无线传感器网络是由大量具有信息感知和数据通信的传感器节点组成，通过无线通信方式形成多跳自组织的无线网络，其目的是协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息，并发送给观察者。无线传感器网络可以广泛应用于环境的监测与保护、医疗护理、智慧城市、智能交通、智能家园、军事和其他商业领域等各个方面。虽然无线传感器网络具有广泛的应用前景，但由于自身的一些特性使得其发展也受到多种制约。传感器节点的能量有限，而在很多无人值守情况下节点不能频繁更换电池，因此最小化能量消耗是无线传感器网络协议设计的关键要求。同时，无线传感器网络经常部署在开放区域，传感器节点更容易遭受攻击。随着无线传感器网络应用的广泛深入，节能路由协议和网络安全问题也变得越来越重要，引起了研究人员和应用者的强烈关注。因此，本文首先研究了无线传感器网络的分簇路由协议，然后在此网络结构基础上，从计算安全和信息论意义下的安全两个角度研究了无线传感器网络的安全问题。本文工作的主要内容如下：1.通过分析LEACH协议及LEACH-C协议的不足，综合考虑了网络分布、簇头数目、节点的地理位置和剩余能量等因素，提出一种改进的集中式分簇路由协议。仿真结果表明，与LEACH和LEACH-C相比，我们的协议网络能耗更加均衡，延长了网络生命周期，是一种有效的分簇路由协议。2.针对分层无线传感器网络中节点之间的认证和可靠通信问题，结合无证书密码学和密钥封装机制的优势，提出一种基于无证书密钥封装机制的跨域点到点的节点认证密钥交换协议，并在标准模型下形式化分析了协议的安全性。理论分析表明，该协议是语义安全的，可以抵抗多种主动和被动攻击，同时具有较少的通信和计算开销，是一种适用于无线传感器网络节点安全的认证密钥交换协议。3.针对无线传感器网络无线信道的开放性，易于被窃听的问题，提出了一种基于预编码的防窃听方案。在不同攻击能力的条件下理论分析了本方案的有性，同时定量分析了本方案的通信能量、编码能量和存储空间的消耗。结果表明，在攻击者能力有限的情况下，本方案是可以有效抵抗窃听攻击的，并且在攻击者能力提高之后仍能够以较高的概率来防窃听。4.提出了一种基于秘密共享的节点自认证方案。该方案针对分层无线传感器网络中节点的认证问题，从信息论意义安全的角度，分析了已有的秘密共享协议的不足，并采用了自认证的策略，提出一种基于秘密共享的节点自认证方案。理论分析表明，该方案能够以很大的概率来保证网络的外部安全。同时，与分布式认证协议相比较，本方案降低了通信开销。结果表明，方案不仅能够以很大概率来保证安全而且具有较低的能耗。