無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全研究

　　1   引言

　　隨著傳感器、計(jì)算機(jī)、無線通信及微機(jī)電等技術(shù)的發(fā)展和相互融合，產(chǎn)生了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network，WSN），目前WSN的應(yīng)用越來越廣泛，已涉及國(guó)防軍事、國(guó)家安全等敏感領(lǐng)域，安全問題的解決是這些應(yīng)用得以實(shí)施的基本保證。WSN一般部署廣泛，節(jié)點(diǎn)位置不確定，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也處于不斷變化之中。另外，節(jié)點(diǎn)在通信能力、計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力、電源能量、物理安全和無線通信等方面存在固有的局限性，WSN的這些局限性直接導(dǎo)致了許多成熟、有效的安全方案無法順利應(yīng)用。正是這種“供”與“求”之間的矛盾使得WSN安全研究成為熱點(diǎn)。 

　　2   WSN安全問題 

　　2.1   與安全相關(guān)的特點(diǎn)

　　WSN與安全相關(guān)的特點(diǎn)主要有以下幾個(gè)。

　　· 資源受限，通信環(huán)境惡劣。WSN單個(gè)節(jié)點(diǎn)能量有限，存儲(chǔ)空間和計(jì)算能力差，直接導(dǎo)致了許多成熟、有效的安全協(xié)議和算法無法順利應(yīng)用。另外，節(jié)點(diǎn)之間采用無線通信方式，信道不穩(wěn)定，信號(hào)不僅容易被竊聽，而且容易被干擾或篡改。

　　· 部署區(qū)域的安全無法保證，節(jié)點(diǎn)易失效。傳感器節(jié)點(diǎn)一般部署在無人值守的惡劣環(huán)境或敵對(duì)環(huán)境中，其工作空間本身就存在不安全因素，節(jié)點(diǎn)很容易受到破壞或被俘，一般無法對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行維護(hù)，節(jié)點(diǎn)很容易失效。

　　· 網(wǎng)絡(luò)無基礎(chǔ)框架。在WSN中，各節(jié)點(diǎn)以自組織的方式形成網(wǎng)絡(luò)，以單跳或多跳的方式進(jìn)行通信，由節(jié)點(diǎn)相互配合實(shí)現(xiàn)路由功能，沒有專門的傳輸設(shè)備，傳統(tǒng)的端到端的安全機(jī)制無法直接應(yīng)用。

　　· 部署前地理位置具有不確定性。在WSN中，節(jié)點(diǎn)通常隨機(jī)部署在目標(biāo)區(qū)域，任何節(jié)點(diǎn)之間是否存在直接連接在部署前是未知的。

　　2.2   安全需求

　　WSN的安全需求主要有以下幾個(gè)方面。

　　· 機(jī)密性。機(jī)密性要求對(duì)WSN節(jié)點(diǎn)間傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行加密，讓任何人在截獲節(jié)點(diǎn)間的物理通信信號(hào)后不能直接獲得其所攜帶的消息內(nèi)容。

　　· 完整性。WSN的無線通信環(huán)境為惡意節(jié)點(diǎn)實(shí)施破壞提供了方便，完整性要求節(jié)點(diǎn)收到的數(shù)據(jù)在傳輸過程中未被插入、刪除或篡改，即保證接收到的消息與發(fā)送的消息是一致的。
　　· 健壯性。WSN一般被部署在惡劣環(huán)境、無人區(qū)域或敵方陣地中，外部環(huán)境條件具有不確定性，另外，隨著舊節(jié)點(diǎn)的失效或新節(jié)點(diǎn)的加入，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化。因此，WSN必須具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，使得單個(gè)節(jié)點(diǎn)或者少量節(jié)點(diǎn)的變化不會(huì)威脅整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的安全。

　　· 真實(shí)性。WSN的真實(shí)性主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：點(diǎn)到點(diǎn)的消息認(rèn)證和廣播認(rèn)證。點(diǎn)到點(diǎn)的消息認(rèn)證使得某一節(jié)點(diǎn)在收到另一節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的消息時(shí)，能夠確認(rèn)這個(gè)消息確實(shí)是從該節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的，而不是別人冒充的；廣播認(rèn)證主要解決單個(gè)節(jié)點(diǎn)向一組節(jié)點(diǎn)發(fā)送統(tǒng)一通告時(shí)的認(rèn)證安全問題。

　　· 新鮮性。在WSN中由于網(wǎng)絡(luò)多路徑傳輸延時(shí)的不確定性和惡意節(jié)點(diǎn)的重放攻擊使得接收方可能收到延后的相同數(shù)據(jù)包。新鮮性要求接收方收到的數(shù)據(jù)包都是最新的、非重放的，即體現(xiàn)消息的時(shí)效性。

　　· 可用性?？捎眯砸骔SN能夠按預(yù)先設(shè)定的工作方式向合法的用戶提供信息訪問服務(wù)，然而，攻擊者可以通過信號(hào)干擾、偽造或者復(fù)制等方式使WSN處于部分或全部癱瘓狀態(tài)，從而破壞系統(tǒng)的可用性。

　　· 訪問控制。WSN不能通過設(shè)置防火墻進(jìn)行訪問過濾，由于硬件受限，也不能采用非對(duì)稱加密體制的數(shù)字簽名和公鑰證書機(jī)制。WSN必須建立一套符合自身特點(diǎn)，綜合考慮性能、效率和安全性的訪問控制機(jī)制。

　　3   WSN安全的研究現(xiàn)狀

　　3.1   密鑰管理

　　密鑰管理是數(shù)據(jù)加密技術(shù)中的重要環(huán)節(jié)，它處理密鑰從生成到銷毀的整個(gè)生命周期，涉及密鑰的生成、分發(fā)、存儲(chǔ)、更新及銷毀等所有方面，密鑰的丟失將直接導(dǎo)致明文的泄露。有效的密鑰管理方案是實(shí)現(xiàn)WSN安全的基礎(chǔ)。

　　3.2  攻防技術(shù)

　　WSN受到的攻擊類型主要有Sybil攻擊、Sinkhole攻擊、Wormhole攻擊、Hello泛洪攻擊、選擇性轉(zhuǎn)發(fā)等。

　?。?）Sybil攻擊

　　Sybil攻擊的目標(biāo)是破壞依賴多節(jié)點(diǎn)合作和多路徑路由的分布式解決方案。在Sybil攻擊中，惡意節(jié)點(diǎn)通過扮演其他節(jié)點(diǎn)或者通過聲明虛假身份，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出多重身份。Sybil攻擊能夠明顯降低路由方案對(duì)于諸如分布式存儲(chǔ)、分散和多路徑路由、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)保持的容錯(cuò)能力，對(duì)于基于位置信息的路由協(xié)議也構(gòu)成很大的威脅。參考文獻(xiàn)[8]第一次系統(tǒng)地分析了Sybil攻擊及其防御手段，對(duì)Sybil攻擊進(jìn)行了分類，分析了攻擊者如何使用不同類型的Sybil攻擊破壞網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議或算法的性能，提出了一種采用密鑰交換來確認(rèn)節(jié)點(diǎn)身份的方案，可以有效地防御Sybil攻擊。但是這種方案需要額外消耗大量能量以完成隨機(jī)密鑰的生成和交換，并且傳感器節(jié)點(diǎn)需要存儲(chǔ)大量的密鑰信息，這使得該方案在節(jié)點(diǎn)資源受限的WSN的應(yīng)用受到了限制。參考文獻(xiàn)[9]提出了一種基于接收信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)器（received signal strength indicator，RSSI）的解決方案，該方案通過計(jì)算接收節(jié)點(diǎn)和另外一個(gè)協(xié)同節(jié)點(diǎn)RSSI的比值在兩個(gè)時(shí)刻是否相等，來判斷發(fā)送節(jié)點(diǎn)是否為Sybil節(jié)點(diǎn)。該方案對(duì)Sybil攻擊的檢測(cè)概率達(dá)到99%以上，對(duì)通信要求也不高，只需要接收節(jié)點(diǎn)與另外一個(gè)協(xié)同節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一次通信即可。其缺點(diǎn)是存在較高的誤檢概率，存在將合法節(jié)點(diǎn)當(dāng)成Sybil節(jié)點(diǎn)的可能性，但是這對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)造成的危害與Sybil攻擊相比是微乎其微的。該方案具有較高的實(shí)用價(jià)值。

　?。?）Sinkhole攻擊

　　攻擊者為一個(gè)被妥協(xié)的節(jié)點(diǎn)篡改路由信息，盡可能地引誘附近的流量通過該惡意節(jié)點(diǎn)，一旦數(shù)據(jù)都經(jīng)過該惡意節(jié)點(diǎn)，該惡意節(jié)點(diǎn)就可以對(duì)正常數(shù)據(jù)進(jìn)行竄改或選擇性轉(zhuǎn)發(fā)，從而引發(fā)其他類型的攻擊。參考文獻(xiàn)[10]提出了一種新的輕量級(jí)的針對(duì)Sinkhole攻擊的入侵檢測(cè)方案，該方案主要分為兩步：基站首先通過檢查數(shù)據(jù)密度列出可疑節(jié)點(diǎn)，然后采用一種安全、低開銷的算法以分布式的方式搜集可疑節(jié)點(diǎn)附近信息的傳輸情況，通過對(duì)搜集的信息進(jìn)行分析來鑒別入侵者。該方案對(duì)多個(gè)惡意節(jié)點(diǎn)相互合作欺騙基站的情況也進(jìn)行了考慮，并給出了一些加強(qiáng)算法。

　?。?）Wormhole攻擊

　　Wormhole攻擊對(duì)WSN有很大威脅，因?yàn)檫@類攻擊不需捕獲合法節(jié)點(diǎn)，而且在節(jié)點(diǎn)部署后進(jìn)行組網(wǎng)的過程中就可以實(shí)施攻擊。惡意節(jié)點(diǎn)通過聲明低延遲鏈路騙取網(wǎng)絡(luò)的部分消息并開鑿隧道，以一種不同的方式來重傳收到的消息，這也可以引發(fā)其他類似于Sinkhole的攻擊。參考文獻(xiàn)[11]提出了一種檢測(cè)和預(yù)防WSN中Wormhole攻擊的方案，該方案通過地理或者臨時(shí)約束條件來限制數(shù)據(jù)包的最大傳輸距離，并給出了一種高效協(xié)議TIK來對(duì)接收的數(shù)據(jù)包進(jìn)行實(shí)時(shí)認(rèn)證。參考文獻(xiàn)[12]提出了一種針對(duì)Wormhole和關(guān)鍵鏈路的分布式檢測(cè)算法，相比以前的算法，該算法不需要專門的硬件設(shè)備來獲取節(jié)點(diǎn)的位置信息，節(jié)點(diǎn)之間不需要嚴(yán)格的時(shí)間同步。

　　（4）Hello泛洪攻擊

　　在WSN中，許多協(xié)議要求節(jié)點(diǎn)廣播Hello數(shù)據(jù)包發(fā)現(xiàn)其鄰居節(jié)點(diǎn)，收到該包的節(jié)點(diǎn)將確信它的發(fā)送者在傳輸范圍內(nèi)，攻擊者通過發(fā)送大功率的信號(hào)來廣播路由或其他信息，使網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都認(rèn)為攻擊者是其鄰居，這些節(jié)點(diǎn)就會(huì)通過“該鄰居”轉(zhuǎn)發(fā)信息，從而達(dá)到欺騙的目的，最終引起網(wǎng)絡(luò)的混亂。防御Hello泛洪攻擊最簡(jiǎn)單的方法就是通信雙方采取有效措施進(jìn)行相互身份認(rèn)證。參考文獻(xiàn)[13]給出了防御Hello泛洪攻擊的有效方法。

　?。?）選擇性轉(zhuǎn)發(fā)

　　惡意節(jié)點(diǎn)可以概率性地轉(zhuǎn)發(fā)或者丟棄特定消息，而使網(wǎng)絡(luò)陷入混亂狀態(tài)。如果惡意節(jié)點(diǎn)拋棄所有收到的信息將形成黑洞攻擊，但是這種做法會(huì)使鄰居節(jié)點(diǎn)認(rèn)為該惡意節(jié)點(diǎn)已失效，從而不再經(jīng)由它轉(zhuǎn)發(fā)信息包，因此選擇性轉(zhuǎn)發(fā)更具欺騙性。其有效的解決方法是多徑路由，節(jié)點(diǎn)也可以通過概率否決投票并由基站或簇頭對(duì)惡意節(jié)點(diǎn)進(jìn)行撤銷。

　?。?）DoS攻擊

　　DoS攻擊是指任何能夠削弱或消除WSN正常工作能力的行為或事件，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的可用性危害極大，攻擊者可以通過擁塞、沖突碰撞、資源耗盡、方向誤導(dǎo)、去同步等多種方法在WSN協(xié)議棧的各個(gè)層次上進(jìn)行攻擊。參考文獻(xiàn)[14]提出了一種基于流量預(yù)測(cè)的傳感器網(wǎng)絡(luò)DoS攻擊檢測(cè)方案，該方案從DoS攻擊引發(fā)的網(wǎng)絡(luò)流量異常變化入手，根據(jù)已有的流量觀測(cè)值來預(yù)測(cè)未來流量，如果真實(shí)的流量與其預(yù)測(cè)流量存在較大偏差，則判定為一種異?；蚬?。該方案在一種簡(jiǎn)單、高效的流量預(yù)測(cè)模型ARMA（2，1）的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于閾值超越的流量異常判斷機(jī)制，使路徑中的節(jié)點(diǎn)在攻擊發(fā)生后自發(fā)地檢測(cè)異常，最后提出了一種報(bào)警評(píng)估機(jī)制以提高檢測(cè)質(zhì)量。閾值的設(shè)定是該方案的關(guān)鍵，要綜合考慮具體應(yīng)用場(chǎng)景的信道誤碼率和應(yīng)用環(huán)境的安全需求等因素。

　　4   WSN安全研究重點(diǎn)

　　WSN安全問題已經(jīng)成為WSN研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)，隨著對(duì)WSN安全研究的不斷深入，筆者認(rèn)為以下幾個(gè)方向?qū)⒊蔀檠芯康闹攸c(diǎn)。

　?。?）密鑰管理

　　· 密鑰的動(dòng)態(tài)管理問題。WSN的節(jié)點(diǎn)隨時(shí)都可能變化（死亡、捕獲、增加等），其密鑰管理方案要具有良好的可擴(kuò)展性，能夠通過密鑰的更新或撤銷適應(yīng)這種頻繁的變化。

　　· 丟包率的問題。WSN無線的通信方式必然存在一定的丟包率，目前絕大多數(shù)的密鑰管理方案都是建立在不存在丟包的基礎(chǔ)上的，這與實(shí)際是不相符的，因此需要設(shè)計(jì)一種允許一定丟包率的密鑰管理方案。

　　· 分層、分簇或分組密鑰管理方案的研究。WSN一般節(jié)點(diǎn)數(shù)目較多，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的安全性與節(jié)點(diǎn)資源的有限性之間的矛盾通過傳統(tǒng)的密鑰管理方式很難解決，而通過對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合理的分層、分簇或分組管理，可以在提高網(wǎng)絡(luò)安全性的同時(shí)，降低節(jié)點(diǎn)的通信、存儲(chǔ)開銷。因此，密鑰管理方案的分層、分簇或分組研究是WSN安全研究的一個(gè)重點(diǎn)。

　　· 橢圓曲線密碼算法在WSN中的應(yīng)用研究。

　?。?）安全路由

　　WSN沒有專門的路由設(shè)備，傳感器節(jié)點(diǎn)既要完成信息的感應(yīng)和處理，又要實(shí)現(xiàn)路由功能。另外，傳感器節(jié)點(diǎn)的資源受限，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也會(huì)不斷發(fā)生變化。這些特點(diǎn)使得傳統(tǒng)的路由算法無法應(yīng)用到WSN中。設(shè)計(jì)具有良好的擴(kuò)展性，且適應(yīng)WSN安全需求的安全路由算法是WSN安全研究的重要內(nèi)容。

　?。?）安全數(shù)據(jù)融合

　　在WSN中，傳感器節(jié)點(diǎn)一般部署較為密集，相鄰節(jié)點(diǎn)感知的信息有很多都是相同的，為了節(jié)省帶寬、提高效率，信息傳輸路徑上的中間節(jié)點(diǎn)一般會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，減少數(shù)據(jù)冗余。但是數(shù)據(jù)融合會(huì)導(dǎo)致中間節(jié)點(diǎn)獲知傳輸信息的內(nèi)容，降低了傳輸內(nèi)容的安全性。在確保安全的基礎(chǔ)上，提高數(shù)據(jù)融合技術(shù)的效率是WSN實(shí)際應(yīng)用中需要解決的問題。

　?。?）入侵檢測(cè)

　　· 針對(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境與攻擊手段，誤檢率與漏檢率之間的平衡問題；

　　· 結(jié)合集中式和分布式檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)，更高效的入侵檢測(cè)機(jī)制的研究。

　?。?）安全強(qiáng)度與網(wǎng)絡(luò)壽命的平衡

　　WSN的應(yīng)用很廣泛，針對(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境，如何在網(wǎng)絡(luò)的安全強(qiáng)度和使用壽命之間取得平衡，在安全的基礎(chǔ)上充分發(fā)揮WSN的效能，也是一個(gè)急需解決的問題。

　　5   結(jié)束語

　　WSN作為虛擬網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)實(shí)世界連接的橋梁，在未來具有廣闊的應(yīng)用前景，其安全問題現(xiàn)已引起了國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的注意。密鑰管理是WSN其他安全機(jī)制如安全路由、安全數(shù)據(jù)融合、入侵檢測(cè)等的基礎(chǔ)，是WSN安全研究中最基本的內(nèi)容。在以后的科研工作中，筆者將從密鑰管理出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)有的密鑰管理方案和WSN協(xié)議棧，對(duì)WSN安全進(jìn)行深入研究。