无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,简称WSNs)在解决一系列实际问题时,例如机场和战场中的远程定位、目标追踪和环境监测,展现出来高度可扩展和成本低廉等特点,因此越来越受到人们的关注和青睐。由于无线传感器节点经常被配置在一些危险或敌对的环境中搜集和处理数据信息,WSNs从构建的一开始就要考虑设计机制来保护网络和节点的安全。本文在现有的WSNs安全架构的基础上,着重分析和设计了用于构建安全构架的必须且重要的组成部分,即密钥管理方案、加密算法和消息认证码。本文的主要贡献为:1.分析了一系列基于对称矩阵LU分解的WSNs密钥预分配方案,结果表明这些密钥管理方案在实际使用中都是不安全的。另外,我们在原有方案的基础上构造了一个改进方案,避免了类似的安全漏洞,并具有更优的时间和空间复杂性。2.将高阶差分分析的思想引入布尔函数的分析中,对分组密码构造了两种类型的区分攻击,并提出了一种高效的算法来搜索实施这类区分攻击的前提条件。我们实际分析了3轮Feistel网络和分组密码PRESENT。3.研究了现有的WSNs安全架构中推荐使用的消息认证码算法,对XCBC-MAC算法提出了一个扩展伪造攻击。并且,我们设计了轻量级的可调的消息认证码TuLP和TuLP-128,并对其进行了安全性和性能上的分析。