無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性研究

惡意節(jié)點(diǎn)在接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包后，除了丟棄該數(shù)據(jù)包外，還可能通過修改源和目的地址，選擇一條錯(cuò)誤的路徑發(fā)送出去，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的路由的混亂。如果惡意的節(jié)點(diǎn)將收到的數(shù)據(jù)包全部轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)中的某一個(gè)固定節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)可能會(huì)通信阻塞和能量耗盡而失效。

這種攻擊方式與網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議相關(guān)。對(duì)于層次式路由協(xié)議，可以使用輸出過濾的方法，即對(duì)源路由進(jìn)行認(rèn)證，確認(rèn)一個(gè)數(shù)據(jù)包是否是從它的合法子節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的，直接丟棄不能認(rèn)證的數(shù)據(jù)包。

2．選擇性轉(zhuǎn)發(fā)/不轉(zhuǎn)發(fā)

惡意節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包過程中丟棄部分或全部數(shù)據(jù)包，使得數(shù)據(jù)包不能到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。另外惡意節(jié)點(diǎn)也可能將自己的數(shù)據(jù)包以很高的優(yōu)先級(jí)發(fā)送，破壞網(wǎng)絡(luò)通信秩序。

通常采用多徑路由來解決這個(gè)問題。即使惡意節(jié)點(diǎn)丟棄了數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包仍然可以通過其它的路徑到達(dá)到目的節(jié)點(diǎn)。雖然多徑路由方式增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，但是也引入了新的安全問題。

3．貪婪轉(zhuǎn)發(fā)

即黑洞（sinkhole）攻擊。攻擊者利用收發(fā)能力強(qiáng)的特點(diǎn)吸引一個(gè)特定區(qū)域的幾乎所有流量，創(chuàng)建一個(gè)以攻擊者為中心的槽洞?；诰嚯x向量的路由機(jī)制通過計(jì)算路徑長(zhǎng)短進(jìn)行路由選擇，這樣收發(fā)能力強(qiáng)的惡意節(jié)點(diǎn)通過發(fā)送0距離（表明自己到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離為0）公告，吸引周圍節(jié)點(diǎn)所有的數(shù)據(jù)包，在網(wǎng)絡(luò)中形成一個(gè)路由黑洞，使數(shù)據(jù)包不能到達(dá)正確的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。

黑洞攻擊破壞性大，但較易被感知。通過認(rèn)證、多路徑路由等方法可以抵御黑洞攻擊。

4．Sybil攻擊[4]

在Sybil攻擊中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)以多個(gè)身份出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中的其它節(jié)點(diǎn)面前，使其更易于成為路由路徑中的節(jié)點(diǎn)，然后與其他攻擊方法結(jié)合達(dá)到攻擊目的。Sybil攻擊能夠明顯地降低路由方案對(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。它對(duì)于基于位置信息的路由協(xié)議構(gòu)成很大的威脅。這類位置敏感的路由為了高效地為用地理地址標(biāo)識(shí)的包選路，通常要求節(jié)點(diǎn)與它們的鄰居交換坐標(biāo)信息。一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)于相鄰節(jié)點(diǎn)來說應(yīng)該只有唯一的一組合理坐標(biāo)，但攻擊者可以同時(shí)處在不同的坐標(biāo)上。

對(duì)抗Sybil攻擊，通常采用基于密鑰分配、加密和身份認(rèn)證等方法。

5．Wormholes攻擊

Wormholes攻擊通常需要兩個(gè)惡意節(jié)點(diǎn)互相串通，合謀攻擊。一個(gè)惡意節(jié)點(diǎn)在基站附近，另一個(gè)離基站較遠(yuǎn)。較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)聲稱自己和基站附近的節(jié)點(diǎn)可以建立低時(shí)延高帶寬的鏈路，吸引周圍節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包。Wormholes攻擊很可能與選擇性轉(zhuǎn)發(fā)或Sybil攻擊相結(jié)合。當(dāng)它與Sybil攻擊相結(jié)合的時(shí)候，通常很難探測(cè)出。

在路由設(shè)計(jì)中加入安全等級(jí)策略可對(duì)抗wormholes攻擊。文獻(xiàn)[5]中給出了Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)計(jì)中添加安全等級(jí)的方法，可對(duì)之稍作改進(jìn)，采用基站來完成監(jiān)聽和檢測(cè)下一個(gè)節(jié)點(diǎn)信道的任務(wù)。改進(jìn)后的路由協(xié)議可對(duì)抗sinkhole和wormhole攻擊。基于地理位置類的路由協(xié)議，如Greedy Perimeter Stateless Routing[6]，通過定期廣播探測(cè)幀來檢測(cè)黑洞區(qū)域，可有效地發(fā)現(xiàn)和抵御sinkhole攻擊和wormholes攻擊。

6．HELLO flood

很多路由協(xié)議需要節(jié)點(diǎn)定時(shí)發(fā)送HELLO包，以聲明自己是其他節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)。攻擊者用足夠大的發(fā)射功率廣播HELLO包，使得網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)認(rèn)為其是鄰居節(jié)點(diǎn)，實(shí)際上卻相距甚遠(yuǎn)。如其他節(jié)點(diǎn)以普通的發(fā)射功率向它發(fā)送數(shù)據(jù)包，則根本到達(dá)不了目的地，從而造成網(wǎng)絡(luò)混亂。

在路由設(shè)計(jì)中加入廣播半徑的限制可對(duì)抗HELLO flood。限制節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送半徑，使它只能對(duì)這個(gè)半徑區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，而不是對(duì)全網(wǎng)廣播，避免高能的攻擊者在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域不斷發(fā)送數(shù)據(jù)包，使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不停地處理這些數(shù)據(jù)，造成DOS和能源耗盡攻擊。

2．4 傳輸層

傳輸層用于建立WSN與Internet或者其他外部網(wǎng)絡(luò)的端到端的連接。目前在WSN大多數(shù)應(yīng)用中，都沒有對(duì)于傳輸層的需求，傳輸層協(xié)議一般采用傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

2．5 應(yīng)用層

應(yīng)用層提供了WSN的各種實(shí)際應(yīng)用，因此也面臨各種安全問題。密鑰管理和安全組播為整個(gè)WSN的安全機(jī)制提供了安全支撐。

WSN中采用對(duì)稱加密算法、低能耗的認(rèn)證機(jī)制和hash函數(shù)。目前普遍認(rèn)為可行的密鑰分配方案是預(yù)分配，即在節(jié)點(diǎn)在部署之前，將密鑰預(yù)先配置在節(jié)點(diǎn)中。實(shí)現(xiàn)方法有多種：
基于密鑰池的預(yù)配置方案。每個(gè)節(jié)點(diǎn)在部署前，從事先生成的密鑰池中隨機(jī)選取一定數(shù)目的密鑰子集，節(jié)點(diǎn)部署到指定區(qū)域后，只與具有相同密鑰的節(jié)點(diǎn)通信。

基于多項(xiàng)式的預(yù)配置方案。由C Blundo等人提出 [7]，能有效地抵御節(jié)點(diǎn)被捕獲，擴(kuò)展性強(qiáng)，但計(jì)算開銷大，也不支持鄰居節(jié)點(diǎn)的身份認(rèn)證。

利用節(jié)點(diǎn)部署信息的預(yù)配置方案。文獻(xiàn)[8,9]均是將節(jié)點(diǎn)按照地理位置關(guān)系分組，給處于相同組或是相鄰組的節(jié)點(diǎn)之間分配共享密鑰，使節(jié)點(diǎn)的分組模式和查詢更符合節(jié)點(diǎn)廣播特征，提高密鑰利用率，減少了密鑰分配和維護(hù)代價(jià)。

4 結(jié)論

作為一種新的信息獲取和處理技術(shù)，WSN在某些領(lǐng)域有著傳統(tǒng)技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢(shì)，但由于傳感器網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)自身的一些限制，給它的安全性設(shè)計(jì)帶來新的挑戰(zhàn)。高效加密算法、安全的MAC協(xié)議和路由協(xié)議以及密鑰管理和安全組播等都是值得深入研究的領(lǐng)域。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)在于從WSN協(xié)議棧的不同層次上探討了安全性問題，對(duì)物理層的擁塞攻擊提出了擴(kuò)頻的方法，以及完善傳感器節(jié)點(diǎn)以對(duì)抗物理破壞。鏈路層的DOS攻擊，可采用糾錯(cuò)碼、訪問控制和限制重傳等抵御方法。網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議中增加安全機(jī)制，可采用層次路由、多徑傳輸、安全等級(jí)和廣播半徑限制等方法。密鑰管理和安全組播為整個(gè)WSN提供了安全支撐