无线传感器网络是由大量的集感知能力、计算能力和短距离通信能力为一身的微型传感器，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。这种网络成本低、功耗小且功能强大，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。它是以数据为中心，具有大规模、自组织、动态性、可靠性、协作完成任务等特点，在军事国防、工农业、生物医疗、环境监测等许多重要领域具有十分广泛的应用前景。

作为当前备受关注的一个领域，智能家居也用到了无线传感器网络技术。无论是家庭中的照明、温控系统，还是智能安防系统，抑或是其他监测控制系统，都用到了无线传感器网络技术来感知、采集和处理数据。但在智能化不断发展的同时，人们往往想到的是无线传感网采集数据的便捷性，从而忽视了采集到数据本身的安全性与机密性。因为自身存在的某些的特性，无线传感器网络存在无线信道不可靠、通信介质共享、缺乏物理保护以及无人监管等缺陷，这些缺陷导致其安全遭受大量威胁，如：信道被窃听、节点被俘获、信息的注入或泄漏以及DoS、重放等各种恶意攻击。

比如攻击者可以采用干扰台干扰网络节点的工作频率，或是从物理上篡改网络节点，并询问和危害网络节点，导致整个网络故障，甚至整个应用系统瘫痪。又比如攻击者从网络层注入错误信息，让系统所有者收到错误的监测数据，导致不必要的问题。又或是攻击者窃听整个信道，根据窃听到的数据来分析系统所有者的生活习惯，造成私人信息泄露。

因此，无线传感器网络在智能家居领域蓬勃发展的同时，其通信安全问题应得到重视。就目前常用的无线传感器网络安全通信方案——SPINS安全解决方案来说，它采用了SNEP协议来提供数据机密性、数据完成性、数据新鲜度、数据认证，并采用μTESLA提供广播认证，在多方面都作了充分的考虑。但是SPINS协议只是一个框架协议，并没有指定实现各种安全机制的密码算法。故本文从智能家居中的环境监控系统出发，结合SPINS方案，设计一种适合于该系统的具体的安全通信解决方案。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容和目标：

本课题主要研究无线传感器网络在智能化室内监控系统应用中的安全通信问题。目标在于通过了解SPINS安全通信方案和密码学等相关知识，设计出一种适合于在室内监控场景下无线传感器网络安全通信的方案，来确保室内监测数据不被攻击者窃取，防止网络中的节点被他人俘获导致私人信息泄露，实现监控系统对室内信息的可靠采集和安全传输。

拟采用的技术方案及措施：

参考目前常用的SPINS安全通信方案，结合室内监控系统中无线传感器网络对数据的完整性、新鲜性和机密性有很高要求的需要，在消息加密上选择RC5-CTR分组加密算法，来保证点到点通信的机密性、可认证性和新鲜性。在消息认证方面，选择RC5-CBC算法来保证点到点通信和广播通信的消息完整性。相较于SHA算法，MD5算法虽然加密的安全性较低，但具有更快的速度，故选择MD5散列算法用于单项密钥生成和随机数发生器，保证点到多点广播通信的消息完整性。

由于SPINS方案中μTESLA没有考虑DoS攻击，当有恶意节点插入网络并广播错误的数据包时，可能大量资源会被浪费，并给系统所有这带来错误的判断，所以现在整个网络中设置一个非公开的初始密钥对每个广播包进行预处理，过滤到错误的广播包，当有节点加入网络时，先让节点与基站使用SNEP协议进行密钥分配和相关认证，只有当该节点处于有数据包传输的通信链路上时，才进行与其他节点的密钥分配和相关认证，从而降低资源的消耗。