分布式WSNs安全模型及关键问题研究

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1、学号：11720153003论文密级：公开中图分类号：TP309学科分类号：830.4520学校代码：90005战略支援部队信息工程大学博士学位论文分布式WSNs安全模型及关键问题研究论文作者：周伟伟指导教师：郁滨教授申请学位：军事学学位学科名称：军事装备学研究方向：军事信息安全装备工程与技术论文提交日期：2018年4月20日论文答辩日期：2018年6月15日战略支援部队信息工程大学二○一八年四月ADissertationSubmittedtoPLAStrategicSupportForceInformationEngineeringUniversityforth

2、eDegreeofDoctorofMilitaryResearchonSecurityModelofDistributedWirelessSensorNetworksandItsKeyProblemsCandidate：WeiweiZhouSupervisor：Prof.BinYuApr.2018摘要随着现代战争中信息化军事装备规模化、杀伤性武器精确化和目标移动速度化，作战人员直接到战场执行军事侦察任务的危险性越来越高。分布式无线传感器网络具有部署灵活、高冗余度、低成本和扩展方便等特点，非常适合替代作战人员遂行多样化军事任务，尤其是在敌占区、环境恶劣区域和无人区等

3、难以到达区域的数据采集、多目标控制和战场环境监测中具有重要的军事应用价值。鉴于安全问题是分布式无线传感器网络能否应用于军事领域的关键，分布式无线传感器网络自从被提出以来，其在网络信息安全领域的相关研究频现于国内外高水平期刊。本文从数据安全、节点安全和链路安全三个方面对分布式无线传感器网络安全进行了深入研究。其中，分析分布式无线传感器网络的拓扑结构及特点有助于厘清网络面临的安全风险，对安全体系架构和安全保护参考模型构建具有一定的指导作用。分布式无线传感器网络安全方案的构造主要围绕协议设计、阈值计算和安全参数分析展开研究。在此基础上，拓展和完善分布式无线传感器网络安全

4、方案使其在已有条件下抵御各种安全威胁的收益达到最优，从而为分布式无线传感器网络在高安全领域的应用提供保障。具体研究内容如下：1.针对目前分布式无线传感器网络安全的研究过于注重特定攻击的方案设计，忽略了安全模型的系统化问题，在深入分析分布式无线传感器网络安全需求的基础上，给出了分布式无线传感器网络安全体系架构及安全保护参考模型，明确了各节点和节点内各安全响应模块之间的关系，指出现有分布式无线传感器网络安全仍需解决的关键问题。2.针对现有安全传输方案缺乏对节点和链路的匿名性保护且簇头节点易遭受Rudolph攻击问题，设计了基于可信第三方的会话密钥协商机制，同时利用双线

5、性映射、杂凑函数和椭圆曲线参数对簇形结构进行可信匿名认证。然后结合属性集匹配与匿名认证技术提出了一种簇间节点可信匿名安全链路传输方案。最后给出了协议的安全性证明。与其他同类方案相比，该方案能够抵抗Rudolph攻击且提高了可信认证的运行效率。3.针对分布式无线传感器网络中的蠕虫传播问题，提出了一种基于改进流行病模型的状态节点描述方法，可以保证各状态节点动力学方程的准确性。在此基础上，给出了目标成本值最优的动态微分博弈模型和控制参数的鞍点策略，设计了最优的蠕虫抑制算法。仿真实验表明，该算法能够有效抑制蠕虫的传播速度。4.针对传感器节点与簇头以及簇头与簇头之间的数据传

6、输易遭受窄带干扰攻击导致数据阻塞和失真问题，利用各频域子带之间的关系及噪声的分布特性，提出了一种基于频幅阈值的窄带干扰攻击检测方法。通过CSMA/CA退避机制优化和基于后悔值匹配的信道分配博弈，给出了信道分配策略的帕雷托最优解及窄带干扰检测抑制算法，并从检测和抑制性能上对算法的有效性进行了验证。第I页5.针对分布式无线传感器网络缺乏针对多种入侵行为的通用入侵检测最优策略问题，从入侵检测系统收益最优化入手，通过对簇形结构内传感器节点进行赋权，给出了最易遭受攻击的节点集合，进而在簇形结构中构建了多阶段入侵检测动态博弈模型。根据贝叶斯规则修正下一阶段外部节点为恶意节点的

7、后验概率，同时结合完美贝叶斯均衡解，设计了一种基于簇形结构的入侵检测最优策略方案。分析结果显示，该方案提高了簇形结构检测防御的成功率。6.针对分布式无线传感器网络面临的能量不均衡和非法节点攻击问题，利用不等簇半径和数据流量监测对网络建模，保证各簇头能量消耗均衡。通过节点的环形截面投影求解数据发送的欧几里得距离，从而配置动态簇头的初始能量。在此基础上，当单个圆环和多个圆环区域遭受攻击时，给出了基于簇头最小生命周期和流量阈值的能量空洞攻击检测抑制算法。实验结果表明，该算法在分布式无线传感器网络能量空洞攻击抑制方面有明显优势。最后对本文所做的研究工作进行了总结，并对需要

8、进一步研究