路由協(xié)議設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行路由選擇；然后，在實(shí)際通信過程中，由于節(jié)點(diǎn)能量或安全攻擊等因素，定期或不定期地隊(duì)現(xiàn)有路由進(jìn)行維護(hù)（刪