無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性研究

惡意節(jié)點在接收到一個數(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)點將收到的數(shù)據(jù)包全部轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)中的某一個固定節(jié)點，該節(jié)點可能會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)。對于層次式路由協(xié)議，可以使用輸出過濾的方法，即對源路由進行認證，確認一個數(shù)據(jù)包是否是從它的合法子節(jié)點發(fā)送過來的，直接丟棄不能認證的數(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)包不能到達目的節(jié)點。另外惡意節(jié)點也可能將自己的數(shù)據(jù)包以很高的優(yōu)先級發(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問題。即使惡意節(jié)點丟棄了數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包仍然可以通過其它的路徑到達到目的節(jié)點。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)能力強的特點吸引一個特定區(qū)域的幾乎所有流量，創(chuàng)建一個以攻擊者為中心的槽洞?；诰嚯x向量的路由機制通過計算路徑長短進行路由選擇，這樣收發(fā)能力強的惡意節(jié)點通過發(fā)送0距離（表明自己到達目標節(jié)點的距離為0）公告，吸引周圍節(jié)點所有的數(shù)據(jù)包，在網(wǎng)絡(luò)中形成一個路由黑洞，使數(shù)據(jù)包不能到達正確的目標節(jié)點。

黑洞攻擊破壞性大，但較易被感知。通過認證、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，一個節(jié)點以多個身份出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中的其它節(jié)點面前，使其更易于成為路由路徑中的節(jié)點，然后與其他攻擊方法結(jié)合達到攻擊目的。Sybil攻擊能夠明顯地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(jié)構(gòu)保持的容錯能力。它對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識的包選路，通常要求節(jié)點與它們的鄰居交換坐標信息。一個節(jié)點對于相鄰節(jié)點來說應(yīng)該只有唯一的一組合理坐標，但攻擊者可以同時處在不同的坐標上。

對抗Sybil攻擊，通常采用基于密鑰分配、加密和身份認證等方法。

5．Wormholes攻擊

Wormholes攻擊通常需要兩個惡意節(jié)點互相串通，合謀攻擊。一個惡意節(jié)點在基站附近，另一個離基站較遠。較遠的節(jié)點聲稱自己和基站附近的節(jié)點可以建立低時延高帶寬的鏈路，吸引周圍節(jié)點的數(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)合的時候，通常很難探測出。

在路由設(shè)計中加入安全等級策略可對抗wormholes攻擊。文獻[5]中給出了Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)計中添加安全等級的方法，可對之稍作改進，采用基站來完成監(jiān)聽和檢測下一個節(jié)點信道的任務(wù)。改進后的路由協(xié)議可對抗sinkhole和wormhole攻擊?；诘乩砦恢妙惖穆酚蓞f(xié)議，如Greedy Perimeter Stateless Routing[6]，通過定期廣播探測幀來檢測黑洞區(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)點認為其是鄰居節(jié)點，實際上卻相距甚遠。如其他節(jié)點以普通的發(fā)射功率向它發(fā)送數(shù)據(jù)包，則根本到達不了目的地，從而造成網(wǎng)絡(luò)混亂。

在路由設(shè)計中加入廣播半徑的限制可對抗HELLO flood。限制節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送半徑，使它只能對這個半徑區(qū)域內(nèi)的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，而不是對全網(wǎng)廣播，避免高能的攻擊者在整個網(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WSN的安全機制提供了安全支撐。

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

基于多項式的預(yù)配置方案。由C Blundo等人提出 [7]，能有效地抵御節(jié)點被捕獲，擴展性強，但計算開銷大，也不支持鄰居節(jié)點的身份認證。

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

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，但由于傳感器網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點自身的一些限制，給它的安全性設(shè)計帶來新的挑戰(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)新點在于從WSN協(xié)議棧的不同層次上探討了安全性問題，對物理層的擁塞攻擊提出了擴頻的方法，以及完善傳感器節(jié)點以對抗物理破壞。鏈路層的DOS攻擊，可采用糾錯碼、訪問控制和限制重傳等抵御方法。網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議中增加安全機制，可采用層次路由、多徑傳輸、安全等級和廣播半徑限制等方法。密鑰管理和安全組播為整個WSN提供了安全支撐