無線傳感器網絡的安全性研究

0 引言

無線傳感器網絡（WSN，Wireless Sensor Network）是一種自組織網絡，由大量具有無線通信、數據采集和處理、協同合作等功能的節點協同組織構成。WSN在軍事、環境、工控和交通等方面有著廣闊的應用前景。由于大多數用戶對WSN的安全性有較高要求，而WSN有著與傳統的Ad hoc網絡不同的特點，大多數傳統的安全機制和安全協議難以直接應用于WSN，因此有必要設計適合WSN的安全性方案。

無線傳感器網絡與傳統的ad hoc網絡相比有如下獨有的特點[1]：

（1）傳感器節點數量巨大，網絡規模龐大；

（2）節點密集分布在目標區域；

（3）節點的能量、存儲空間及計算能力受限，容易失效；

（4）動態的網絡拓撲結構；

（5）通常節點不具有統一的身份（ID）。

1 WSN的安全性問題

WSN中，最小的資源消耗和最大的安全性能之間的矛盾，是傳感器網絡安全性的首要問題。通常兩者之間的平衡需要考慮到有限的能量、有限的存儲空間、有限的計算能力、有限的通信帶寬和通信距離這五個方面的問題。

WSN在空間上的開放性，使得攻擊者可以很容易地竊聽、攔截、篡改、重播數據包。網絡中的節點能量有限，使得WSN易受到資源消耗型攻擊。而且由于節點部署區域的特殊性，攻擊者可能捕獲節點并對節點本身進行破壞或破解。

另外，WSN是以數據通信為中心的，將相鄰節點采集到的相同或相近的數據發送至基站前要進行數據融合，中間節點要能訪問數據包的內容，因此不適合使用傳統端到端的安全機制。通常采用鏈路層的安全機制來滿足WSN的要求。

2 常見的攻擊和解決方案

在WSN協議棧的不同層次上，會受到不同的攻擊，需要不同的防御措施和安全機制。

2．1 物理層

物理層完成頻率選擇、載波生成、信號檢測和數據加密的功能。所受到的攻擊通常有：

1）擁塞攻擊：攻擊節點在WSN的工作頻段上不斷的發送無用信號，可以使在攻擊節點通信半徑內的節點不能正常工作。如這種攻擊節點達到一定的密度，整個網絡將面臨癱瘓。

擁塞攻擊對單頻點無線通信網絡影響很大，采用擴頻和跳頻的方法可很好地解決它。

2）物理破壞：WSN節點分布在一個很大的區域內，很難保證每個節點都是物理安全的。攻擊者可能俘獲一些節點，對它進行物理上的分析和修改，并利用它干擾網絡的正常功能。甚至可以通過分析其內部敏感信息和上層協議機制，破壞網絡的安全性。

對抗物理破壞可在節點設計時采用抗竄改硬件，同時增加物理損害感知機制。另外，可對敏感信息采用輕量級的對稱加密算法進行加密存儲。

2．2 MAC層

MAC層為相鄰節點提供可靠的通信通道。MAC協議分3類：確定性分配、競爭占用和隨機訪問。其中隨機訪問模式比較適合無線傳感網絡的節能要求。

隨機訪問模式中，節點通過載波監聽的方式來確定自身是否能訪問信道，因此易遭到拒絕服務攻擊(Distributed Denial of Service，DOS)[2]。一旦信道發生沖突，節點使用二進指數倒退算法確定重發數據的時機。攻擊者只需產生一個字節的沖突就可以破壞整個數據包的發送，這時接收者回送數據沖突的應答ACK，發送節點則倒退并重新選擇發送時機。如此這般反復沖突，節點不斷倒退，導致信道阻塞，且很快耗盡節點有限的能量。

目前對抗這種DOS攻擊沒有很好的解決方案，可采用信道監聽機制降低沖突率。若攻擊者只是瞬間攻擊，只影響個別數據位，可采用糾錯碼來對抗這種攻擊。

如MAC層協議采用時分多路復用算法為每個節點分配傳輸時間片，不需要在數據傳輸前進行協商，可避免沖突，但也會受到DOS攻擊。惡意節點會利用MAC協議的交互特性來實施攻擊。例如，基于IEEE 802.11的MAC協議用RTS、CTS和DATA ACK消息來預定信道、傳輸數據。如果惡意節點向某節點持續地用RTS消息來申請信道，則目的節點不斷地CTS回應。這種持續不斷的請求最終導致目的節點能量耗盡。

訪問控制可對抗這種攻擊。讓節點自動忽略過多的請求，不必應答每個請求。同時在協議中添加策略，對過度頻繁的請求不予理睬，或限制同一數據包的重傳次數。

2．3 網絡層

路由協議在網絡層實現。WSN中的路由協議有很多種，主要可以分為3類，分別是以數據為中心的路由協議、層次式路由協議以及基于地理位置的路由協議[3]。而大多數路由協議都沒有考慮安全的需求，使得這些路由協議都易遭到攻擊，從而使整個WSN崩潰。在網絡層WSN受到的主要攻擊有：

1．虛假路由信息