無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全問(wèn)題及對(duì)策

1.引言

    無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（WirelessSensorNetwork）是一種自組織網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)大量低成本、資源受限的傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)備協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)某一特定任務(wù)。

    它是信息感知和采集技術(shù)的一場(chǎng)革命，是21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一。它在氣候監(jiān)測(cè)，周邊環(huán)境中的溫度、燈光、濕度等情況的探測(cè)，大氣污染程度的監(jiān)測(cè)，建筑的結(jié)構(gòu)完整性監(jiān)控，家庭環(huán)境的異常情況，機(jī)場(chǎng)或體育館的化學(xué)、生物威脅的檢測(cè)與預(yù)報(bào)等方面，WSN將會(huì)是一個(gè)經(jīng)濟(jì)的替代方案，有著廣泛的應(yīng)用前景。

    傳感器網(wǎng)絡(luò)為在復(fù)雜的環(huán)境中部署大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與處理帶來(lái)了希望。但同時(shí)WSN通常部署在無(wú)人維護(hù)、不可控制的環(huán)境中，除了具有一般無(wú)線網(wǎng)絡(luò)所面臨的信息泄露、信息篡改、重放攻擊、拒絕服務(wù)等多種威脅外，WSN還面臨傳感節(jié)點(diǎn)容易被攻擊者物理操縱，并獲取存儲(chǔ)在傳感節(jié)點(diǎn)中的所有信息，從而控制部分網(wǎng)絡(luò)的威脅。用戶(hù)不可能接受并部署一個(gè)沒(méi)有解決好安全和隱私問(wèn)題的傳感網(wǎng)絡(luò)，因此在進(jìn)行WSN協(xié)議和軟件設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮WSN可能面臨的安全問(wèn)題，并把安全機(jī)制集成到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中去。只有這樣，才能促進(jìn)傳感網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，否則，傳感網(wǎng)絡(luò)只能部署在有限、受控的環(huán)境中，這和傳感網(wǎng)絡(luò)的最終目標(biāo)——實(shí)現(xiàn)普遍性計(jì)算并成為人們生活中的一種重要方式是相違背的。

    一種好的安全機(jī)制設(shè)計(jì)是建立在對(duì)其所面臨的威脅、網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)等的深刻分析基礎(chǔ)之上的，傳感網(wǎng)絡(luò)也不例外，本文將深入分析無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)以及其所可能面臨的安全威脅，并對(duì)其相應(yīng)的安全對(duì)策進(jìn)行了研究和探討。

    2.傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)分析

    WSN是一種大規(guī)模的分布式網(wǎng)絡(luò)，常部署于無(wú)人維護(hù)、條件惡劣的環(huán)境當(dāng)中，且大多數(shù)情況下傳感節(jié)點(diǎn)都是一次性使用，從而決定了傳感節(jié)點(diǎn)是價(jià)格低廉、資源極度受限的無(wú)線通信設(shè)備[2]，它的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:（1）能量有限:能量是限制傳感節(jié)點(diǎn)能力、壽命的最主要的約束性條件，現(xiàn)有的傳感節(jié)點(diǎn)都是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的AAA或AA電池進(jìn)行供電，并且不能重新充電。（2）計(jì)算能力有限:傳感節(jié)點(diǎn)CPU一般只具有8bit、4MHz～8MHz的處理能力。（3）存儲(chǔ)能力有限:傳感節(jié)點(diǎn)一般包括三種形式的存儲(chǔ)器即RAM、程序存儲(chǔ)器、工作存儲(chǔ)器。RAM用于存放工作時(shí)的臨時(shí)數(shù)據(jù)，一般不超過(guò)2k字節(jié);程序存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序以及安全函數(shù)等，工作存儲(chǔ)器用于存放獲取的傳感信息，這兩種存儲(chǔ)器一般也只有幾十k字節(jié)。（4）通信范圍有限:為了節(jié)約信號(hào)傳輸時(shí)的能量消耗，傳感節(jié)點(diǎn)的RF模塊的傳輸能量一般為10mW到100mW之間，傳輸?shù)姆秶簿窒抻?00米到1公里之內(nèi)。（5）防篡改性:傳感節(jié)點(diǎn)是一種價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)松散、開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，攻擊者一旦獲取傳感節(jié)點(diǎn)就很容易獲得和修改存儲(chǔ)在傳感節(jié)點(diǎn)中的密鑰信息以及程序代碼等。

    另外，大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)在進(jìn)行部署前，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫菬o(wú)法預(yù)知的，同時(shí)部署后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、傳感?jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的角色也是經(jīng)常變化的，因而不像有線網(wǎng)、大部分無(wú)線網(wǎng)絡(luò)那樣對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行完全配置，對(duì)傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)配置的范圍是有限的，很多網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、密鑰等都是傳感節(jié)點(diǎn)在部署后進(jìn)行協(xié)商后形成的。

    根據(jù)以上無(wú)線傳感器特點(diǎn)分析可知，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)易于遭受傳感節(jié)點(diǎn)的物理操縱、傳感信息的竊聽(tīng)、拒絕服務(wù)攻擊、私有信息的泄露等多種威脅和攻擊。下面將根據(jù)WSN的特點(diǎn)，對(duì)WSN所面臨的潛在安全威脅進(jìn)行分類(lèi)描述與對(duì)策探討。

    3.威脅分析與對(duì)策

    3.1傳感節(jié)點(diǎn)的物理操縱

    未來(lái)的傳感器網(wǎng)絡(luò)一般有成百上千個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)，很難對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控和保護(hù)，因而每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)潛在的攻擊點(diǎn)，都能被攻擊者進(jìn)行物理和邏輯攻擊。另外，傳感器通常部署在無(wú)人維護(hù)的環(huán)境當(dāng)中，這更加方便了攻擊者捕獲傳感節(jié)點(diǎn)。當(dāng)捕獲了傳感節(jié)點(diǎn)后，攻擊者就可以通過(guò)編程接口（JTAG接口），修改或獲取傳感節(jié)點(diǎn)中的信息或代碼，根據(jù)文獻(xiàn)[3]分析，攻擊者可利用簡(jiǎn)單的工具（計(jì)算機(jī)、UISP自由軟件）在不到一分鐘的時(shí)間內(nèi)就可以把EEPROM、Flash和SRAM中的所有信息傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，通過(guò)匯編軟件，可很方便地把獲取的信息轉(zhuǎn)換成匯編文件格式，從而分析出傳感節(jié)點(diǎn)所存儲(chǔ)的程序代碼、路由協(xié)議及密鑰等機(jī)密信息，同時(shí)還可以修改程序代碼，并加載到傳感節(jié)點(diǎn)中。

    很顯然，目前通用的傳感節(jié)點(diǎn)具有很大的安全漏洞，攻擊者通過(guò)此漏洞，可方便地獲取傳感節(jié)點(diǎn)中的機(jī)密信息、修改傳感節(jié)點(diǎn)中的程序代碼，如使得傳感節(jié)點(diǎn)具有多個(gè)身份ID，從而以多個(gè)身份在傳感器網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行通信，另外，攻擊還可以通過(guò)獲取存儲(chǔ)在傳感節(jié)點(diǎn)中的密鑰、代碼等信息進(jìn)行，從而偽造或偽裝成合法節(jié)點(diǎn)加入到傳感網(wǎng)絡(luò)中。一旦控制了傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一部分節(jié)點(diǎn)后，攻擊者就可以發(fā)動(dòng)很多種攻擊，如監(jiān)聽(tīng)傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)男畔ⅲ騻鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)中發(fā)布假的路由信息或傳送假的傳感信息、進(jìn)行拒絕服務(wù)攻擊等。

    對(duì)策:由于傳感節(jié)點(diǎn)容易被物理操縱是傳感器網(wǎng)絡(luò)不可回避的安全問(wèn)題，必須通過(guò)其它的技術(shù)方案來(lái)提高傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性能。如在通信前進(jìn)行節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)的身份認(rèn)證;設(shè)計(jì)新的密鑰協(xié)商方案，使得即使有一小部分節(jié)點(diǎn)被操縱后，攻擊者也不能或很難從獲取的節(jié)點(diǎn)信息推導(dǎo)出其它節(jié)點(diǎn)的密鑰信息等。另外，還可以通過(guò)對(duì)傳感節(jié)點(diǎn)軟件的合法性進(jìn)行認(rèn)證等措施來(lái)提高節(jié)點(diǎn)本身的安全性能。

    3.2信息竊聽(tīng)

    根據(jù)無(wú)線傳播和網(wǎng)絡(luò)部署特點(diǎn)，攻擊者很容易通過(guò)節(jié)點(diǎn)間的傳輸而獲得敏感或者私有的信息，如:在通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控室內(nèi)溫度和燈光的場(chǎng)景中，部署在室外的無(wú)線接收器可以獲取室內(nèi)傳感器發(fā)送過(guò)來(lái)的溫度和燈光信息;同樣攻擊者通過(guò)監(jiān)聽(tīng)室內(nèi)和室外節(jié)點(diǎn)間信息的傳輸，也可以獲知室內(nèi)信息，從而揭露出房屋主人的生活習(xí)性。

    對(duì)策:對(duì)傳輸信息加密可以解決竊聽(tīng)問(wèn)題，但需要一個(gè)靈活、強(qiáng)健的密鑰交換和管理方案，密鑰管理方案必須容易部署而且適合傳感節(jié)點(diǎn)資源有限的特點(diǎn)，另外，密鑰管理方案還必須保證當(dāng)部分節(jié)點(diǎn)被操縱后（這樣，攻擊者就可以獲取存儲(chǔ)在這個(gè)節(jié)點(diǎn)中的生成會(huì)話密鑰的信息），不會(huì)破壞整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的安全性。由于傳感節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存資源有限，使得在傳感器網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)大多數(shù)節(jié)點(diǎn)間端到端安全不切實(shí)際。然而在傳感器網(wǎng)絡(luò)中可以實(shí)現(xiàn)跳-跳之間的信息的加密，這樣傳感節(jié)點(diǎn)只要與鄰居節(jié)點(diǎn)共享密鑰就可以了。在這種情況下，即使攻擊者捕獲了一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，也只是影響相鄰節(jié)點(diǎn)間的安全。但當(dāng)攻擊者通過(guò)操縱節(jié)點(diǎn)發(fā)送虛假路由消息，就會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的路由拓?fù)洹＝鉀Q這種問(wèn)題的辦法是具有魯棒性的路由協(xié)議，另外一種方法是多路徑路由，通過(guò)多個(gè)路徑傳輸部分信息，并在目的地進(jìn)行重組。

    3.3私有性問(wèn)題

    傳感器網(wǎng)絡(luò)是用于收集信息作為主要目的的，攻擊者可以通過(guò)竊聽(tīng)、加入偽造的非法節(jié)點(diǎn)等方式獲取這些敏感信息，如果攻擊者知道怎樣從多路信息中獲取有限信息的相關(guān)算法，那么攻擊者就可以通過(guò)大量獲取的信息導(dǎo)出有效信息。一般傳感器中的私有性問(wèn)題，并不是通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)去獲取不大可能收集到的信息，而是攻擊者通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)聽(tīng)WSN，從而獲得大量的信息，并根據(jù)特定算法分析出其中的私有性問(wèn)題。因此攻擊者并不需要物理接觸傳感節(jié)點(diǎn)，是一種低風(fēng)險(xiǎn)、匿名的獲得私有信息方式。遠(yuǎn)程監(jiān)聽(tīng)還可以使單個(gè)攻擊者同時(shí)獲取多個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸?shù)男畔ⅰ?

    對(duì)策:保證網(wǎng)絡(luò)中的傳感信息只有可信實(shí)體才可以訪問(wèn)是保證私有性問(wèn)題的最好方法，這可通過(guò)數(shù)據(jù)加密和訪問(wèn)控制來(lái)實(shí)現(xiàn);另外一種方法是限制網(wǎng)絡(luò)所發(fā)送信息的粒度，因?yàn)樾畔⒃皆敿?xì)，越有可能泄露私有性，比如，一個(gè)簇節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)對(duì)從相鄰節(jié)點(diǎn)接收到的大量信息進(jìn)行匯集處理，并只傳送處理結(jié)果，從而達(dá)到數(shù)據(jù)匿名化。

    3.4拒絕服務(wù)攻擊（DOS）

    DOS攻擊主要用于破壞網(wǎng)絡(luò)的可用性，減少、降低執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)執(zhí)行某一期望功能能力的任何事件。如試圖中斷、顛覆或毀壞傳感網(wǎng)絡(luò)，另外還包括硬件失敗、軟件bug、資源耗盡、環(huán)境條件等[4]。這里我們主要考慮協(xié)議和設(shè)計(jì)層面的漏洞。確定一個(gè)錯(cuò)誤或一系列錯(cuò)誤是否是有意DOS攻擊造成的，是很困難的，特別是在大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)中，因?yàn)榇藭r(shí)傳感網(wǎng)絡(luò)本身就具有比較高的單個(gè)節(jié)點(diǎn)失效率。

    DOS攻擊可以發(fā)生在物理層，如信道阻塞，這可能包括在網(wǎng)絡(luò)中惡意干擾網(wǎng)絡(luò)中協(xié)議的傳送或者物理?yè)p害傳感節(jié)點(diǎn)。攻擊者還可以發(fā)起快速消耗傳感節(jié)點(diǎn)能量的攻擊，比如，向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)連續(xù)發(fā)送大量無(wú)用信息，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)就會(huì)消耗能量處理這些信息，并把這些信息傳送給其它節(jié)點(diǎn)。如果攻擊者捕獲了傳感節(jié)點(diǎn)，那么他還可以偽造或偽裝成合法節(jié)點(diǎn)發(fā)起這些DOS攻擊，比如，它可以產(chǎn)生循環(huán)路由，從而耗盡這個(gè)循環(huán)中節(jié)點(diǎn)的能量。防御DOS攻擊的方法沒(méi)有一個(gè)固定的方法，它隨著攻擊者攻擊方法的不同而不同。一些跳頻和擴(kuò)頻技術(shù)可以用來(lái)減輕網(wǎng)絡(luò)堵塞問(wèn)題。恰當(dāng)?shù)恼J(rèn)證可以防止在網(wǎng)絡(luò)中插入無(wú)用信息，然而，這些協(xié)議必須十分有效，否則它也會(huì)被用來(lái)當(dāng)作DOS攻擊的手段。比如，使用基于非對(duì)稱(chēng)密碼機(jī)制的數(shù)字簽名可以用來(lái)進(jìn)行信息認(rèn)證，但是創(chuàng)建和驗(yàn)證簽名是一個(gè)計(jì)算速度慢、能量消耗大的計(jì)算，攻擊者可以在網(wǎng)絡(luò)中引入大量的這種信息，就會(huì)有效地實(shí)施DOS攻擊。

    4.總結(jié)

    安全是一個(gè)好的傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題，沒(méi)有足夠的保護(hù)機(jī)密性、私有性、完整性以及防御DOS和其它攻擊的措施，傳感網(wǎng)絡(luò)就不能得到廣泛的應(yīng)用，它只能在有限的、受控的環(huán)境中得到實(shí)施，這會(huì)嚴(yán)重影響傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景。另外，在考慮傳感網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題和選擇對(duì)應(yīng)安全機(jī)制的時(shí)候，必須在協(xié)議和軟件的設(shè)計(jì)階段就根據(jù)網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)合等綜合進(jìn)行設(shè)計(jì)，試圖在事后增加系統(tǒng)的安全功能通常被證明為不成功或功能較弱的。

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