水声传感器网络基于深度信息的安全路由协议

水声传感器网络（Underwater Acoustic Sensor Networks,UASNs）具有开放共享、低带宽、长时延等特性,为保证水下节点的通信安全,提出了基于水下节点深度信息的一种新的水声传感器网络安全路由协议。与其他算法相比,所提出的安全路由协议相对较为节能,安全性分析表明该算法能够有效保证节点身份、路由和数据等关键信息的私密性,利用NS2网络仿真软件对路由协议的时延、能耗和数据包交付率进行了仿真,仿真结果表明该安全路由协议能适用于水声传感器网络中。     

面向多网关的无线传感器网络多因素认证协议

无线传感器网络作为物联网的重要组成部分,广泛应用于环境监测、医疗健康、智能家居等领域.身份认证为用户安全地访问传感器节点中的实时数据提供了基本安全保障,是保障无线传感器网络安全的第一道防线;前向安全性属于系统安全的最后一道防线,能够极大程度地降低系统被攻破后的损失,因此一直被学术及工业界视为重要的安全属性.设计面向多网关的可实现前向安全性的无线传感器网络多因素身份认证协议是近年来安全协议领域的研究热点.由于多网关无线传感器网络身份认证协议往往应用于高安全需求场景,一方面需要面临强大的攻击者,另一方面传感器节点的计算和存储资源却十分有限,这给如何设计一个安全的多网关无线传感器网络身份认证协议带来了挑战.近年来,大量的多网关身份认证协议被提出,但大部分都随后被指出存在各种安全问题.2018年,Ali等人提出了一个适用于农业监测的多因素认证协议,该协议通过一个可信的中心(基站)来实现用户与外部的传感器节点的认证;Srinivas等人提出了一个通用的面向多网关的多因素身份认证协议,该协议不需要一个可信的中心,而是通过在网关之间存储共享秘密参数来完成用户与外部传感器节点的认证.这两个协议是多网关无线传感器网络身份认证协议的典型代表,分别代表了两类实现不同网关间认证的方式:1)基于可信基站,2)基于共享秘密参数.分析指出这两个协议对离线字典猜测攻击、内部攻击是脆弱的,且无法实现匿名性和前向安全性.鉴于此,本文提出一个安全增强的可实现前向安全性的面向多网关的无线传感器网络多因素认证协议.该协议采用Srinivas等协议的认证方式,即通过网关之间的共享秘密参数完成用户与外部传感器节点的认证,包含两种典型的认证场景.对新协议进行了BAN逻辑分析及启发式分析,分析结果表明该协议实现了双向认证,且能够安全地协商会话密钥以及抵抗各类已知的攻击.与相关协议的对比结果显示,新协议在提高安全性的同时,保持了较高的效率,适于资源受限的无线传感器网络环境.     

无线传感器网络中的广播认证协议

在总结广播认证协议理想属性的基础上,对现有基于数字签名技术和对称加密技术的广播认证协议优缺点进行了分析讨论,并指出其对无线传感器网络广播认证协议设计的借鉴价值。将广播认证协议中的参数初始化和密钥更新等与密钥管理相关的问题归结为认证系统的完备性问题,并指出现有技术方案在解决该问题时存在的缺陷。初步探讨了无线传感器网络广播认证协议分级安全功能支持的意义,并给出了相应的方案设计思路。     

基于SPIN的无线传感器网络安全协议建模与分析

模型检验方法在有线网安全协议的分析和设计方面取得了巨大成功。无线传感器网络对安全协议同样具有严格的要求;与有线网相比,无线传感器网络在通信环境和网络节点等方面都更为脆弱,为相应的安全协议的分析和设计提出了挑战。提出了一种适用于无线传感器网络的安全协议形式化建模分析方法。它充分借鉴了传统有线网络安全协议的建模方法,在其基础上充分考察了无线传感器网络的通信环境以及网络节点,建立起一个全面并且直观的安全协议运行模型。以A.Perrig等人提出的SPINS安全协议为例,应用模型检验工具SPIN对其认证性和机密性等安全需求进行了分析验证,发现了该协议存在的漏洞。实例分析证实了模型检验方法在分析无线传感器网络安全协议时的有效性,从而推进了其在安全协议分析方面的应用范围。     

基于分布式群身份认证的传感器网络设计与实现

在分析了无线传感器网络所面临的安全风险后的基础上,结合传感器网络的实际特点,提出了一种分布式群身份认证防御机制,该机制将网络划分群簇,在正常的传感器网络路由协议中引入群身份认证机制,使路由协议在选择数据传输下一跳时,需预先通过群首节点来验证候选节点群簇隶属身份的真实性。群首节点间认证通信采用基于公钥的分布式自组织的认证机制,以进一步保证这种群身份认证的真实性与可靠性。以常见的女巫攻击为例,介绍了该安全机制的设计过程。对该安全机制的安全性进行了总体性能评估。     

无线传感器网络节点间认证及密钥协商协议

无线传感器网络的特性使它面临着比传统无线网络更大的安全挑战,其安全解决方案必须兼顾安全性和系统性能等因素。节点间认证及密钥协商是构建安全网络最基本的协议,是密钥管理协议和安全路由协议等的实现基础。很明显,包括传统Adhoc在内的各种无线网络领域中的安全认证及密钥协商机制都无法适用于无线传感器网络。为此,在充分考虑无线网络攻击方法和无线传感器网络自身特点的基础上,结合基于ID的公钥密码技术,提出了椭圆曲线双线性对上的无线传感器网络节点安全认证及密钥协商协议。分析发现,该协议不仅满足安全性要求,同时,能够适合无线传感器网络的特殊应用要求。     

基于Merkle散列树的无线传感器网络实体认证协议

针对无线传感器网络节点能量、计算和存储有限的特点,以及公开密钥算法和数字签名实施认证耗能多的不足,提出一种适用于无线传感器网络的基于分簇的Merkle散列树实体认证协议(CMAS).该协议利用Merkle散列树的思想,可获得有效的安全认证策略;结合网络分簇技术,使得协议更实用;并且只使用对称密钥算法,避免了采用公开密钥算法实施数字签名计算量大的问题,有效地降低了认证的时延、增大网络生存期和提高了安全性.仿真实验证明该协议的有效性.     

无线传感器网络安全路由协议的设计与分析

路由安全是无线传感器网络安全的关键因素,而现有的无线传感器网络路由协议在设计时都没有充分考虑安全问题。在充分考虑网络路由协议攻击方法和无线传感器网络自身特点的基础上,结合基于ID的认证密钥协商技术以及秘密共享技术,提出了无线传感器网络路由的安全策略及其设计思想。同时,在路由建立阶段增加安全机制,提出了一种较优的安全路由协议。经过安全性分析,该路由协议可防御虚假路由信息、Sybile、确认欺骗等常见攻击。     

一种基于线性网络编码的传感器网络广播认证协议

广播通信的安全性是传感器网络中极具挑战性的安全问题之一.线性网络编码作为一种简洁高效的数据编码方法,可以提高网络吞吐量并保障网络的健壮性.为了改善网络广播认证效率,基于线性网络编码机制,结合同态签名技术,首先构造了一个同态网络编码签名方案,重点研究了该签名方案在广播通信中的应用,构造了一个适用于传感器网络的广播认证协议.性能分析表明该协议具有较高的安全特性与通信效率.     

基于TePA的无线传感器网络安全方案

针对无线传感器网络的安全需求, 结合TePA技术提出了一种基于TePA的无线传感器网络安全方案。该方案简化了TePA技术的身份认证分组和分组字段, 解决了无线传感器网络在传感器节点接入和密钥协商的问题。采用改进的BSW逻辑验证了协议, 并从协议安全性和网络性能方面分析了方案, 结果表明方案能抵抗中间人攻击和重放攻击, 并适合无线传感器网络。     

适用于水声传感网络的多链路传输MAC协议

针对水声传感网络存在的高时延、低信道利用率等问题,提出一种新的多链路传输介质访问控制协议。该协议节点通过RTS/CTS握手协议交互时延信息和传输计划,实现多条链路传输数据。在汇聚节点接收多个节点的数据时,汇聚节点根据节点的时延和接收的数据帧大小规划节点之间的发送顺序,避免传输冲突造成的能量损失和低信道利用率,同时为得到最大网络吞吐量,给出最优退避窗口值的理论表达式。仿真结果表明,与RC-FAMA、S-FAMA等协议相比,该协议能有效提高水声传感网络的吞吐量,降低传输冲突,从而延长水下节点的工作时间。     

三维网络拓扑结构的水声传感器网络MAC协议

水声传感器网络Underwater Acoustic Sensor Network(UWASN)由于其广阔的应用前景,近年来逐渐被人们关注。然而由于水下环境的限制性,水声传感器网络具有其一些独特性。例如,与二维的陆地传感器网络不同,水声传感器网络是三维的。如今,现有的介质访问控制Medium Access Control(MAC)协议大多是针对二维无线传感网络,很少有基于三维水声传感器网络的 MAC 协议。针对水下三维网络,提出了基于三维网络拓扑结构的水声传感器网络 MAC 协议。该协议将网络中的节点生成树结构,并利用子节点与父节点之间的关系,通过动态节点算法实现三维动态的水声传感器网络。此外,详细分析了节点间的碰撞并有效解决各种碰撞,从而大大提高了信道利用率。通过仿真软件对比不同协议在同一网络拓扑中的实验结果,证实文中协议能够有效节约大量能源。     

接收方预约信道的水声传感器网络MAC协议

为了获得更高的网络吞吐量,更低的端到端时延,设计出了一种适用于分簇网络的水声传感器网络MAC协议,该协议采用接收方建立握手机制,有效的获取邻居节点通信时的状态,动态分配发送时隙,实现数据包以报文序列方式无冲突的到达接收端.仿真结果表明,与同类MAC协议(FERI, RIPT)相比,该协议提高了网络吞吐量,降低了数据丢失率和端到端时延.     

基于MQTT协议的海洋观测数据推送系统

为实现海洋观测数据的及时推送,设计了一种数据推送系统,目的是将各个观测船、浮标和水下观测网等采集到的海洋观测数据推送到手机客户端,并实现异常数据的报警。提出了一种基于MQTT协议的数据推送方案,在加密与验证方面对MQTT协议进行改进。此外,设计了安全认证机制与消息管理模块,保证了消息在传输中不被篡改或者丢失。测试结果证明,该方案安全性较高,服务权限设计合理,费用方面也具有较大的优势。     

基于矢量转发的节能型水声传感器网络路由协议

近年来,水下物联网和海洋物联网已经成为一个热门的研究方向,水声传感器网络路由协议作为海洋物联网的重要组成部分也得到研究人员的广泛重视。因此在HH-VBF协议的基础上,提出一种基于矢量转发的节能型水声传感器网络路由协议——ES-HH-VBF协议。ES-HH-VBF协议在保留了将下一跳节点的位置信息作为计算节点转发因子的参考值的基础上,引入了节点剩余能量改进节点转发因子的计算方式,以此来均衡网络中的能量消耗;并且还将预设的距离阈值由HH-VBF协议中的固定值改为根据节点剩余能量变化的动态值,从而可以动态地控制数据冗余。为了验证ES-HH-VBF协议的性能,在水下传感器网络仿真器Aqua-Sim上对HH-VBF协议和ES-HH-VBF协议的性能进行了对比分析。仿真结果表明,随着节点发包间隔的增加,ES-HH-VBF协议的包传递率比HH-VBF协议的包传递率高4.2%左右,网络平均时延比HH-VBF协议低11.3%左右,网络平均能耗比HH-VBF协议低8.2%左右。通过对ES-HH-VBF 协议和HH-VBF协议的仿真实验分析可知,ES-HH-VBF协议在提高数据包传递率、降低平均能耗和降低平均延时方面具有较大优势。     

WSN中一种基于身份的短签名广播认证协议

广播认证是传感器网络中很重要的安全服务,它允许发送者通过安全的方式广播信息给多个节点。无线传感器网络中的μTESLA、M-μTESLA等基于消息认证码的广播认证协议存在一些不足,加上最近的研究显示,基于双线性对的加密算法可应用于资源有限的传感器节点。本文介绍一种高效的基于身份的无证书短签名协议,它拥有目前最短的签名长度160bits,计算量相比其他公钥签名低得多,还能提供认证多个基站的广播信息的功能。基于MICA2DOT平台对其通信和计算能量消耗进行分析,以及对该协议的其他性能的分析,得出该协议引入的能量消耗小,满足广播认证的一些重要性质,适合无线传感器网络环境。     

基于概率的水下传感器网络CDMA编码分配算法

水下传感器网络采用声波进行通信,具有高时延、低带宽、高误码率等特点,使得适用于无线电信道的MAC协议无法直接应用于水声信道,给水下传感器网络协议的设计带来了很大的挑战．因此,我们提出了一种可以较高概率避免扩频码冲突的分布式的基于概率的水下传感器网络CDMA编码动态分配算法．该算法不需要精确的时间同步,并且能够动态适应水下传感器网络拓扑结构的变化,适用于基于发送端的编码分配和基于接收端的编码分配．仿真实验表明,与传统的编码分配方式相比,我们的算法突出了节点的个性化,进一步降低了冲突的风险．     

有限马尔可夫链的水声传感器网络协作中继算法

针对水下传感器网络误码率高,能量效率低等问题,基于有限马尔可夫链状态空间分析,提出一种水声传感器网络协作中继算法。该算法采用马尔可夫链状态空间获取协作节点的误码率和能量的状态转移概率。基于能量策略对中转节点进行判定,使网络优先保障对已采集的数据进行传输,提升传输效率。提出基于最佳中继选择的协作节点状态评价函数,使网络优先选择评价结果最高的协作节点作为转发节点,减少数据传输过程中的误码率和能量损耗。实验仿真结果表明,该算法相比基于增强型能源平衡数据传输的水声网络协议及水下网络自适应路由协议,数据包平均成功投递率分别提升了2.3%和3.1%,网络能量效率分别提升了10.6%和5.8%,在提升数据传输效率和减少网络能耗上具有较好效果。