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1、桂林航天工业高等专科学校毕业设计（论文）桂林航天工业高等专科学校毕业设计 题目：无线传感器网络的安全方案设计 专业：电子信息工程技术 姓名： 陈雨维 学号：200804520101 指导教师：崔艳玲 2011 年 5 月 20 日 目 录教师评语 答辩记录 毕业设计任务书 毕业设计开题报告 中英文摘要 V引言.1第一章 无线传感器网络的基础知识.31.1 无线传感器网络的概述.31.2 无线传感器网络体系架构.31.3 无线传感器网络的安全需求.51.4 无线传感器网络的安全协议.61.4.1 概述.61.4.2 无线传感器网络的关键技术.61.4.3 无线传感器网络的重要性.9第二章 无线传
2、感器网络安全性分析.102.1 攻击种类.102.2 无线传感器网络的防范对策、安全协议概述.112.2.1 路由安全协议.112.2.2 密钥管理协议.142.2.3 安全定位协议.16第三章 无线传感器网络密钥管理协议有效方案设计.183.1 无线传感器网络密钥管理的安全性能.183.2 典型的无线传感器网络密钥管理的方案和协议.183.2.1 Eschenauer随机密钥预分配方案.183.2.2 对E-G方案的几种改进.193.2.3 基于栅格的密钥预分配方案.223.2.4 基于组合论的密钥预分配方案.233.2.5 SPIN协议及LEAP协议.233.2.6 基于IBC的密钥预分配
3、方案.25第四章 总结.29参考文献.30引言随着微电子技术和MEMS技术的不断进展，作为信息获取最基本和最重要的技术传感器技术，也得到了长足发展。伴随着信息时代网络化的进程，传感器信息获取技术已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化发展。计算机技术的发展已经进入了后PC时代，后PC时代的一个特点就是推动了计算机从桌面系统和数据中心进入到物理环境中。无线传感器网络（WSN）技术是在以上技术的进步的基础之上发展起来的，是一种集成了监测、控制和无线通信技术的网络系统。传感器网络节点一般搭载一个或多个传感器，感知物理世界。它采用多跳的传播和无基础设施组网，节点既是信息的采集和发出者，又充当信息
4、的路由者，具有规模大、自组织、动态性、应用相关、以数据为中心等特点。无线传感器网络不同于传统的无线网络：其一，无线传感器网络节点数目众多，一般没有全球唯一的网络标识符，传统的有线、无线网络中，每个节点都有唯一的地址用于路由。传感器网络是以数据为中心，某些节点之间的路由是不需要的，所以无线传感器网络中不宜采用传统的路由协议。其二，无线传感器网络中数据的流向是多对一的，需要的信息一般是来自一个区域，经过数据融合后，得到需要的信息，再传送到目的节点sink节点，由其统一交付给用户。其三，传感器节点电能和存储容量都很有限。由于在被观测对象内部或附近部署了大量的传感器节点，一个节点中收集的数据有可能和其
5、他附近节点收集的数据存在因为这些传感器节点采集的数据是相同或相近的，即存在冗余信息，传输数据会消耗大量的节点能量，因而没有必要将这些数据全部发送给汇聚节点。这就需要路由协议具有数据融合能力，以提高带宽利用率。其四，无线传感器网络中的大部分节点不像传统的Ad hoc网络中的节点一样快速移动，因此没有必要花费很大的代价频繁地更新路由表信息。由于是无线传输、电池供电、覆盖范围和节点生存期受到一定的限制。一个现实问题是如何在远处从部署的无线传感器网络中提取数据，一种方法是连接WSN和现有的网络设施，包括国际互联网。今天大部分网络使用的是IP协议作为其基本的技术，因此，如何实现把WSN和IP网络互联网成
6、为了热门的研究课题。因为WSN采用多跳的传播和无基础设施网组，在野外或战场等恶劣且偏远的环境中，在电力系统以及运营通信网络覆盖不到的地方，却往往是传感器网络大有用武之地，依靠计算机等功率较大的设备实现对野外目标探测传感器的实时监控并实现无线传感器网络的远程访问是不现实的，采用低功耗单片机或微控制器组成的系统，利用以太网供电技术可以在一定范围内拓展以太网的覆盖范围，延伸了WSN接入点的作用半径，成为具有实用和研究意义的课题。第一章 无线传感器网络的基础知识1.1 无线传感器网络的概述无线传感器网络是当前国际上备受关注的由多科学交叉的新兴前沿研究热点领域。简单地说，无线传感器网络（wireless
7、 sensor network, WSN）就是由许多集传感与驱动控制能力、计算能力、通信能力于一身的资源受限（指计算、存储和能源方面的限制）的嵌入式节点通过无线方式互联起来的网络。也指在特定应用环境中布置的传感器节点以无线通信方式组织成网络，传感器节点完成指定的数据采集工作，节点通过无线传感器网络将数据发送到网络中，并最终由特定的应用接收。WSN是由大量密集部署在监控区域的智能节点构成的一种网络应用系统，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。广泛运用于设施安全、环境监控、工业应用、交通控制等。与传统的无线Ad hoc网络不同，无线传感器网络节点没有统一的标识，节点之间按通过广播，多
8、跳的通信方式进行数据交换；节点数量大，随机分布，密布较大，网络拓扑结构随时间动态变化，节点设各供电电源能量有限，生命周期短。所以WSN需要研究新的技术，以保证实现网络能量消耗最小化，节点生命周期最大化，能量负载均衡化，以及通信能力最优化的目标。WSN技术涉及的研究领域非常广泛，其中有相当一部分集中在网络层的路由协议、链路层的MAC协议、系统节能策略以及同步和定位等共性技术。WSN应用的目标是协作的感知、采集和处理网络覆盖地区中感知对象的信息，并发给观察者，因此它的三个要素是传感器、感知对象和观察者。因此可以说WSN将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变了人类与自然界的交互方式。
9、随机分布的有传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点通过自组织的方式构成网络，借助节点中内置的形式多样的传感器测量所在周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众多我们感兴趣的物质现象。在通信方式上，虽然可以采用有线、无线、红外和光等多种形式，但一般认为短距离的无线低功率通信技术最适合传感器网络的使用，为明确起见，一般称无线传感器网络（WSN.Wireless Sensor Network）。61.2 无线传感器网络体系架构无线传感器网络结构如图1-1所示，传感器网络系统通常包括传感器节点（sensor no
10、de）、汇聚节点（sink node）和管理节点。大量传感器节点随机部署在检测区域（sensing region）内，以自组织方式构成网络，通过多跳中继方式将检测到的数据传送给汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布检测任务及收集检测数据。7图1-1 无线传感器网络体系结构传感器节点是一个微型的嵌入式系统，计算能力、存储能力和通信能力非常有限，能量也很有限。传感器节点除了进行本地信息的收集之外，还要对其他节点转发来的数据进行融合。相比较而言，汇聚节点各方面的能力要强得多，并且具有足够的能力供给。汇聚节点通常与外部网络直接相连，负责发布管理节点
11、的检测任务，并把收集的数据转发给外部网络。传感器节点一般由数据采集模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块这四部分组成。数据采集模块负责数据的采集和转换，处理器模块负责数据处理，无线通信模块负责与其他节点进行数据传输，能量供应模块负责运行所需的能量，通常采用微型电池。传感器节点的处理器通常使用嵌入式CPU，如Intel的8086.另外系统还需要一个微型化的操作系统以进行任务调度与管理，如UC Berkeley的TinyOS，嵌入式Linyx等。图1-2描述了节点的组成，数据感知单元通过对传感器所在区域进行数据采集和感知，进行模数转换；经由数据处理单元对数据信号进行简单处理后由数据传送单元调制后发射出去。17图1-2 传感器节点体系结构1. 数据采集模块：由一组传感器和数模转换装置构成的数据采集模块负责将周围环境的物理现象转换成数字信号，例如测量所在周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众多用户感兴趣的物理现象。数据采集模块提供了采集信息的能力，将数字世界与物理世界联系起来。2. 处理器模块：由处理器和存储器构成的处理器模块，负责协调无线传感器各个模块的工作，如对数据采集模块获
