物聯(lián)網(wǎng)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全技術(shù)

引言

最近幾年，物聯(lián)網(wǎng)之所以能成為研究的熱點(diǎn)，究其原因：一是物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，將對(duì)社會(huì)的發(fā)展起到推動(dòng)作用;二是物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益,據(jù)有關(guān)專家估算，物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)值將達(dá)到萬億級(jí)別。

伴隨著物聯(lián)網(wǎng)在各個(gè)領(lǐng)域的成功應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)的安全問題也變得越來越重要，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)在物聯(lián)網(wǎng)體系中擔(dān)當(dāng)著鏈接傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的重任，因此其安全問題尤其突出?？梢哉f，不解決安全問題，物聯(lián)網(wǎng)是沒有明天的。

1WSN的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1WSN的結(jié)構(gòu)

WSN以感知為目的，通過各種方式將節(jié)點(diǎn)部署在被感知對(duì)象的內(nèi)部或附近，獲取物理世界的各種信息。被部署的節(jié)點(diǎn)通過自組織方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，其節(jié)點(diǎn)中集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信單元。WSN借助于節(jié)點(diǎn)中的傳感器來測(cè)量周圍環(huán)境，可以探測(cè)溫度、濕度、噪聲、速度、光強(qiáng)度、電磁波等各種環(huán)境參數(shù)。

WSN在物聯(lián)網(wǎng)中的作用就像一個(gè)虛擬的皮膚，它能感受到一切物理世界的信息，并與觀察者分享這些信息。

一個(gè)典型的WSN體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該體系包括分布式傳感器節(jié)點(diǎn)、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)(sink)、Internet和用戶端。sink也就是數(shù)據(jù)中心，它的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力相對(duì)較強(qiáng)，可連通傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)協(xié)議棧之間的通信轉(zhuǎn)換。每個(gè)散布在網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)通過多跳路由的方式將感知數(shù)據(jù)傳送到sink,用戶可以通過Internet或者衛(wèi)星與sink進(jìn)行通訊。

1.2WSN的網(wǎng)絡(luò)特征

為了使WSN成為物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)內(nèi)在組成部分，通常需要考慮各種挑戰(zhàn)，包括從適應(yīng)現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)到互操作的協(xié)議創(chuàng)造和發(fā)展以及支持機(jī)制等。其中的挑戰(zhàn)之一就是安全性,主要是因?yàn)閃SN不能夠直接適用于現(xiàn)有以Internet為中心的安全機(jī)制。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有其固有特性。

資源更有限。由于受價(jià)格、體積和功耗的限制，其計(jì)算能力比普通的計(jì)算機(jī)功能要弱很多。

網(wǎng)絡(luò)規(guī)模更大，覆蓋更廣。為了獲得精確的信息，通常會(huì)在被監(jiān)測(cè)區(qū)域部署大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量數(shù)以萬計(jì)，節(jié)點(diǎn)的分布更加密集。

網(wǎng)絡(luò)自組。網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)和展開不依賴于預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，節(jié)點(diǎn)通過分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各自的行為，自動(dòng)組成一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)。

能量更有限。由于受到硬件條件的影響，無線傳感器節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，電源能量更加有限，因此，無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信距離更短，通常只有幾十米。

干擾更強(qiáng)。相對(duì)于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作環(huán)境更加惡劣，再加上傳感器節(jié)點(diǎn)分布更加密集，其環(huán)境噪聲干擾和節(jié)點(diǎn)之間的干擾更強(qiáng)。

多跳路由。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的通信距離有限，節(jié)點(diǎn)只能與它的鄰節(jié)點(diǎn)直接通信。如果希望與其傳輸覆蓋范圍之外的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，就需要通過多跳路由進(jìn)行通信。多跳路由是由普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)完成的，沒有專門的路由設(shè)備。因此，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，既是終端又是路由器。

動(dòng)態(tài)拓?fù)洹o線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)隨著時(shí)間的推移發(fā)生改變，主要是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)可能會(huì)因故障失效。由于監(jiān)測(cè)區(qū)域的變化，新節(jié)點(diǎn)會(huì)添加到現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)中，因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有動(dòng)態(tài)拓?fù)渲貥?gòu)功能。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。它不像傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)那樣以連接為中心，而是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)，因此，需要節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)聚合、融合、緩存和壓縮等處理。

2WSN各層主要面臨的安全挑戰(zhàn)

WSN的協(xié)議棧包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層，與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧的五層協(xié)議相對(duì)應(yīng)。WSN面臨的安全問題也就是協(xié)議棧中各層面臨的問題。

2.1物理層

物理層主要負(fù)責(zé)載波頻率的產(chǎn)生、信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)等工作。物理層中的安全問題主要是干擾攻擊和節(jié)點(diǎn)俘獲。干擾攻擊是指干擾WSN中節(jié)點(diǎn)所使用的無線電頻率。節(jié)點(diǎn)俘獲是指攻擊者捕獲節(jié)點(diǎn)，知道節(jié)點(diǎn)上所保存的任何信息，從而代替這個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。

2.2數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層主要負(fù)責(zé)媒體訪問和錯(cuò)誤控制。在介質(zhì)訪問控制協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)通過監(jiān)測(cè)鄰近節(jié)點(diǎn)是否發(fā)送數(shù)據(jù)來確定自身是否能訪問通信信道，這種載波監(jiān)聽的方式容易遭到拒絕服務(wù)攻擊(DoS)。DoS是指當(dāng)存在網(wǎng)絡(luò)流量沖擊或者外界惡意攻擊時(shí)，可能產(chǎn)生“雪崩”效應(yīng)，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)性能急劇下降，甚至?xí)捎诰W(wǎng)絡(luò)擁塞導(dǎo)致停止服務(wù)。

2.3網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)路由的發(fā)現(xiàn)和維護(hù)，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要因素。針對(duì)路由的攻擊可能導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)層的攻擊方式有偽造路由信息、選擇性轉(zhuǎn)發(fā)、黑洞攻擊和Sybil攻擊。

2.4傳輸層

傳輸層主要負(fù)責(zé)將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)提供給外部網(wǎng)絡(luò)。泛洪攻擊和異步攻擊是針對(duì)這個(gè)層次的主要攻擊手段。

2.5應(yīng)用層

應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)特定應(yīng)用所需的功能，如將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理及其他應(yīng)用任務(wù)。應(yīng)對(duì)這個(gè)層的攻擊一般可根據(jù)具體任務(wù)而定。

3WSN中的安全技術(shù)

面對(duì)WSN中出現(xiàn)的種種安全問題，主要可采用以下幾種技術(shù)予以解決：

入侵檢測(cè)技術(shù)。入侵檢測(cè)可對(duì)網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)行為進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可疑節(jié)點(diǎn)行為。入侵檢測(cè)系統(tǒng)基于一個(gè)合理假設(shè):惡意節(jié)點(diǎn)的行為與網(wǎng)內(nèi)其它節(jié)點(diǎn)存在明顯的不同，以至于入侵檢測(cè)系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定規(guī)則將其識(shí)別出來。

干擾控制。干擾控制用于對(duì)付無線電干擾攻擊。由于敵人無法進(jìn)行長期持續(xù)的全頻攻擊，所以，通信節(jié)點(diǎn)可以采取跳頻傳輸和擴(kuò)頻傳輸?shù)姆椒▉斫鉀Q信號(hào)干擾攻擊。

安全路由。根據(jù)不同應(yīng)用的特點(diǎn)，制定合適的安全路由協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)安全地到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)盡可能少地消耗節(jié)點(diǎn)資源。安全路由技術(shù)中廣泛采用SPINS安全框架協(xié)議,包括SNEP協(xié)議和叮ESLA協(xié)議，其中SNEP協(xié)議用以實(shí)現(xiàn)通信的機(jī)密性、完整性、新鮮性和點(diǎn)到點(diǎn)的認(rèn)證，叮ESLA協(xié)議用以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到多點(diǎn)的廣播認(rèn)證。

密鑰管理。密鑰管理是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵安全技術(shù)的核心，主要有四種密鑰分布協(xié)議:簡(jiǎn)單密鑰分布協(xié)議、密鑰預(yù)分布協(xié)議、動(dòng)態(tài)密鑰管理協(xié)議、分層密鑰管理協(xié)議。簡(jiǎn)單密鑰分布協(xié)議網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)都保存同一個(gè)密鑰用于數(shù)據(jù)的加解密，其內(nèi)存需求是所有密鑰管理協(xié)議中最低的，但是它的安

全性也最低。密鑰預(yù)分布協(xié)議中的節(jié)點(diǎn)在被部署到監(jiān)控區(qū)域前,將被預(yù)先載入一些密鑰。當(dāng)節(jié)點(diǎn)被部署好后，傳感器節(jié)點(diǎn)通過執(zhí)行共享密鑰發(fā)現(xiàn)過程來為安全鏈路的形成建立共享密鑰。動(dòng)態(tài)密鑰管理協(xié)議可以根據(jù)用戶要求周期性地改變節(jié)點(diǎn)的管理密鑰，使用動(dòng)態(tài)密鑰管理協(xié)議可以改善網(wǎng)絡(luò)面臨攻擊時(shí)的生存性。分層密鑰管理協(xié)議采用LEAP協(xié)議，是一種典型的確定性密鑰管理技術(shù)，使用的是多種密鑰機(jī)制。LEAP在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上維護(hù)四個(gè)密鑰:分別是基站單獨(dú)共享的身份密鑰（預(yù)分布）、網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)共享的組密鑰（預(yù)分布）、鄰居節(jié)點(diǎn)共享的鄰居密鑰以及簇頭共享的簇頭密鑰。

（5）密鑰算法。密鑰算法主要包括對(duì)稱密鑰算法與非對(duì)稱密鑰算法，非對(duì)稱密鑰算法主要有Rabin'scheme,NtuEncrypt、RAS和橢圓曲線算反ECC，對(duì)稱算法主要有Skipjack和RC5。相比較而言，對(duì)稱密鑰算法與非對(duì)稱密鑰算法相比具有計(jì)算量小、代碼短和能耗低的特點(diǎn)，因此，對(duì)稱密鑰算法在WSN應(yīng)用較廣。

（6）數(shù)據(jù)融合。數(shù)據(jù)融合是節(jié)省能量、增強(qiáng)所收集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及提高數(shù)據(jù)收集效率的重要手段。數(shù)據(jù)融合主要有兩種方式：一種是在發(fā)送節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)之間使用端到端的加密方式，匯聚節(jié)點(diǎn)先對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)融和；另一種方法是對(duì)密文數(shù)據(jù)直接進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，這要求加密時(shí)采用特定的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法。

WSN協(xié)議棧中各層所面臨的安全問題一般不是采用單一安全措施就可以解決的，往往需要多種措施并用。協(xié)議棧中各層采取的安全技術(shù)如圖2所示。

4結(jié)語

WSN雖然出現(xiàn)得較早，但對(duì)它的研究也是隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的興起才成為熱點(diǎn)。事實(shí)上，WSN網(wǎng)絡(luò)還不成熟，安全漏洞很多。研究者應(yīng)該為它們制定相應(yīng)的安全協(xié)議，并盡可能地減小安全技術(shù)所弓入的副作用，促進(jìn)WSN健康發(fā)展。

圖2無線傳感器網(wǎng)中安全技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)層次關(guān)系圖

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