基于分簇的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )安全路由協(xié)議研究

摘要：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(Wireless Sensor Networks，簡(jiǎn)稱(chēng)WSNs)作為一種新的獲取信息的方式和處理模式，已成為通信領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。而路由協(xié)議則是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )當前的熱點(diǎn)研究之一。目前，針對較為典型的分簇式路由協(xié)議LEACH路由協(xié)議的研究，是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。介紹了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議常見(jiàn)的攻擊類(lèi)型，并從路由安全的角度建議性的提出了一種對LEACH路由協(xié)議針對安全性的改進(jìn)方案，并應用NS2仿真平臺，對改進(jìn)協(xié)議做了仿真并進(jìn)行了性能分析。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；分簇式路由協(xié)議；LEACH；路由安全

路由協(xié)議屬于通信協(xié)議簇的底層協(xié)議，決定通信流量在網(wǎng)絡(luò )上的分布，并極大地影響了網(wǎng)絡(luò )的生存時(shí)間。所以，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的可用性和安全性會(huì )被資源受限和各種網(wǎng)絡(luò )攻擊所直接影響。尤其是路由協(xié)議的攻擊，是很容易導致整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的癱瘓。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的安全研究目前還十分有限，現有的Ad hoc網(wǎng)絡(luò )的安全機制被借用到許多無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的安全中，但是，大多數無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )環(huán)境是沒(méi)辦法直接使用Adhoc網(wǎng)絡(luò )的安全協(xié)議的。所以，在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的所有安全問(wèn)題中，至關(guān)重要的環(huán)節和關(guān)鍵技術(shù)就是路由的安全。

1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議常見(jiàn)攻擊類(lèi)型
(1)欺騙、改變或重放路由信息攻擊：攻擊鎖定節點(diǎn)間交換的路由信息，通過(guò)篡改、偽造或重放路由信息來(lái)進(jìn)行攻擊。
(2)選擇性轉發(fā)攻擊：惡意節點(diǎn)在收到數據包時(shí)，部分轉發(fā)或根本不轉發(fā)收到的數據包，導致數據包不能順利到達目的地。
(3)女巫攻擊：女巫攻擊(Sybil)的方式是，惡意節點(diǎn)冒充多個(gè)節點(diǎn)，它可以聲稱(chēng)自己具有多個(gè)身份，甚至可以隨意產(chǎn)生多個(gè)虛假身份，從而利用這些身份來(lái)非法獲取信息并實(shí)施攻擊。
(4)陷洞攻擊：在陷洞攻擊(Sinkhole)中，攻擊者的目標是通過(guò)已被攻擊者控制的被俘獲節點(diǎn)，或者吸引特定區域的幾乎所有的數據流通過(guò)一個(gè)己經(jīng)受到入侵的節點(diǎn)，產(chǎn)生以該節點(diǎn)為中心的一個(gè)Sinkhole。
(5)蟲(chóng)洞攻擊：蟲(chóng)洞攻擊(Wormhole)通常需要兩個(gè)惡意節點(diǎn)相互串通，合謀進(jìn)行攻擊。一個(gè)惡意節點(diǎn)位于基站附近，而另一個(gè)惡意節點(diǎn)距離基站較遠。較遠的惡意節點(diǎn)廣播自己和基站附近的節點(diǎn)可以建立高帶寬、低延時(shí)的鏈路，從而吸引周?chē)濣c(diǎn)向其發(fā)送數據包，從而截斷向基站的路由。
(6)HELLO泛洪攻擊：惡意節點(diǎn)通過(guò)大功率的廣播路由或其他信息，使網(wǎng)絡(luò )中的其他節點(diǎn)認為惡意節點(diǎn)為自己的鄰節點(diǎn)，從而將信息發(fā)送給惡意節點(diǎn)。

2 基于分簇式LEACH協(xié)議的分析
2．1 LEACH協(xié)議運行機制
LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)協(xié)議，全稱(chēng)低功耗自適應聚類(lèi)路由協(xié)議，是最早提出的一個(gè)自組織、分布式的分簇路由協(xié)議，其后的許多分簇路由都是在它的基礎上發(fā)展而來(lái)的。LEACH協(xié)議采用了“輪”的概念，每一輪都由初始化和穩定數據傳輸兩個(gè)階段組成。在初始化階段，網(wǎng)絡(luò )將重新選擇簇頭節點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)遵循成簇算法選出簇頭節點(diǎn)，前提是此簇頭節點(diǎn)沒(méi)有擔任過(guò)簇頭，被選出的簇頭節點(diǎn)向周?chē)蓡T節點(diǎn)廣播自己成為簇頭的信息，其他成員節點(diǎn)遵循耗能最小的原則加入臨近的簇頭節點(diǎn)，然后簇頭節點(diǎn)為簇內成員節點(diǎn)分配通信時(shí)隙。在穩定的數據傳輸階段，節點(diǎn)收集數據并傳輸至簇頭節點(diǎn)，簇頭節點(diǎn)對所受到的數據進(jìn)行融合處理后發(fā)送到sink節點(diǎn)。數據傳輸持續一定時(shí)間后，網(wǎng)絡(luò )進(jìn)入下一輪的工作周期。
2．2 LEACH協(xié)議容易遭受的攻擊
由于LEACH協(xié)議采用了單跳的路徑選擇方式，即所有的傳感器節點(diǎn)都有可能和匯聚節點(diǎn)進(jìn)行直接的通信，所以對Sinkhole攻擊、Wormho le攻擊、Sybil攻擊以及虛假路由信息攻擊都有防御能力。但由于在簇形成階段，成員節點(diǎn)根據簇頭節點(diǎn)的信號強弱來(lái)選擇所要加入的簇，因此，惡意節點(diǎn)可以采用HELLO Flood攻擊以大發(fā)射功率向全網(wǎng)絡(luò )廣播消息，從而吸引大量成員節點(diǎn)加入該簇，而后惡意節點(diǎn)可以通過(guò)選擇則性轉發(fā)、更改數據包等方式，來(lái)達到攻擊目的。經(jīng)過(guò)以上分析研究表明，LEACH協(xié)議最容易收到的攻擊就是HELLOFlood攻擊。

3 一種適用于LEACH協(xié)議的安全解決方案
通過(guò)對HELLO Flood攻擊方式的了解，提出了LEACH—H協(xié)議，并采用了以下安全解決方案：依靠一個(gè)可信任的節點(diǎn)利用鏈路的雙向認證和節點(diǎn)的身份驗證為每個(gè)簇頭候選節點(diǎn)向基站和自身的一跳鄰居節點(diǎn)證實(shí)它的鄰居，從而成功對抗HELLO Flood攻擊。具體運行機制為：在廣播階段，候選簇頭節點(diǎn)向基站和自身的一跳鄰居節點(diǎn)發(fā)送數據，此數據包含候選簇頭節點(diǎn)與基站的共享密鑰，基站根據解密密鑰來(lái)確認候選簇頭節點(diǎn)是否正常，若不正常則丟棄數據包；建簇階段，節點(diǎn)將自己將加入哪個(gè)簇的信息發(fā)送給基站，基站根據傳感器節點(diǎn)和簇首候選節點(diǎn)產(chǎn)生密鑰并發(fā)給節點(diǎn)，并進(jìn)行解密匹配，解密成功則接受此候選簇頭節點(diǎn)，否則自動(dòng)丟包。節點(diǎn)從若干接受的候選簇頭節點(diǎn)中，選擇信號最強的候選簇頭節點(diǎn)加入其簇。