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無線傳感器網(wǎng)絡安全研究

文檔作者：崔曉臣張串絨張強文檔來源：空軍工程大學電訊工程學院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年07月28日
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研究與開發(fā)
無線傳感器網(wǎng)絡安全研究宰
崔曉臣，張串絨，張強
(空軍工程大學電訊工程學院西安710077)
1 引言
網(wǎng)絡安全是無線傳感器網(wǎng)絡研究的熱點。本文在分析無線傳感器網(wǎng)絡特點和安全需求的基礎上，
從密鑰管理和攻防技術兩個方面介紹了無線傳感器網(wǎng)絡安全研究的現(xiàn)狀，簡要地分析了無線傳感
器網(wǎng)絡安全研究的重點，最后指出了下一步研究的方向。箋糍鬻鬃瓣翻麟麓藕鬻霸驥巍囊蟹囊攀
隨著傳感器、計算機、無線通信及微機電等技術的發(fā)
展和相互融合，產(chǎn)生了無線傳感器網(wǎng)絡(、I，irekss∽nsor
ne啪rk，WSN)，目前WSN的應用越來越廣泛，已涉及國防
軍事、國家安全等敏感領域，安全問題的解決是這些應用
得以實施的基本保證。WsN一般部署廣泛，節(jié)點位置不確
定，網(wǎng)絡的拓撲結構也處于不斷變化之中。另外，節(jié)點在通
信能力、計算能力、存儲能力、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
導致了許多成熟、有效的安全方案無法順利應用。正是這
種“供”與“求”之間的矛盾使得WSN安全研究成為熱點。
2 WSN安全問題
2．1 與安全相關的特點
WSN與安全相關的特點主要有以下幾個。
·國家自然科學基金資助項目(No．60873233)，陜西省工業(yè)科技攻關
基金資助項目(No．2008．k04．21)。西安市產(chǎn)學研合作基金資助項
目(No．CXY08016)，中國博士后科學基金資助項目@o．20080440550)
·資源受限，通信環(huán)境惡劣。WSN單個節(jié)點能量有
限，存儲空間和計算能力差，直接導致了許多成熟、
有效的安全協(xié)議和算法無法順利應用。另外，節(jié)點
之間采用無線通信方式，信道不穩(wěn)定。信號不僅容
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)點易失效。傳感器節(jié)
點一般部署在無人值守的惡劣環(huán)境或敵對環(huán)境中。
其工作空間本身就存在不安全因素，節(jié)點很容易受
到破壞或被俘，一般無法對節(jié)點進行維護，節(jié)點很
容易失效。
·網(wǎng)絡無基礎框架。在WSN中，各節(jié)點以自組織的方
式形成網(wǎng)絡，以單跳或多跳的方式進行通信，由節(jié)
點相互配合實現(xiàn)路由功能。沒有專門的傳輸設備，
傳統(tǒng)的端到端的安全機制無法直接應用。
·部署前地理位置具有不確定性。在WSN中，節(jié)點通
常隨機部署在目標區(qū)域，任何節(jié)點之間是否存在直
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方面。
萬方數(shù)據(jù)
研究與開發(fā)
·機密性。機密性要求對WSN節(jié)點間傳輸?shù)男畔⑦M
行加密．讓任何人在截獲節(jié)點間的物理通信信號后
不能直接獲得其所攜帶的消息內容。
·完整性。WSN的無線通信環(huán)境為惡意節(jié)點實施破
壞提供了方便．完整性要求節(jié)點收到的數(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)點的失效或新節(jié)點的加入．網(wǎng)絡的拓撲結構
不斷發(fā)生變化。因此，WSN必須具有很強的適應
性，使得單個節(jié)點或者少量節(jié)點的變化不會威脅整
個網(wǎng)絡的安全。
·真實性。WSN的真實性主要體現(xiàn)在兩個方面：點到
點的消息認證和廣播認證。點到點的消息認證使得
某一節(jié)點在收到另一節(jié)點發(fā)送來的消息時，能夠確
認這個消息確實是從該節(jié)點發(fā)送過來的，而不是別
人冒充的；廣播認證主要解決單個節(jié)點向一組節(jié)點
發(fā)送統(tǒng)一通告時的認證安全問題。
·新鮮性。在WSN中由于網(wǎng)絡多路徑傳輸延時的不
確定性和惡意節(jié)點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)消息的時效性。
-可用性。可用性要求WSN能夠按預先設定的工作
方式向合法的用戶提供信息訪問服務，然而，攻擊
者可以通過信號干擾、偽造或者復制等方式使
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不能通過設置防火墻進行訪問過
濾，由于硬件受限，也不能采用非對稱加密體制的
數(shù)字簽名和公鑰證書機制。WSN必須建立一套符
合自身特點。綜合考慮性能、效率和安全性的訪問
控制機制。
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)加密技術中的重要環(huán)節(jié)，它處理密鑰
從生成到銷毀的整個生命周期，涉及密鑰的生成、分發(fā)、存
儲、更新及銷毀等所有方面．密鑰的丟失將直接導致明文
的泄露。有效的密鑰管理方案是實現(xiàn)WSN安全的基礎。
參考文獻[1】提出了一種動態(tài)分簇密鑰管理方案(key
m柚a鼬ment for dyn啪icauy clustering WSN，KMDC)，該方
案能夠與現(xiàn)有的層簇式路由協(xié)議相結合，具有計算量小、
能耗低的特點。任何節(jié)點在運行狀態(tài)時只需要保存一個主
密鑰、一個簇密鑰以及用于管理簇密鑰的管理密鑰，簇頭
不需要保存與成員節(jié)點之間的對密鑰。同時，該方案采用
EBS組合最優(yōu)組密鑰管理算法。減少了管理簇密鑰帶來的
存儲負擔，降低了更新簇密鑰時網(wǎng)絡的通信負載。在網(wǎng)絡
運行后，EBS算法等較大規(guī)模的運算又由基站負責完成，
所以簇頭不需要具有較大存儲空間，不必進行大規(guī)模的運
算。任何傳感器節(jié)點都可以擔任。另外，該方案還具有較好
的擴展性。
參考文獻[2】提出了一種基于對稱矩陣LU分解的對
密鑰分配方案。該方案在實際應用中存在密鑰信息分配不
均、U矩陣信息完全公開等缺點。參考文獻【3】利用矩陣空
間的思想對其進行了改進，提出了一種基于LU矩陣空間
的隨機對密鑰預分配方案。解決了普通對稱矩陣方案在實
際應用中的局限性。
參考文獻【4】在基站是絕對安全和傳感器節(jié)點部署好
以后就基本處于靜止狀態(tài)的假設下。提出了基于多項式和
分組的密鑰管理方案。為了在確保網(wǎng)絡安全性的同時，達
到較好的網(wǎng)絡節(jié)點密鑰連通概率，該方案首先通過多項式
計算節(jié)點間鏈路共享密鑰，然后通過分組的方法，彌補基
于多項式方案的不足，提高網(wǎng)絡密鑰連通性。節(jié)點的標志
符ID劃分為組標志符GID和組內節(jié)點標志符NlD兩部
分．節(jié)省了一定的節(jié)點開銷，通過NID的擴展能夠支持網(wǎng)
絡中節(jié)點的動態(tài)加入。
參考文獻[5】利用基于身份的密碼體制(identit)r-based
c聊to胂phy，IBC)提出一種基于部署信息的密鑰管理方
案．該方案將節(jié)點身份和部署信息應用到橢圓曲線密鑰算
法中．與以前的方案相比安全性更高。在節(jié)點部署后不需
要一個初始信任時間，節(jié)點被捕獲之后不會泄露其他節(jié)點
的秘密，可以抵擋克隆攻擊和Sy蛐攻擊，具有良好的可擴
展性。該方案僅在節(jié)點部署時執(zhí)行一次橢圓曲線密鑰算
法．在隨后的整個通信過程中都采用對稱密鑰算法，能較
好地應用到WsN中。
參考文獻【6】提出了一種基于多密鑰空間的密鑰管理
方案，該方案在參考文獻[7】的基礎上，引入了q_composite
機制．大大降低了WSN的通信密鑰被破解的概率，但是這
會同時造成網(wǎng)絡的連通率降低。通過引入地理位置信息，
萬方數(shù)據(jù)
皇笪壁蘭-：塑醒豳鞫壁
在離線階段利用尚未使用的存儲空間存儲多個密鑰空間。
在節(jié)點部署以后，利用定位算法得到自己在網(wǎng)絡中的坐
標。對所存儲的密鑰空間進行優(yōu)化，刪除一些無效的密鑰
空間，釋放原先利用的存儲空間，增大兩個鄰居節(jié)點擁有
相同密鑰空間的概率．從而實現(xiàn)在不增加節(jié)點存儲空間
的情況下大幅提高被俘節(jié)點的閾值的目的，增強了網(wǎng)絡
安全性。
3．2攻防技術
WSN受到的攻擊類型主要有Sybil攻擊、SiIlkhole攻
擊、Wonllllole攻擊、Heu0泛洪攻擊、選擇性轉發(fā)等。
(1)Sybil攻擊
Sybil攻擊的目標是破壞依賴多節(jié)點合作和多路徑路
由的分布式解決方案。在Sy蚰攻擊中，惡意節(jié)點通過扮演
其他節(jié)點或者通過聲明虛假身份，對網(wǎng)絡中其他節(jié)點表現(xiàn)
出多重身份。Sybil攻擊能夠明顯降低路由方案對于諸如
分布式存儲、分散和多路徑路由、拓撲結構保持的容錯能
力，對于基于位置信息的路由協(xié)議也構成很大的威脅。參
考文獻【8]第一次系統(tǒng)地分析了Sybil攻擊及其防御手段，
對Svbil攻擊進行了分類。分析了攻擊者如何使用不同類
型的Svbil攻擊破壞網(wǎng)絡的協(xié)議或算法的性能．提出了一
種采用密鑰交換來確認節(jié)點身份的方案，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
隨機密鑰的生成和交換，并且傳感器節(jié)點需要存儲大量的
密鑰信息，這使得該方案在節(jié)點資源受限的WSN的應用
受到了限制。參考文獻f9】提出了一種基于接收信號強度檢
測器(received si印al s骶ng【ll indicafor，RSSI)的解決方案，
該方案通過計算接收節(jié)點和另外一個協(xié)同節(jié)點RSSI的比
值在兩個時刻是否相等，來判斷發(fā)送節(jié)點是否為Svbil節(jié)
點。該方案對sybil攻擊的檢測概率達到99％以上，對通信
要求也不高．只需要接收節(jié)點與另外一個協(xié)同節(jié)點進行一
次通信即可。其缺點是存在較高的誤檢概率，存在將合法
節(jié)點當成Svbil節(jié)點的可能性，但是這對整個網(wǎng)絡造成的
危害與Sybil攻擊相比是微乎其微的。該方案具有較高的
實用價值。
(2)SiIll【hole攻擊
攻擊者為一個被妥協(xié)的節(jié)點篡改路由信息。盡可能地
引誘附近的流量通過該惡意節(jié)點，一旦數(shù)據(jù)都經(jīng)過該惡意
節(jié)點，該惡意節(jié)點就可以對正常數(shù)據(jù)進行竄改或選擇性轉
發(fā)，從而引發(fā)其他類型的攻擊。參考文獻【lO】提出了一種新
的輕量級的針對Sillkhok攻擊的入侵檢測方案．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，
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)點附近信息的傳輸情況，通過對搜集的信息進行分析
來鑒別入侵者。該方案對多個惡意節(jié)點相互合作欺騙基站
的情況也進行了考慮．并給出了一些加強算法。
(3)Wo砷hok攻擊
Wo珊hole攻擊對WSN有很大威脅，因為這類攻擊不
需捕獲合法節(jié)點。而且在節(jié)點部署后進行組網(wǎng)的過程中就
可以實施攻擊。惡意節(jié)點通過聲明低延遲鏈路騙取網(wǎng)絡的
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Sinldlole的攻擊。參考文獻『111
提出了一種檢測和預防WSN中Wo珊hole攻擊的方案．該
方案通過地理或者臨時約束條件來限制數(shù)據(jù)包的最大傳
輸距離．并給出了一種高效協(xié)議，11K來對接收的數(shù)據(jù)包進
行實時認證。參考文獻【121提出了一種針對Wo玎IlIlole和關
鍵鏈路的分布式檢測算法，相比以前的算法。該算法不需
要專門的硬件設備來獲取節(jié)點的位置信息。節(jié)點之間不需
要嚴格的時間同步。
(4)HeⅡo泛洪攻擊
在WsN中．許多協(xié)議要求節(jié)點廣播Heuo數(shù)據(jù)包發(fā)現(xiàn)
其鄰居節(jié)點，收到該包的節(jié)點將確信它的發(fā)送者在傳輸范
圍內，攻擊者通過發(fā)送大功率的信號來廣播路由或其他信
息，使網(wǎng)絡中的每一個節(jié)點都認為攻擊者是其鄰居。這些
節(jié)點就會通過“該鄰居”轉發(fā)信息，從而達到欺騙的目的，
最終引起網(wǎng)絡的混亂。防御Heno泛洪攻擊最簡單的方法
就是通信雙方采取有效措施進行相互身份認證。參考文
獻【13]給出了防御Heno泛洪攻擊的有效方法。
(5)選擇性轉發(fā)
惡意節(jié)點可以概率性地轉發(fā)或者丟棄特定消息。而使
網(wǎng)絡陷入混亂狀態(tài)。如果惡意節(jié)點拋棄所有收到的信息將
形成黑洞攻擊，但是這種做法會使鄰居節(jié)點認為該惡意節(jié)
點已失效，從而不再經(jīng)由它轉發(fā)信息包，因此選擇性轉發(fā)
更具欺騙性。其有效的解決方法是多徑路由，節(jié)點也可以
通過概率否決投票并由基站或簇頭對惡意節(jié)點進行撤銷。
(6)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，對網(wǎng)絡的可用性危害極大，攻擊者可以
通過擁塞、沖突碰撞、資源耗盡、方向誤導、去同步等多種
方法在WsN協(xié)議棧的各個層次上進行攻擊。參考文獻[14】
提出了一種基于流量預測的傳感器網(wǎng)絡DoS攻擊檢測方
萬方數(shù)據(jù)
研究與開發(fā)
案。該方案從DoS攻擊引發(fā)的網(wǎng)絡流量異常變化人手．根
據(jù)已有的流量觀測值來預測未來流量，如果真實的流量與
其預測流量存在較大偏差，則判定為一種異?；蚬簟Ｔ?
方案在一種簡單、高效的流量預測模型ARMA(2，1)的基
礎上，設計了一種基于閾值超越的流量異常判斷機制，使
路徑中的節(jié)點在攻擊發(fā)生后自發(fā)地檢測異常，最后提出了
一種報警評估機制以提高檢測質量。閉值的設定是該方案
的關鍵，要綜合考慮具體應用場景的信道誤碼率和應用環(huán)
境的安全需求等因素。
4 WSN安全研究重點
WSN安全問題已經(jīng)成為WSN研究的熱點與難點．隨
著對WSN安全研究的不斷深入。筆者認為以下幾個方向
將成為研究的重點。
(1)密鑰管理
·密鑰的動態(tài)管理問題。WSN的節(jié)點隨時都可能變
化(死亡、捕獲、增加等)，其密鑰管理方案要具有良
好的可擴展性，能夠通過密鑰的更新或撤銷適應這
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上的，這與實際是不相符的．因
此需要設計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)點數(shù)目較多，整個網(wǎng)絡的安全性與節(jié)點資源的有
限性之間的矛盾通過傳統(tǒng)的密鑰管理方式很難解
決，而通過對節(jié)點進行合理的分層、分簇或分組管
理，可以在提高網(wǎng)絡安全性的同時，降低節(jié)點的通
信、存儲開銷。因此，密鑰管理方案的分層、分簇或
分組研究是WSN安全研究的一個重點。
·橢圓曲線密碼算法在WSN中的應用研究。
(2)安全路由
WsN沒有專門的路由設備，傳感器節(jié)點既要完成信
息的感應和處理，又要實現(xiàn)路由功能。另外，傳感器節(jié)點的
資源受限，網(wǎng)絡拓撲結構也會不斷發(fā)生變化。這些特點使
得傳統(tǒng)的路由算法無法應用到wSN中。設計具有良好的
擴展性，且適應WSN安全需求的安全路由算法是WSN安
全研究的重要內容。
(3)安全數(shù)據(jù)融合
在WSN中，傳感器節(jié)點一般部署較為密集，相鄰節(jié)點
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)點一般會對轉發(fā)的數(shù)據(jù)進行融
合。減少數(shù)據(jù)冗余。但是數(shù)據(jù)融合會導致中間節(jié)點獲知傳
輸信息的內容，降低了傳輸內容的安全性。在確保安全的
基礎上．提高數(shù)據(jù)融合技術的效率是WSN實際應用中需
要解決的問題。
(4)入侵檢測
·針對不同的應用環(huán)境與攻擊手段。誤檢率與漏檢率
之間的平衡問題：
·結合集中式和分布式檢測方法的優(yōu)點，更高效的入
侵檢測機制的研究。
(5)安全強度與網(wǎng)絡壽命的平衡
WSN的應用很廣泛，針對不同的應用環(huán)境，如何在網(wǎng)
絡的安全強度和使用壽命之間取得平衡．在安全的基礎上
充分發(fā)揮WSN的效能，也是一個急需解決的問題。
5 結束語
WSN作為虛擬網(wǎng)絡與現(xiàn)實世界連接的橋梁，在未來
具有廣闊的應用前景，其安全問題現(xiàn)已引起了國內外眾多
學者的注意。密鑰管理是WSN其他安全機制如安全路由、
安全數(shù)據(jù)融合、入侵檢測等的基礎，是WSN安全研究中最
基本的內容。在以后的科研工作中，筆者將從密鑰管理出
發(fā)，結合現(xiàn)有的密鑰管理方案和WSN協(xié)議棧，對WSN安
全進行深入研究。
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Abst隋ct Network security is a hot I．esearch of wireles8 sensor∞tworks．B鵲ed on tlle chamcteristics of WSN鋤d securi哆
needs are analyzed，the status quo of research on the securit)r in WsN is int瑚uced f如m key咖agement柚d attack鋤d
coumer measures．secondly，key poims of research on security in wireless sensor neMork are analyzed brieny．FinaUy，some
fIItu弛directions of re$earch are pointed out．
Key words w沁1ess sensor network，security，key m鋤agemem，atLack鋤d counterⅡ地a6ure (收稿日期：2010一06一04)
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最新的嵌人式計算機、測量測試新品和機器視覺解決方案
亮麗登場。
嵌入式計算機展區(qū)，凌華科技將展出從工業(yè)級、寬溫
級到軍用寬溫級的嵌入式計算產(chǎn)品。超小型、低功耗的
COM Explle船嵌入式計算機解決方案將作為此次的重點
呈現(xiàn)給廣大參觀者。
該解決方案同時具有高性價比以及縮短產(chǎn)品開發(fā)周
期。并幫助客戶將產(chǎn)品快速推向市場等優(yōu)勢。而軍用寬溫
級嵌入式計算模塊則主打品質，可以滿足用戶嚴苛環(huán)境下
的應用。始于設計的軍用寬溫級產(chǎn)品可以保證在—40一+8咒
的寬溫范圍內正常運行，并具備高抗沖擊和高抗振動能力。同時
亮相的還有不同規(guī)格的工業(yè)電腦，包括C伽pactPCI、
P1CMG 1．3、MiIli rIX以及無風扇的I／o計算平臺。

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