無線傳感器網絡的安全性研究

惡意節點在接收到一個數據包后，除了丟棄該數據包外，還可能通過修改源和目的地址，選擇一條錯誤的路徑發送出去，從而導致網絡的路由的混亂。如果惡意的節點將收到的數據包全部轉向網絡中的某一個固定節點，該節點可能會通信阻塞和能量耗盡而失效。

這種攻擊方式與網絡層協議相關。對于層次式路由協議，可以使用輸出過濾的方法，即對源路由進行認證，確認一個數據包是否是從它的合法子節點發送過來的，直接丟棄不能認證的數據包。

2．選擇性轉發/不轉發

惡意節點在轉發數據包過程中丟棄部分或全部數據包，使得數據包不能到達目的節點。另外惡意節點也可能將自己的數據包以很高的優先級發送，破壞網絡通信秩序。

通常采用多徑路由來解決這個問題。即使惡意節點丟棄了數據包，數據包仍然可以通過其它的路徑到達到目的節點。雖然多徑路由方式增加了數據傳輸的可靠性，但是也引入了新的安全問題。

3．貪婪轉發

即黑洞（sinkhole）攻擊。攻擊者利用收發能力強的特點吸引一個特定區域的幾乎所有流量，創建一個以攻擊者為中心的槽洞。基于距離向量的路由機制通過計算路徑長短進行路由選擇，這樣收發能力強的惡意節點通過發送0距離（表明自己到達目標節點的距離為0）公告，吸引周圍節點所有的數據包，在網絡中形成一個路由黑洞，使數據包不能到達正確的目標節點。

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，一個節點以多個身份出現在網絡中的其它節點面前，使其更易于成為路由路徑中的節點，然后與其他攻擊方法結合達到攻擊目的。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、拓撲結構保持的容錯能力。它對于基于位置信息的路由協議構成很大的威脅。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，通常要求節點與它們的鄰居交換坐標信息。一個節點對于相鄰節點來說應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點互相串通，合謀攻擊。一個惡意節點在基站附近，另一個離基站較遠。較遠的節點聲稱自己和基站附近的節點可以建立低時延高帶寬的鏈路，吸引周圍節點的數據包。Wormholes攻擊很可能與選擇性轉發或Sybil攻擊相結合。當它與Sybil攻擊相結合的時候，通常很難探測出。

在路由設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網絡路由設計中添加安全等級的方法，可對之稍作改進，采用基站來完成監聽和檢測下一個節點信道的任務。改進后的路由協議可對抗sinkhole和wormhole攻擊。基于地理位置類的路由協議，如Greedy Perimeter Stateless Routing[6]，通過定期廣播探測幀來檢測黑洞區域，可有效地發現和抵御sinkhole攻擊和wormholes攻擊。

6．HELLO flood

很多路由協議需要節點定時發送HELLO包，以聲明自己是其他節點的鄰居節點。攻擊者用足夠大的發射功率廣播HELLO包，使得網絡中所有節點認為其是鄰居節點，實際上卻相距甚遠。如其他節點以普通的發射功率向它發送數據包，則根本到達不了目的地，從而造成網絡混亂。

在路由設計中加入廣播半徑的限制可對抗HELLO flood。限制節點的數據發送半徑，使它只能對這個半徑區域內的節點發送數據，而不是對全網廣播，避免高能的攻擊者在整個網絡區域不斷發送數據包，使得網絡節點不停地處理這些數據，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或者其他外部網絡的端到端的連接。目前在WSN大多數應用中，都沒有對于傳輸層的需求，傳輸層協議一般采用傳統網絡協議。

2．5 應用層

應用層提供了WSN的各種實際應用，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。目前普遍認為可行的密鑰分配方案是預分配，即在節點在部署之前，將密鑰預先配置在節點中。實現方法有多種：
基于密鑰池的預配置方案。每個節點在部署前，從事先生成的密鑰池中隨機選取一定數目的密鑰子集，節點部署到指定區域后，只與具有相同密鑰的節點通信。

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

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

4 結論

作為一種新的信息獲取和處理技術，WSN在某些領域有著傳統技術不可比擬的優勢，但由于傳感器網絡和節點自身的一些限制，給它的安全性設計帶來新的挑戰。高效加密算法、安全的MAC協議和路由協議以及密鑰管理和安全組播等都是值得深入研究的領域。

本文作者創新點在于從WSN協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。網絡層的路由協議中增加安全機制，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