层次型无线传感器网络是大量节点按簇结构呈层次性组织的一类传感器网络。提供安全的网内处理和被动参与功能以减少通信量是层次型无线传感器网络安全中的重点。由于传感器网络的资源限制,现有基于公钥的安全方案和高强度的对称密钥方案如Kerberos不能直接应用于传感器网络,而基于随机密钥预分布的方案也因不容易形成簇密钥而不适合于层次型无线传感器网络。本文结合现有协议的密钥分发模式——预共享-协商模式,从能耗、安全性、可扩展性等方面进行研究,取得了以下主要成果:第一,在分析层次型无线传感器网络特点的基础上建立了一个层次型传感器网络安全模型HSM;在该模型思想的指导下,通过研究现有层次型网络密钥管理协议,结合传统网络密钥管理协议功能和HWSNs安全的需要,提出了一个密钥管理模型HKMM。第二,根据模型HKMM,针对现有层次型传感器网络密钥管理协议的缺点提出一些改进措施,如使用通信密钥、无确认协商方式、仅用一个协商包来降低能耗,使用单向Hash函数或MAC、随机化存储器来提高安全性,通过设计有效的节点新增方案来提高可扩展性等,并最终将这些思想应用于一个层次型密钥管理协议——HKMP的设计上。理论分析和仿真实验结果均表明,比较LEAP而言,HKMP具有更低能耗、更好的安全性和更高的可扩展性,从而证明了HKMM和所提出措施的有效性。最后,研究了密钥管理协议在TinyOS中的实现和仿真,提出了一个异构传感器网络仿真方案——ETOSSIM,讨论了无线传感器网络链路状况对密钥协商的影响和多次协商问题。仿真实验表明:在TOSSIM中进行异构传感器网络仿真是可行的;无线传感器网络中密钥协商的成功率很低,当网络平均密度处于最大通信距离的2/5处时能取得较好的安全连通率,为提高安全连通率,重复协商次数取3-4次为宜。