无线传感器网络作为计算、通信和传感器三项技术相结合的产物,是一种全新的信息获取和处理技术,目前成为计算机科学领域一个活跃的研究分支。由于无线传感器网络一般配置在恶劣环境、无人区域或敌方阵地中,加之无线传感器网络本身固有的脆弱性,因而网络安全引起了人们的极大关注,这也给理论研究人员和工程技术人员提出了大量具有挑战性的研究课题。在传感器节点计算速度、电源能量、通信能力和存储空间非常有限的情况下,传统的安全体制不适合运用于无线传感器网络中。无线传感器网络安全通信协议的研究成果近几年才陆续出现,安全方案还处于理论研究阶段,距离实际应用和形成普遍接受的标准还相差甚远。 本文对无线传感器网络及其安全进行了深入细致的研究,对无线传感器网络的特点、弱点、安全需求以及安全问题的研究进展有了较为全面的认识和了解。在此基础之上,本文参照目前公认比较权威的网络安全框架协议——SPINS(Security Protocols for Sensor Network),提出了一种基于层次型拓扑结构的无线传感器网络安全通信协议的设计方案。协议方案运用了LEACH算法并弥补了其在安全上的不足。拓扑建立阶段增加了基站对簇头身份的认证,从而确保了簇头的合法性;在密钥管理中加入了一个单向散列函数和一个共享密钥,使得加密密钥与认证密钥周期性动态变化,从而增强了网络通信的安全性。协议考虑了无线传感器网络自身的特点和限制,也力求尽量满足网络通信的安全需求,即机密性、完整性、新鲜性以及认证等问题。最后给出了协议在无线传感器网络的新型操作系统TinyOS上用nesC语言的具体实现,并对其进行了性能分析,分析结果表明协议是可行的。