无线传感器网络是由部署在监测区域内的大量传感器节点通过无线通信方式形成的多跳自组织网络,在军事、科学研究和商业等领域具有广泛的应用前景。特别是近年来物联网、智慧家庭和智能交通等领域的兴起极大的推动了无线传感器网络的普及和发展。安全问题是传感器网络应用和研究中的关键问题之一,由于传感器网络自身的局限性,传感器网络极易受到不法分子的攻击。本文结合无线传感器网络的特点对其安全需求和所面临的安全威胁进行研究,通过对SPINS、CBPKI等现有的安全协议进行分析指出,早期的传感器网络安全协议多基于同构传感器网络和对称密码体制,难以满足现实中应用更为广泛的异构传感器网络的需要。本文从层次型传感器网络中节点间在计算、能量、通信等方面的异构性及网络中不同层次节点安全需求不同出发,提出了一种适合于异构传感器网路的强安全性通信协议。新协议结合公钥密码体制的强安全性与对称密钥体制的高效性,在骨干节点间使用基于ECC的公钥体制进行节点身份认证和密钥协商,保证骨干网络的强安全性,普通感知节点通过与基站预共享密钥方式在基站的辅助下与骨干节点建立安全通信密钥。新协议充分利用异构节点间的性能差异满足了网络中不同层次节点的不同安全需求,同时,公钥体制的使用增强了网络的可扩展性,提高了授权第三方节点在进行网络数据访问、入网认证、建立通信密钥等操作时的安全性。协议验证阶段,本文首先使用BAN逻辑对新协议的通信流程进行了形式化分析,结果表明新协议满足预定的安全目标。然后,选择具体的硬件平台对协议中使用的安全算法和协议工作流程进行了实现。实验表明,协议中选择的算法在骨干节点平台和普通感知节点平台的运行时间在可接受范围之内,协议具有较好的可行性。最后,对全文工作进行了总结。