无线传感器网络是由大量低成本、低功耗、具备感知、数据处理、存储和无线通信能力的微型传感器节点通过自组织方式形成的网络。它可被应用到军事战场、环境监测、医疗、智能家居、农业以及交通等领域,具有广阔的应用前景。路由协议是无线传感器网络的关键技术之一,其中层次路由协议是路由协议研究领域的一个热点。但是这类路由协议没有考虑安全问题,易于受到攻击并且在很多领域无法有效应用。加之传感器节点的电源能量、通信能力、计算速度和存储空间非常有限,导致了传统的安全机制不适合运用于无线传感器网络。因此研究一个有效的密钥管理协议成了传感器网络安全研究中的热点。本文首先从典型的分簇路由协议入手,分析了路由协议的特点、设计方法、评估指标,指出各个分簇路由协议算法的优缺点,所面临的安全威胁及安全路由的解决方案;其次引入了无线传感器网络密钥管理方案的评价标准,分析了几种典型的基于分簇结构网络模型的密钥管理机制,并指出不足之处与改进的地方;最后提出一种无线传感器网络安全层次路由协议的设计方案。方案改进了LEACH算法的簇头选举方法,增加了对簇头身份的认证,并提供预共享密钥分发、广播认证和周期性密钥更新、节点加入和撤销的具体方法以及安全数据通信的过程。通过实验仿真,提出的方案在密钥更新成功率和更新时延以及网络生存周期与能量消耗等方面比已有的密钥管理协议表现更好。