無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )安全改進(jìn)方案研究

摘要：介紹了無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展現狀和網(wǎng)絡(luò )應用的特點(diǎn)，詳細描述了時(shí)變加密技術(shù)的工作原理和在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )中的應用。針對時(shí)變加密密鑰在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )中容易出現丟失和誤碼，從而導致網(wǎng)絡(luò )中的感應節點(diǎn)與控制節點(diǎn)安全數據傳輸失效的缺點(diǎn)，提出了密鑰預傳輸的解決方案。該方法在不縮短節點(diǎn)壽命的前提下，大大提高了無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的安全性和節點(diǎn)數據傳輸的穩定性。
關(guān)鍵詞：WSN；時(shí)變加密；海明碼；哈希算法

0 引言
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(Wireless-Sensor-Network，WSN)由部署在監測區域內大量的廉價(jià)微型傳感器節點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò )系統，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò )覆蓋區域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀(guān)察者。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的研究起步于20世紀90年代末期。從21世紀開(kāi)始，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )引起了學(xué)術(shù)界、軍界和工業(yè)界的極大關(guān)注，美國和歐洲相繼啟動(dòng)了許多關(guān)于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的研究計劃。特別是美國通過(guò)國家自然基金委、國防部等多種渠道投入巨資支持傳感器網(wǎng)絡(luò )的研究。傳感器技術(shù)、微機電系統、現代網(wǎng)絡(luò )和無(wú)線(xiàn)通信等技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了具有現代意義的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的產(chǎn)生和發(fā)展。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是一種“無(wú)處不在”的傳感技術(shù)，
它可以使用戶(hù)更加深入地了解和把握周?chē)氖澜?。具有隨機布設、自組織、環(huán)境適應等特點(diǎn)，因此在軍事、環(huán)境、醫療、家庭和其他商用領(lǐng)域有著(zhù)廣闊的應用前景和很高的應用價(jià)值。
隨著(zhù)相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的應用面越來(lái)越廣，隨之而來(lái)的是在不同場(chǎng)合中對數據安全的要求也越來(lái)越高。由于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )本身拓撲結構的特殊性和網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)構造的限制，應用于普通互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )的對稱(chēng)和非對稱(chēng)數據加密方法已無(wú)法滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )數據安全的要求。需要根據網(wǎng)絡(luò )特點(diǎn)，選擇新的數據加密方法，以實(shí)現網(wǎng)絡(luò )的安全。
1 無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )安全現狀
無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)主要由傳感模塊、運算處理模塊、無(wú)線(xiàn)傳輸模塊和電源模塊4部分組成。工作時(shí)將大量傳感器的節點(diǎn)分布于感興趣的區域，節點(diǎn)通過(guò)自組織方式快速形成一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。每個(gè)節點(diǎn)都有自己控制的一個(gè)區域，通過(guò)感知設備，如溫度、濕度、聲音或光學(xué)設備，化學(xué)分析裝置，電磁感應裝置等，對周?chē)奈锢憝h(huán)境進(jìn)行監控，也可以通過(guò)配置一些專(zhuān)用的功能單元來(lái)實(shí)現與特定環(huán)境交互的功能。無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)采用電池供電，由于受到體積、價(jià)格等因素的影響，電池的容量一般不是很大。傳感器節點(diǎn)個(gè)數多，成本要求低廉，分布區域廣，部署區域環(huán)境復雜，有些區域甚至人員不能達到，通過(guò)更換電池的方式來(lái)補充傳感器節點(diǎn)能源是不現實(shí)的。因此在傳感器網(wǎng)絡(luò )設計過(guò)程中，任何技術(shù)和協(xié)議的使用都要以節能為前提，設計有效的節能策略，延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )的生命周期已成為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的核心問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò )傳輸加密也必須采取節能的數據加密方法。
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統具有嚴格的資源限制，需要設計低開(kāi)銷(xiāo)的通信協(xié)議，但同時(shí)會(huì )帶來(lái)嚴重的安全問(wèn)題。一方面，入侵者可以比較容易地進(jìn)行服務(wù)拒絕攻擊；另一方面，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統的資源嚴格受限，以及節點(diǎn)間自組織協(xié)調工作的特點(diǎn)，使其難以實(shí)現嚴密的安全防護。由于低成本的限制，一些無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統只能采用單頻率通信機制。入侵者通過(guò)頻率掃描的手段就可以很容易地捕獲無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的工作頻率，通過(guò)在網(wǎng)絡(luò )中植入偽裝節點(diǎn)，采用各種手段發(fā)動(dòng)攻擊。
目前常用的安全策略是使用時(shí)變密鑰加密的方法對無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的信息進(jìn)行加密。時(shí)變加密就是連續的廣播信息單元在傳輸之前，使用一個(gè)從密鑰串中按一定的算法選取不同的密鑰對需要傳輸的信息單元進(jìn)行加密。網(wǎng)絡(luò )中的傳感節點(diǎn)在不同的信息單元和不同的時(shí)間擁有的密鑰不同，通過(guò)使用單向的哈希算法生成一系列的密碼，一個(gè)根密碼值通過(guò)反復的哈希計算產(chǎn)生一系列的密鑰，密鑰系列以反向的順序用來(lái)對連續的數據包進(jìn)行加密，這種方法可以產(chǎn)生加密機制。接收器可以通過(guò)對接收的密碼進(jìn)行哈希計算，將計算的結果同老的密碼進(jìn)行比較，如果與舊密碼相同，則密鑰有效，否則密鑰失效。這種機制保證密碼確實(shí)來(lái)自同一個(gè)源，單向的哈希算法保證接收器可以使用下一個(gè)密鑰，但不能偽造密鑰。工作原理如圖1所示。