無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中被捕獲節(jié)點的檢測技術(shù)綜述

引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全問題要實現(xiàn)的目標(biāo)是保持網(wǎng)內(nèi)通信的認(rèn)證性、保密性以及數(shù)據(jù)的完整性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各種不同類型的攻擊集中利用有限的網(wǎng)絡(luò)資源削弱以上三種參數(shù)中的一種，攻擊者通過被動竊聽的手段竊取網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的通信,因此，節(jié)點感知的任何敏感信息將會被監(jiān)聽方獲取。惡意節(jié)點往往通過向網(wǎng)內(nèi)注入虛假數(shù)據(jù)包，使其他節(jié)點誤以為是真實的信息。被捕獲節(jié)點接收到網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)包后，往往采取選擇性轉(zhuǎn)發(fā)攻擊(selectiveforwardingattacks)手段，丟棄該數(shù)據(jù)包,而不是沿著數(shù)據(jù)包的實際路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。這種攻擊手段往往也會削弱正常數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)資源。攻擊者也可能會篡改正常數(shù)據(jù)包的內(nèi)容，從而破壞網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)證性和數(shù)據(jù)的完整性。

大多數(shù)安全算法都運用了加密技術(shù)，先將數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼,然后基站以及節(jié)點對數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼［4］。加密技術(shù)充分考慮到了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)通信的認(rèn)證性、安全性以及數(shù)據(jù)完整性。然而，如果攻擊者也擁有正常節(jié)點使用的加密密鑰，那么當(dāng)一個或多個節(jié)點被捕獲時，安全算法的效率往往會降低。因此，如果沒有采取其他的安全措施，惡意節(jié)點將不能從正常節(jié)點中被鑒別出。各種類型的網(wǎng)絡(luò)攻擊利用網(wǎng)絡(luò)的漏洞或缺陷對網(wǎng)絡(luò)發(fā)起攻擊，入侵檢測系統(tǒng)的主要作用就是對網(wǎng)絡(luò)攻擊進(jìn)行檢測，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全引入入侵檢測系統(tǒng)的目的就在于此。

入侵檢測技術(shù)可分為特征檢測(misusedetection)和異常檢測(anomalydetection)兩種。特征檢測通過一個已知的入侵用戶圖來標(biāo)記入侵，其優(yōu)點是能準(zhǔn)確和有效地檢測出已知的入侵，缺點是不能檢測新出現(xiàn)的攻擊。異常檢測通過監(jiān)測明顯異于正常行為的活動來預(yù)測入侵。其主要優(yōu)點是不需要入侵檢測的前期知識，而且可以檢測到新的入侵;最主要的缺點是它不能描述入侵的形式并且可能出現(xiàn)很高的差錯率。概念上,一個入侵檢測模型主要包括兩個單元:一是特征(屬性)，用于描述典型活動的特性，例如“錯誤錄入的嘗試次數(shù)”，“命令訪問的平均頻率”二是模型算法，也就是使用特征進(jìn)行入檢檢測和抑制入侵的算法。

1被捕獲節(jié)點的檢測技術(shù)

傳感器節(jié)點往往部署在開放的環(huán)境中，容易受到物理攻擊。一旦獲取了節(jié)點的密鑰信息，攻擊者完全可以偽裝成這些節(jié)點，向網(wǎng)絡(luò)任意注入錯誤的信息。如果節(jié)點被捕獲，那么該節(jié)點內(nèi)的所有信息將會泄露。利用被捕獲節(jié)點，攻擊者在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)發(fā)起內(nèi)部攻擊。基本的加密安全機制，比如認(rèn)證和完整性保護(hù)等，都不能有效防范這些偽裝攻擊叫如何解決這個問題,大多數(shù)技術(shù)對被捕獲節(jié)點散布的錯誤信息集中采取的手段是檢測和容忍，但是并不能夠準(zhǔn)確查明錯誤信息的源頭和發(fā)起者。目前仍然缺乏準(zhǔn)確識別被捕獲節(jié)點，并將它們永遠(yuǎn)排除在傳感器網(wǎng)絡(luò)之外的有效技術(shù)。針對被捕獲節(jié)點的處理技術(shù)，集中體現(xiàn)在以下幾種。

1.1基于報警的異常檢測

這種檢測依賴于特定應(yīng)用的檢測機制，使傳感器節(jié)點能夠監(jiān)視附近節(jié)點的行為。一旦檢測到異常行為，節(jié)點會向基站或其他節(jié)點發(fā)出警報，并由它們來對哪些節(jié)點被捕獲做進(jìn)一步判斷。這類方式稱為基于報警型，傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由選擇和定位中就會用到這類典型的方式。

節(jié)點通過警報能夠查明被捕獲節(jié)點，但是如何利用這些警報信息也是一大難題。發(fā)出的警報是否可信有時也難以判斷，因為這些警報有可能是被捕獲節(jié)點以誤導(dǎo)基站為目的而發(fā)出的錯誤警報。被捕獲節(jié)點可能會進(jìn)一步形成一個局部的整體，共同密謀以提升在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的影響力。另外，這種基于報警型的方式針對的是某些特定的應(yīng)用場合，難以延伸到其他領(lǐng)域。

識別被捕獲節(jié)點與可診斷系統(tǒng)中的故障診斷有著某種相似性。實際上，在這些系統(tǒng)中，總是假定故障是永遠(yuǎn)存在的，這就意味著一個故障節(jié)點在測試中總會失效，因而會被鑒別為無故障節(jié)點。有些研究者把故障假定的條件進(jìn)一步放寬，即故障的存在由永久性變成間斷性，實際上這種改變是假定故障節(jié)點以某種概率不能通過測試。這樣的假設(shè)在傳感器網(wǎng)絡(luò)不能成立，因為被捕獲節(jié)點的行為有更大的隨意性。例如，被捕獲節(jié)點有可能發(fā)布正確的感知數(shù)據(jù)，同時也發(fā)出錯誤的警報，這樣的惡意行為并不能夠被正常節(jié)點觀測到。因此,不能把可自診斷系統(tǒng)所采用的技術(shù)直接應(yīng)用到傳感器網(wǎng)絡(luò)的被捕獲節(jié)點的識別上。

1.2基于定位的異常檢測

許多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用GPS系統(tǒng)來收集傳感器節(jié)點的位置信息。在大型傳感器網(wǎng)絡(luò)中，如果每個節(jié)點都配備GPS系統(tǒng)，那么網(wǎng)絡(luò)運行成本相當(dāng)昂貴。因此，在實際應(yīng)用中只給時間信標(biāo)節(jié)點配備GPS接收器，以降低網(wǎng)絡(luò)運行成本。這些信標(biāo)節(jié)點知道自身的位置，其他傳感器節(jié)點根據(jù)信標(biāo)節(jié)點的位置信息來獲取在網(wǎng)絡(luò)的位置信息。

文獻(xiàn)中闡述了一種檢測惡意信標(biāo)節(jié)點的方式。如果一個信標(biāo)節(jié)點被捕獲，那么它將不可避免地要發(fā)送具有錯誤位置信息的信標(biāo)信號。這是因為，惡意信標(biāo)節(jié)點發(fā)送的位置信息和信標(biāo)信號一定是被篡改的。網(wǎng)絡(luò)中的信標(biāo)節(jié)點具有節(jié)點ID號以及密鑰，從而能夠與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其他信標(biāo)節(jié)點(表面看起來仍然是非信標(biāo)節(jié)點)進(jìn)行通信。惡意信標(biāo)節(jié)點發(fā)送的預(yù)估位置信息不是以信標(biāo)信號為依據(jù)，所以這些信息與真實值相比是不同的。一旦有效信標(biāo)節(jié)點從惡意信標(biāo)節(jié)點獲取信標(biāo)信號，那么該被捕獲節(jié)點將會被檢測出。由于被捕獲信標(biāo)節(jié)點難以獲取相鄰節(jié)點間每次通信的循環(huán)時間，因此，如果惡意節(jié)點采取基于本地信標(biāo)信號的重放攻擊(replayedattacks)，那么它就會比較容易被發(fā)現(xiàn)。

1.3基于網(wǎng)絡(luò)/鄰居節(jié)點穩(wěn)定，性的異常檢測

文獻(xiàn)闡述了一種基于傳感器節(jié)點特性(比如固定的相鄰節(jié)點信息)的入侵檢測系統(tǒng)。實驗中網(wǎng)絡(luò)間的通信采用多對一的方式，也就是說，節(jié)點將沿著相對固定的路徑向某個固定節(jié)點發(fā)送信息。因此，整個網(wǎng)絡(luò)運行期間并不需要節(jié)點用來識別相鄰節(jié)點的HELLO洪泛數(shù)據(jù)包。網(wǎng)絡(luò)部署后，假設(shè)：①不會增加新節(jié)點，且節(jié)點是固定的；②節(jié)點的發(fā)送功率不會改變;③網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的每個節(jié)點能夠識別它的相鄰節(jié)點；④每個節(jié)點使用相同的硬件以及運行相同的算法，節(jié)點上運行的時鐘與其他節(jié)點不同步。

根據(jù)以上設(shè)定的穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點知道能夠從相鄰節(jié)點獲得的信息。為了進(jìn)一步運用這個概念，需要選擇兩個傳感器網(wǎng)絡(luò)的運行參數(shù)，用來存儲相鄰節(jié)點的信息。選取的參數(shù)是：①數(shù)據(jù)包到達(dá)率，即單位時間內(nèi)到達(dá)的數(shù)據(jù)包；②平均接收功率，單位為dBm。算法定義了一個用來存儲預(yù)定數(shù)量數(shù)據(jù)包的緩沖區(qū)。這些數(shù)據(jù)包用來計算數(shù)據(jù)包到達(dá)率以及后續(xù)數(shù)據(jù)包的接收功率這兩個指標(biāo)的可接受值的范圍。如果這兩個參數(shù)的值不在持續(xù)更新的范圍之內(nèi)，那么就認(rèn)定網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了入侵。入侵檢測系統(tǒng)依靠這些節(jié)點來通知其相鄰節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)可能存在入侵者。如果某節(jié)點從其固定數(shù)量的相鄰節(jié)點處獲取入侵者信息，那么該節(jié)點將把這個可疑節(jié)點標(biāo)注為被捕獲節(jié)點。

1.4基于軟件的面向嵌入式硬件的認(rèn)證

檢測被捕獲節(jié)點的另一種不同方法是根據(jù)代碼認(rèn)證，來驗證運行于傳感器節(jié)點的實際程序代碼。還有一種基于硬件的認(rèn)證方法，這種硬件內(nèi)含一個安全的協(xié)處理器，用來檢測相關(guān)嵌入式設(shè)備存儲器的內(nèi)容。文獻(xiàn)介紹了一種基于軟件的認(rèn)證技術(shù)(SoftWare-basedATTestationtechnique，SWATT),它是通過軟件方式獨立運行代碼認(rèn)證算法來實現(xiàn)的。

這些技術(shù)都是通過某種方式，在外部驗證運行于嵌入式設(shè)備的代碼的正確性，檢驗器的可信度是實現(xiàn)目標(biāo)的關(guān)鍵因素。惡意節(jié)點至少有一行代碼與運行于正常節(jié)點的預(yù)期代碼不同。檢驗器有未被捕獲傳感器節(jié)點存儲器內(nèi)容的副本。檢驗器向節(jié)點發(fā)送某種特定信息，作為偽隨機數(shù)生成器的輸入，來創(chuàng)建隨機存儲器地址的。給設(shè)備的每個存儲器地址執(zhí)行“校驗和”檢驗。校驗器在本地運行相同的校驗步驟，計算預(yù)期的校驗和值，再將這個預(yù)期值與節(jié)點返回的值進(jìn)行比較。

由于被捕獲節(jié)點存儲器的內(nèi)容被改變，所以它必須確定由偽隨機數(shù)生成器創(chuàng)建的每個存儲器地址是否已經(jīng)發(fā)生改變。SWATT技術(shù)目前已在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用，不過執(zhí)行檢測和運行驗證步驟均需額外時間。作者在基于AVRstudioV4.0的仿真器上進(jìn)行了實驗，結(jié)果表明，計算校驗和的時間差異變得更加突出，這是因為被訪問的存儲器地址的數(shù)量在增加。

文獻(xiàn)[9]也對網(wǎng)絡(luò)做了相同的假設(shè)，確定節(jié)點是否為被捕獲節(jié)點的過程發(fā)生了變化?；颈患俣槭苄欧剑阼b定被捕獲節(jié)點時起著很大作用。基站認(rèn)為存在潛在的被捕獲節(jié)點，采用代碼認(rèn)證方法來確認(rèn)可能的威脅。SWATT技術(shù)的思想是，一旦節(jié)點被捕獲，那么它必將執(zhí)行與正常節(jié)點不同的行為，這種思想在算法設(shè)計中是一種重要的概念。

2結(jié)語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，任何兩個節(jié)點之間均可能發(fā)生交互。如果某個節(jié)點提供的信息是錯誤的，或提供的服務(wù)不完備，那么其他的一些節(jié)點有可能檢測到，并發(fā)出相應(yīng)的負(fù)反饋。實際上，傳感器節(jié)點之間的交互，受制于傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署。對于某個節(jié)點來說，能夠檢測到它提供的信息或服務(wù)的，只是一組固定的節(jié)點。因此，對于被捕獲節(jié)點來說，容易形成一個局部的整體。

一般來說，大多數(shù)分布式系統(tǒng)由自主實體所構(gòu)成，往往最大化地追求自身效率,需要建立激勵機制來鼓勵實體發(fā)布（至少不阻止）其他實體的反饋信息。傳感器網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上是一種分布式系統(tǒng)，由自主性節(jié)點構(gòu)成，傳感器節(jié)點之間通過相互協(xié)作來共同完成一個任務(wù)。因此，有可能設(shè)計出鑒別機制，實現(xiàn)既定目標(biāo)的全局最優(yōu)化。例如，為了應(yīng)對錯誤的警報，可以根據(jù)警報的發(fā)起者和針對的目標(biāo)來確定被捕獲節(jié)點，只要有助于提高整個系統(tǒng)的安全性。

實際上，傳感器網(wǎng)絡(luò)獨特的特性既帶來了挑戰(zhàn)，也帶來了機遇，如何利用這些特性是精確識別被捕獲節(jié)點的關(guān)鍵所在。

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