物聯(lián)網(wǎng)中無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的安全技術(shù)
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1．2 WSN的網(wǎng)絡(luò )特征
為了使WSN成為物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)內在組成部分，通常需要考慮各種挑戰，包括從適應現有的互聯(lián)網(wǎng)標準到互操作的協(xié)議創(chuàng )造和發(fā)展以及支持機制等。其中的挑戰之一就是安全性，主要是因為WSN不能夠直接適用于現有以Internet為中心的安全機制。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )有其固有特性。
(1)資源更有限。由于受價(jià)格、體積和功耗的限制，其計算能力比普通的計算機功能要弱很多。
(2)網(wǎng)絡(luò )規模更大，覆蓋更廣。為了獲得精確的信息，通常會(huì )在被監測區域部署大量的傳感器節點(diǎn)，傳感器節點(diǎn)的數量數以萬(wàn)計，節點(diǎn)的分布更加密集。
(3)網(wǎng)絡(luò )自組。網(wǎng)絡(luò )的布設和展開(kāi)不依賴(lài)于預設的網(wǎng)絡(luò )設施，節點(diǎn)通過(guò)分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調各自的行為，自動(dòng)組成一個(gè)獨立的網(wǎng)絡(luò )。
(4)能量更有限。由于受到硬件條件的影響，無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)一般采用電池供電，電源能量更加有限，因此，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的通信距離更短，通常只有幾十米。
(5)干擾更強。相對于傳統網(wǎng)絡(luò )，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的工作環(huán)境更加惡劣，再加上傳感器節點(diǎn)分布更加密集，其環(huán)境噪聲干擾和節點(diǎn)之間的干擾更強。
(6)多跳路由。網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)的通信距離有限，節點(diǎn)只能與它的鄰節點(diǎn)直接通信。如果希望與其傳輸覆蓋范圍之外的節點(diǎn)進(jìn)行通信，就需要通過(guò)多跳路由進(jìn)行通信。多跳路由是由普通網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)完成的，沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的路由設備。因此，網(wǎng)絡(luò )中的每個(gè)節點(diǎn)，既是終端又是路由器。
(7)動(dòng)態(tài)拓撲。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )拓撲結構會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移發(fā)生改變，主要是因為節點(diǎn)可能會(huì )因故障失效。由于監測區域的變化，新節點(diǎn)會(huì )添加到現有的網(wǎng)絡(luò )中，因此，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具有動(dòng)態(tài)拓撲重構功能。
(8)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是一個(gè)以數據為中心的網(wǎng)絡(luò )。它不像傳統的網(wǎng)絡(luò )那樣以連接為中心，而是以數據為中心的網(wǎng)絡(luò )，因此，需要節點(diǎn)進(jìn)行數據聚合、融合、緩存和壓縮等處理。
2 WSN各層主要面臨的安全挑戰
WSN的協(xié)議棧包括物理層、數據鏈路層、網(wǎng)絡(luò )層、傳輸層和應用層，與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧的五層協(xié)議相對應。WSN面臨的安全問(wèn)題也就是協(xié)議棧中各層面臨的問(wèn)題。
2．1 物理層
物理層主要負責載波頻率的產(chǎn)生、信號的調制和解調等工作。物理層中的安全問(wèn)題主要是干擾攻擊和節點(diǎn)俘獲。干擾攻擊是指干擾WSN中節點(diǎn)所使用的無(wú)線(xiàn)電頻率。節點(diǎn)俘獲是指攻擊者捕獲節點(diǎn)，知道節點(diǎn)上所保存的任何信息，從而代替這個(gè)節點(diǎn)進(jìn)行通信。
2．2 數據鏈路層
數據鏈路層主要負責媒體訪(fǎng)問(wèn)和錯誤控制。在介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制協(xié)議中，節點(diǎn)通過(guò)監測鄰近節點(diǎn)是否發(fā)送數據來(lái)確定自身是否能訪(fǎng)問(wèn)通信信道，這種載波監聽(tīng)的方式容易遭到拒絕服務(wù)攻擊(DoS)。DoS是指當存在網(wǎng)絡(luò )流量沖擊或者外界惡意攻擊時(shí)，可能產(chǎn)生“雪崩”效應，此時(shí)網(wǎng)絡(luò )性能急劇下降，甚至會(huì )由于網(wǎng)絡(luò )擁塞導致停止服務(wù)。
2．3 網(wǎng)絡(luò )層
網(wǎng)絡(luò )層主要負責路由的發(fā)現和維護，是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的重要因素。針對路由的攻擊可能導致整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的癱瘓。針對網(wǎng)絡(luò )層的攻擊方式有偽造路由信息、選擇性轉發(fā)、黑洞攻擊和Sybil攻擊。
2．4 傳輸層
傳輸層主要負責將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )采集的數據提供給外部網(wǎng)絡(luò )。泛洪攻擊和異步攻擊是針對這個(gè)層次的主要攻擊手段。
2．5 應用層
應用層主要負責實(shí)現特定應用所需的功能，如將采集的數據進(jìn)行融合處理及其他應用任務(wù)。應對這個(gè)層的攻擊一般可根據具體任務(wù)而定。
3 WSN中的安全技術(shù)
面對WSN中出現的種種安全問(wèn)題，主要可采用以下幾種技術(shù)予以解決：
(1)入侵檢測技術(shù)。入侵檢測可對網(wǎng)內的節點(diǎn)行為進(jìn)行監測，及時(shí)發(fā)現可疑節點(diǎn)行為。入侵檢測系統基于一個(gè)合理假設：惡意節點(diǎn)的行為與網(wǎng)內其它節點(diǎn)存在明顯的不同，以至于入侵檢測系統可以根據預先設定規則將其識別出來(lái)。
(2)干擾控制。干擾控制用于對付無(wú)線(xiàn)電干擾攻擊。由于敵人無(wú)法進(jìn)行長(cháng)期持續的全頻攻擊，所以，通信節點(diǎn)可以采取跳頻傳輸和擴頻傳輸的方法來(lái)解決信號干擾攻擊。
(3)安全路由。根據不同應用的特點(diǎn)，制定合適的安全路由協(xié)議，以保證數據安全地到達目標節點(diǎn)，同時(shí)盡可能少地消耗節點(diǎn)資源。安全路由技術(shù)中廣泛采用SPINS安全框架協(xié)議，包括SNEP協(xié)議和μTESLA協(xié)議，其中SNEP協(xié)議用以實(shí)現通信的機密性、完整性、新鮮性和點(diǎn)到點(diǎn)的認證，μTESLA協(xié)議用以實(shí)現點(diǎn)到多點(diǎn)的廣播認證。
(4)密鑰管理。密鑰管理是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )關(guān)鍵安全技術(shù)的核心，主要有四種密鑰分布協(xié)議：簡(jiǎn)單密鑰分布協(xié)議、密鑰預分布協(xié)議、動(dòng)態(tài)密鑰管理協(xié)議、分層密鑰管理協(xié)議。簡(jiǎn)單密鑰分布協(xié)議網(wǎng)內所有節點(diǎn)都保存同一個(gè)密鑰用于數據的加解密，其內存需求是所有密鑰管理協(xié)議中最低的，但是它的安全性也最低。密鑰預分布協(xié)議中的節點(diǎn)在被部署到監控區域前，將被預先載入一些密鑰。當節點(diǎn)被部署好后，傳感器節點(diǎn)通過(guò)執行共享密鑰發(fā)現過(guò)程來(lái)為安全鏈路的形成建立共享密鑰。動(dòng)態(tài)密鑰管理協(xié)議可以根據用戶(hù)要求周期性地改變節點(diǎn)的管理密鑰，使用動(dòng)態(tài)密鑰管理協(xié)議可以改善網(wǎng)絡(luò )面臨攻擊時(shí)的生存性。分層密鑰管理協(xié)議采用LEAP協(xié)議，是一種典型的確定性密鑰管理技術(shù)，使用的是多種密鑰機制。LEAP在每個(gè)節點(diǎn)上維護四個(gè)密鑰：分別是基站單獨共享的身份密鑰(預分布)、網(wǎng)內節點(diǎn)共享的組密鑰(預分布)、鄰居節點(diǎn)共享的鄰居密鑰以及簇頭共享的簇頭密鑰。
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