高速发展的无线通信技术推动了战场形态的深刻变革,在未来战场中,以空天地一体化的军事物联网为代表的新型无线网络中将集成大量的低成本节点,战场无线网络表现出延迟敏感、计算资源和功率受限的特点,这使得基于密码学的上层安全方案面临严峻的挑战。作为上层安全方案的有效补充,物理层安全方案可以利用无线信道固有的随机性为无线网络提供安全防护,具有低延迟、低复杂度和基于信息论的安全性等优势。针对未来战场中海量节点接入的无线网络应用场景,本文围绕无线信道的短时互易性、时变性和空间去相关性研究轻量级物理层认证和密钥生成的具体方法、方案设计和系统实现。首先,考虑无线网络中海量低成本节点的安全接入问题,针对低延迟、高可靠的网络接入需求,本文设计了一种基于无线信道相位特征和物理不可克隆函数（Physical Unclonable Function,PUF）的物理层认证方案。该方案利用PUF携带的设备硬件信息实现身份认证,无需节点存储任何密钥信息,避免了密钥泄露的风险;利用无线信道相位预均衡方法对认证信号进行处理,使得认证信号具备抗截获能力,只有合法接收方才能接收到正确的认证信息。安全性分析和仿真结果表明,所提方案能够有效抵御窃听、建模、重放和假冒等主动和被动攻击,且在不同的信道条件下均可以实现较为理想的认证性能。进一步,考虑低成本无线节点实现数据安全传输所面临的密钥生成问题,针对网络节点资源和功率受限的特点,本文设计了一种基于无线信道幅度特征的轻量高效物理层密钥生成方案。在特征量化和信息协商阶段,分别提出了带滑动平均滤波（Moving Average Filtering,MAF）预处理的双向差分量化（Bidirectional Difference Quantization,BDQ）方法和改进Cascade协议。其中,MAF预处理可以有效降低环境噪声对合法双方的信道测量值互易性的影响,而BDQ方法则创新性地实现了无门限的2比特量化,从根本上避免了量化门限附近的测量值由于对噪声的敏感性而导致的合法双方量化结果不一致,提高了量化可靠性的同时也保证了一定的密钥生成效率;改进Cascade协议基于分组校验和交织实现错误纠正,能够保证较高的信息协商成功率,且相比于原Cascade协议,计算量和信息交互次数大幅减少,信息协商效率进一步提高。大量的仿真结果验证了所提方案的上述性能,实现复杂度分析表明所提方案更加轻量化。此外,所提方案生成的密钥通过了NIST（National Institute of Standards and Technology）随机性测试。最后,基于Zynq架构的软件无线电平台实现了本文提出的无线信道密钥生成方案的原型系统,并专门为系统中的窃听节点设计了一种针对性的被动窃听方案,用于发动密钥恢复攻击。在四种典型的无线通信场景下对实现的原型系统进行了测试,其中两个合法通信节点运行所提的密钥生成方案,两个部署在不同位置上的窃听节点各自独立地运行所提的被动窃听方案。通过对测试结果的分析,验证了无线信道在实测意义上的各项特性,表明所提密钥生成方案在典型通信场景下可以实现较高的密钥性能和系统安全性。