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淺析無線傳感器網(wǎng)絡安全技術

文檔作者：蘇洪靜文檔來源：創(chuàng)維一RGB電子有限公司北京軟件開發(fā)分公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年07月28日
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淺析無線傳感器網(wǎng)絡安全技術
蘇洪靜
(創(chuàng)維一RGB電子有限公司北京軟件開發(fā)分公司北京100102)
【摘要】無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)涉及了數(shù)據(jù)感知采集、嵌入式計算處理、無線通信傳輸、安全傳輸?shù)榷喾N技術領
域．當前被廣泛應用于軍事、環(huán)境、醫(yī)療保健、工業(yè)制造等社會各個方面。本文以無線傳感器網(wǎng)絡的構(gòu)成結(jié)構(gòu)、節(jié)點特征為
基礎，簡單介紹其中若干關鍵安全技術。
【關鍵詞】無線傳感器網(wǎng)絡；數(shù)據(jù)安全；路由安全；密鑰管理；密鑰加密
中圖分類號：TP393．08 文獻標識碼：A 文章編號：1009—6833(2014)12—151—02
Brief Analysis of Security in Wireless Sensor Networks
Su Hongjing
Abstract：Wireless sensor networks generally involve many fields such as data sensoring、capturing，embedded computing，wireless
communication and secure transmission etc．It can be widely used in military，environmental monitoring，heath care，manufacturing and
SO on．The paper analysis briefly some key security technologies based on the architecture and node features ofwireless sensor networks．
Keywords：wireless sensor networks；data security；routing security；secret key management；secret key encryption
0引言
線傳感器網(wǎng)絡(WSN)的興起與發(fā)展造就了物聯(lián)網(wǎng)這個信
息革命的高潮，同時也扮演著大數(shù)據(jù)時代初期典型的數(shù)據(jù)提供
者角色。伴隨著其在社會中各個領域的應用的深入發(fā)展，尤其
涉及到某些敏感領域，安全問題也愈發(fā)重要，相關問題也日趨
凸顯，這就迫切要求無線傳感器網(wǎng)絡提高其自身網(wǎng)絡安全性能
來保障網(wǎng)絡間正常通信。
1 無線網(wǎng)絡傳感器網(wǎng)絡(WSN)架構(gòu)分析
無線網(wǎng)絡傳感器網(wǎng)絡(WSN)是一種特殊獨立的自組織計
算機網(wǎng)絡，由若干部署傳感器節(jié)點(sensor node)、匯聚節(jié)點
(sink node)和網(wǎng)關節(jié)點(Netgate node)通過無線局域網(wǎng)絡、
internet連接到用戶監(jiān)控設備。如圖1所示。
圖1無線網(wǎng)絡傳感器自組織分級網(wǎng)絡架構(gòu)圖
無線傳感器網(wǎng)絡架構(gòu)中：
(1)傳感器節(jié)點(sensor node)：負責環(huán)境數(shù)據(jù)采集和無
線傳輸
(2)匯聚節(jié)點(sink node)：負責數(shù)據(jù)中繼傳輸
(3)網(wǎng)關節(jié)點(netgate node)：負責連通傳感器網(wǎng)絡與互
聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星網(wǎng)絡
(4)數(shù)據(jù)監(jiān)控中心(data monitor center)：負責數(shù)據(jù)統(tǒng)計
分析處理
2無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)安全特點
當無線傳感器網(wǎng)絡被應用于敏感領域時，在保證通信數(shù)據(jù)
完整性的同時，通信數(shù)據(jù)的安全性將會被嚴格要求，以確保通
信數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全可控。
首先，在現(xiàn)實應用部署中，傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點數(shù)量十
分龐大，傳感器節(jié)點尤甚，處于成本以及維護需要，節(jié)點的供
電、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)存儲、傳輸帶寬，傳輸距離等
能力不可避免的會受到一定限制。
其次，無線傳感器網(wǎng)絡采用無線通信方式，所以在無線信
道上先天缺少必要的屏蔽和保護，傳輸數(shù)據(jù)容易被截獲、篡改
或破壞。
第三，由于無線傳感器網(wǎng)絡不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡，點對點的通
信安全機制將不再適用。
最后，某些特定的環(huán)境中，由于地域特殊性，傳感器節(jié)點
有可能被物理損壞。
我們總希望無線傳感器網(wǎng)絡的傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點能做
到最優(yōu)、最簡的資源實現(xiàn)，當在以上網(wǎng)絡特點的基礎上考慮通
信安全問題，必然會增加節(jié)點復雜度，所以需要在兩者之間尋
找相對恰當?shù)钠胶狻?
3無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)安全需求
無線傳感器網(wǎng)絡在通信過程中根據(jù)不同領域或環(huán)境的要求
需要關心某一或某些安全需求點：
(1)數(shù)據(jù)完整性
通信數(shù)據(jù)在無線傳感器網(wǎng)絡的傳輸過程中，要求實體數(shù)據(jù)
不能被改變并保持數(shù)據(jù)收發(fā)端一致性。
(2)數(shù)據(jù)保密性
敏感數(shù)據(jù)在特殊應用領域中要求保證其數(shù)據(jù)私密性，即使
數(shù)據(jù)被非法手段獲取，其內(nèi)容必須呈現(xiàn)不可知性。
(3)數(shù)據(jù)實時性
特殊應用領域要求通信數(shù)據(jù)產(chǎn)生到傳輸結(jié)束具有密切的時
間相關性。
(4)數(shù)據(jù)認證
通信數(shù)據(jù)在接收端點需要被驗證數(shù)據(jù)發(fā)送端的真實有效
性。
(5)消息認證
類似數(shù)據(jù)認證，但驗證的實體是消息。
(6)廣播認證
針對傳輸網(wǎng)絡中節(jié)點一對多類型認證
(7)訪問控制
通過在網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包嵌入消息認證碼(Message
Authentication Code，MAC)來禁止非法網(wǎng)絡節(jié)點訪問。
(8)密鑰管理
無線傳感器網(wǎng)絡中各節(jié)點使用秘鑰進行數(shù)據(jù)加／解密數(shù)據(jù)
包。實際應用中需要參考具體情況采用相應的秘鑰管理機制
(9)路由安全
根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡的實際應用設計、使用可靠的路由協(xié)
議。
4無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)安全分析
源于無線傳感器網(wǎng)絡自身的特性，其在網(wǎng)絡協(xié)議棧的由下
及上每個協(xié)議層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應
用層都有可能受到不同形式攻擊，所以無線傳感器網(wǎng)絡的安全
問題體現(xiàn)在其協(xié)議棧的各個層次中：
4．1物理層
無線傳感器網(wǎng)絡物理層提供無線信號調(diào)制解調(diào)、無線收發(fā)
和加解密服務，通信數(shù)據(jù)是在特定頻率的頻道上進行傳輸，容
易受到以下攻擊：
(1)傳輸信號容易被干擾、阻塞。
(2)很容易被信捕獲工具獲取到無線數(shù)據(jù)信號。
(2)如果沒有有效的數(shù)據(jù)加密機制保證，網(wǎng)絡節(jié)點很容易
被破解并獲取相關權利篡改通信數(shù)據(jù)。
4．2數(shù)據(jù)鏈路層
數(shù)據(jù)鏈路層通過控制協(xié)議對網(wǎng)絡節(jié)點提供可用的數(shù)據(jù)傳輸
通道，負責信道接入、數(shù)據(jù)偵錯、網(wǎng)絡拓撲和媒體介質(zhì)訪問控
制。在MAC協(xié)議中，網(wǎng)絡節(jié)點通過載波監(jiān)聽沖突檢測機制來
萬方數(shù)據(jù)
確認網(wǎng)絡通道中沒有其他近節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)以便占用數(shù)據(jù)傳輸通
道傳輸數(shù)據(jù)，這種載波監(jiān)聽方式十分容易遭到拒絕服務攻擊即
DoS。DoS攻擊會導致網(wǎng)絡長期阻塞，伴隨性能的急劇下降，
甚至會由于網(wǎng)絡擁塞導致停止服務。
4．3網(wǎng)絡層
網(wǎng)絡層負責節(jié)點數(shù)據(jù)路由選擇控制，由于無線傳感器網(wǎng)絡自
身不固定基礎結(jié)構(gòu)，大部分網(wǎng)絡節(jié)點必須具備路由功能以方便局
部相鄰節(jié)點的數(shù)據(jù)可以正確傳輸至目的地。針對具備路由功能的
網(wǎng)絡節(jié)點的攻擊會導致整個網(wǎng)絡的癱瘓。具體的攻擊方式非常多：
(1)虛假路由信息
破解路由節(jié)點后，攻擊者通過篡改、重發(fā)虛假路由信息，
破壞正常網(wǎng)絡節(jié)點路由表，延時甚至破壞數(shù)據(jù)到目的地的傳輸。
(2)選擇性的轉(zhuǎn)發(fā)
被破解節(jié)點收到網(wǎng)路數(shù)據(jù)后，有選擇地丟掉部分或者全部數(shù)
據(jù)信息，破壞數(shù)據(jù)完整性、有效性，該攻擊的一個簡單方法是放
棄轉(zhuǎn)發(fā)所有經(jīng)過其的數(shù)據(jù)包，類似黑洞，所以也叫黑洞攻擊。
(3)污水(sinkhole)攻擊
攻擊者通過聲明特殊信息，引誘區(qū)域內(nèi)網(wǎng)絡節(jié)點選擇一個
惡意節(jié)點或者入侵節(jié)點作為數(shù)據(jù)的路由節(jié)點，篡改通過該節(jié)點
的數(shù)據(jù)，引發(fā)更多其他類型的惡意攻擊。
(4)女巫(sybil)攻擊
在這種攻擊過程中，惡意節(jié)點重復聲明其具備多個身份，
使之具有更高概率被其他節(jié)點選作路由路徑中的節(jié)點，然后和
其他攻擊方法結(jié)合使用，攻擊其他網(wǎng)絡節(jié)點，破壞網(wǎng)絡路由。
sybil攻擊能夠明顯降低路由方案對于諸如拓撲結(jié)構(gòu)、分布結(jié)構(gòu)
的容錯能力，并對地理路由協(xié)議產(chǎn)生重大威脅。
(5)蟲洞(wormholes)攻擊
攻擊者通過聲明低延時鏈路重傳收到的數(shù)據(jù)。常見的形式
是兩個惡意節(jié)點相互串通，合謀進行攻擊。
(6)HELLO洪泛攻擊
部分路由協(xié)議需要傳感器節(jié)點定時發(fā)送HELLO包，以聲
明自己是其他節(jié)點的鄰居節(jié)點。攻擊者使用強信號來發(fā)送
HELLO包，欺騙收到該HELLO報文的節(jié)點誤認其處于發(fā)送者
正常無線傳輸范圍內(nèi)，并試圖獲取相應報文。這將導致網(wǎng)絡陷
入紊亂癱瘓。
4．4傳輸層
傳輸層負責將無線傳感器網(wǎng)絡采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到外部網(wǎng)
絡。管理端到端的連接，洪泛攻擊和分離式同步攻擊是針對傳
輸這個層次的主要攻擊手段。
4．5應用層
應用層主要負責實現(xiàn)數(shù)據(jù)聚集、任務分發(fā)和目標跟蹤多種
服務。應用層的攻擊一般是針這些安全服務的攻擊。
5無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)安全技術
針對無線傳感器網(wǎng)絡中各個層次出現(xiàn)的安全問題，下面綜
合描述了幾種主要安全技術：
5．1入侵檢測技術
入侵檢測可對網(wǎng)絡內(nèi)的節(jié)點行為進行監(jiān)測，辨別惡意節(jié)點。
入侵檢測系統(tǒng)包括入侵檢測、入侵跟蹤以及入侵響應。該系統(tǒng)
預先設定識別股則，當被檢測節(jié)點的行為相悖與檢測規(guī)則或產(chǎn)
生異常行為，會被認為非法入侵節(jié)點，并采取應對措施。
(上接第150頁)
要是通過采用再充電池的方法，對用戶的有效身份數(shù)據(jù)進行保護。
3．3落實數(shù)據(jù)庫技術
大量的數(shù)據(jù)和繁雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是數(shù)據(jù)庫技術的主要特點，其
中，良好的數(shù)據(jù)庫技術是智能電網(wǎng)發(fā)展中的重中之重，數(shù)據(jù)庫技
術在實際應用中占用了很高的比例，并根據(jù)制定好的運行方案，
利用云計算的方法滿足現(xiàn)階段互聯(lián)網(wǎng)對數(shù)據(jù)計算的需求，將這種
途徑與智能電網(wǎng)的運行優(yōu)勢相結(jié)合，建立一個良好的存儲系統(tǒng)，
將實際中的數(shù)據(jù)進行貯存，在使用操作上更具有便捷性。
3．4落實入侵檢測技術
入侵檢測技術最被我們所熟知的應用就是我們電腦中的防
火墻，這種防火墻是一種功能內(nèi)容廣泛的安全檢測手段，這種
入侵檢測系統(tǒng)技術在使用的過程中更加的全面，可以根據(jù)電腦
現(xiàn)階段的運行情況從而對黑客的攻擊和病毒的侵入進行預測，
并有效的開展防范工作，這種工具不需要進行數(shù)據(jù)的收集和信
息的分析就可以進行入侵檢測。
3．5落實安全管理和服務
其中系統(tǒng)的運行、建設，管理等是安全管理的主要內(nèi)容，
5．2安全協(xié)議
sPINS(Security Privacy In Sensor Network)是一種針對無
線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的機密性、完整性、實時性和信息認證的傳
感器網(wǎng)絡安全協(xié)議，該協(xié)議包括兩個子協(xié)議：SNEP(Secure
Network Encrytion Protoc01)提供數(shù)據(jù)機密性、兩個實體間數(shù)據(jù)
認證和數(shù)據(jù)實時性，gTESLA(Timed Efficient Streaming
Loss．tolerant Authentication Protoc01)協(xié)議提供認證的廣播。
5．3安全路由技術
無線傳感器網(wǎng)絡路由設計的目的是降低網(wǎng)絡節(jié)點的資源損
耗，延長網(wǎng)絡壽命，設計安全可靠健壯的路由協(xié)議，從多方面
保證網(wǎng)絡的可靠性，設計時應考慮下列特性：
(1)濾除非法節(jié)點，保障合法節(jié)點數(shù)據(jù)路由和消息轉(zhuǎn)發(fā)
(2)鑒證路由信息來源、以及信息內(nèi)容真?zhèn)?
(3)提高傳感器網(wǎng)絡內(nèi)各種節(jié)點的健壯性、可靠性。
(4)采用可靠地信任管理等機制來保證路由信息傳輸?shù)耐?
整性、安全性。
(5)利用傳感器節(jié)點的冗余特點，備份多路徑，保障數(shù)據(jù)
傳輸成功率。
5．4密鑰管理
密鑰管理是當前無線傳感器網(wǎng)絡中最核心關鍵的安全技
術，必須滿足機密性、完整性、網(wǎng)絡認證、數(shù)據(jù)新鮮性等安全
需求以及可擴展、有效性、自適應、可訪問和抗銷毀性等操作
需求。
密鑰管理一般周期包括密鑰生成、分配、使用、保護存儲、停
用、更新以及銷毀等過程，其按方案機制的特點可分為以下幾類：
(1)對稱密鑰管理和非對稱密鑰管理
(2)分布式密鑰管理和層次式密鑰管理
(3)靜態(tài)密鑰管理和動態(tài)密鑰管理
(4)隨機密鑰管理和確定密鑰管理
5．5密鑰加密技術
密鑰算法主要包括對稱密鑰算法與非對稱密鑰算法，對稱
密鑰算法由于計算量小、代碼短和能耗低的特點，所有更適合
于無線傳感器網(wǎng)絡。
對稱算法主要有Skipjack、RC5、消息認證碼(MAC)以
及Hash算法。如果專注于算法的執(zhí)行效率和更強的安全性，可
以考慮硬件加密。
5．6網(wǎng)絡安全認證技術
認證技術是網(wǎng)絡安全重要組成部分，其通過特定的安全機
制來驗證網(wǎng)絡中各種節(jié)點的合法性(實體認證)和通信數(shù)據(jù)(消
息認證)的正確性。實體認證用于鑒定節(jié)點身份，信息認證用
于確保信息源的合法性以及信息數(shù)據(jù)的完整性。
根據(jù)待認證的主體數(shù)量可分為單向認證、雙向認證以及廣
播認證。認證的具體過程通過各種加密算法來實現(xiàn)。
6結(jié)束語
恰當適合的安全機制對無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展至關重要，
只有保障網(wǎng)絡數(shù)據(jù)在產(chǎn)生、處理、存儲、傳輸?shù)雀鲗哟尉邆渌?
密、準確、有效的前提下，無線傳感器網(wǎng)絡才能被應用于更廣
闊的領域，發(fā)揮更大的作用。
作者簡介：
蘇洪靜(1977一)，男，漢族，研究方向：網(wǎng)絡安全。
智能電網(wǎng)的安全管理主要對運行過程中產(chǎn)生的風險進行預測，
數(shù)據(jù)安全技術給電網(wǎng)的安全管理提供了強有力的支持，最后，
安全服務主要指的是智能電網(wǎng)通信中運營產(chǎn)家的危害性進行評
估，在一定程度上進行檢測，可以根據(jù)個人的要求，來制定符
合需求的安全服務管理模式。
4結(jié)束語
本文以目前我國智能電網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀為研究前提，簡要分
析了通信安全技術的內(nèi)容和研究方向，希望對以后智能電網(wǎng)的
通信安全技術的發(fā)展起到積極的促進作用。
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