0  引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN，Wireless Sensor Network）是一種自組織網(wǎng)絡(luò)，由大量具有無線通信、數(shù)據(jù)采集和處理、協(xié)同合作等功能的節(jié)點協(xié)同組織構(gòu)成。WSN在軍事、環(huán)境、工控和交通等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。由于大多數(shù)用戶對WSN的安全性有較高要求，而WSN有著與傳統(tǒng)的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)不同的特點，大多數(shù)傳統(tǒng)的安全機制和安全協(xié)議難以直接應(yīng)用于WSN，因此有必要設(shè)計適合WSN的安全性方案。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的ad hoc網(wǎng)絡(luò)相比有如下獨有的特點[1]：

（1）傳感器節(jié)點數(shù)量巨大，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模龐大；

（2）節(jié)點密集分布在目標(biāo)區(qū)域；

（3）節(jié)點的能量、存儲空間及計算能力受限，容易失效；

（4）動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

（5）通常節(jié)點不具有統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)包。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點能量有限，使得WSN易受到資源消耗型攻擊。而且由于節(jié)點部署區(qū)域的特殊性，攻擊者可能捕獲節(jié)點并對節(jié)點本身進(jìn)行破壞或破解。

另外，WSN是以數(shù)據(jù)通信為中心的，將相鄰節(jié)點采集到的相同或相近的數(shù)據(jù)發(fā)送至基站前要進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，中間節(jié)點要能訪問數(shù)據(jù)包的內(nèi)容，因此不適合使用傳統(tǒng)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(xié)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(shù)據(jù)加密的功能。所受到的攻擊通常有：

1）擁塞攻擊：攻擊節(jié)點在WSN的工作頻段上不斷的發(fā)送無用信號，可以使在攻擊節(jié)點通信半徑內(nèi)的節(jié)點不能正常工作。如這種攻擊節(jié)點達(dá)到一定的密度，整個網(wǎng)絡(luò)將面臨癱瘓。

擁塞攻擊對單頻點無線通信網(wǎng)絡(luò)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(jié)點分布在一個很大的區(qū)域內(nèi)，很難保證每個節(jié)點都是物理安全的。攻擊者可能俘獲一些節(jié)點，對它進(jìn)行物理上的分析和修改，并利用它干擾網(wǎng)絡(luò)的正常功能。甚至可以通過分析其內(nèi)部敏感信息和上層協(xié)議機制，破壞網(wǎng)絡(luò)的安全性。

對抗物理破壞可在節(jié)點設(shè)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(jìn)行加密存儲。

2．2 MAC層

MAC層為相鄰節(jié)點提供可靠的通信通道。MAC協(xié)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(wǎng)絡(luò)的節(jié)能要求。

隨機訪問模式中，節(jié)點通過載波監(jiān)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(wù)攻擊(Distributed Denial of Service，DOS)[2]。一旦信道發(fā)生沖突，節(jié)點使用二進(jìn)指數(shù)倒退算法確定重發(fā)數(shù)據(jù)的時機。攻擊者只需產(chǎn)生一個字節(jié)的沖突就可以破壞整個數(shù)據(jù)包的發(fā)送，這時接收者回送數(shù)據(jù)沖突的應(yīng)答ACK，發(fā)送節(jié)點則倒退并重新選擇發(fā)送時機。如此這般反復(fù)沖突，節(jié)點不斷倒退，導(dǎo)致信道阻塞，且很快耗盡節(jié)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(jiān)聽機制降低沖突率。若攻擊者只是瞬間攻擊，只影響個別數(shù)據(jù)位，可采用糾錯碼來對抗這種攻擊。

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

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

2．3 網(wǎng)絡(luò)層

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

1．虛假路由信息

惡意節(jié)點在接收到一個數(shù)據(jù)包后，除了丟棄該數(shù)據(jù)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(fā)送出去，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的路由的混亂。如果惡意的節(jié)點將收到的數(shù)據(jù)包全部轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)中的某一個固定節(jié)點，該節(jié)點可能會通信阻塞和能量耗盡而失效。

這種攻擊方式與網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議相關(guān)。對于層次式路由協(xié)議，可以使用輸出過濾的方法，即對源路由進(jìn)行認(rèn)證，確認(rèn)一個數(shù)據(jù)包是否是從它的合法子節(jié)點發(fā)送過來的，直接丟棄不能認(rèn)證的數(shù)據(jù)包。

2．選擇性轉(zhuǎn)發(fā)/不轉(zhuǎn)發(fā)

惡意節(jié)點在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包過程中丟棄部分或全部數(shù)據(jù)包，使得數(shù)據(jù)包不能到達(dá)目的節(jié)點。另外惡意節(jié)點也可能將自己的數(shù)據(jù)包以很高的優(yōu)先級發(fā)送，破壞網(wǎng)絡(luò)通信秩序。

通常采用多徑路由來解決這個問題。即使惡意節(jié)點丟棄了數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包仍然可以通過其它的路徑到達(dá)到目的節(jié)點。雖然多徑路由方式增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕且惨肓诵碌陌踩珕栴}。

3．貪婪轉(zhuǎn)發(fā)

即黑洞（sinkhole）攻擊。攻擊者利用收發(fā)能力強的特點吸引一個特定區(qū)域的幾乎所有流量，創(chuàng)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(jìn)行路由選擇，這樣收發(fā)能力強的惡意節(jié)點通過發(fā)送0距離（表明自己到達(dá)目標(biāo)節(jié)點的距離為0）公告，吸引周圍節(jié)點所有的數(shù)據(jù)包，在網(wǎng)絡(luò)中形成一個路由黑洞，使數(shù)據(jù)包不能到達(dá)正確的目標(biāo)節(jié)點。

黑洞攻擊破壞性大，但較易被感知。通過認(rèn)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(jié)點以多個身份出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中的其它節(jié)點面前，使其更易于成為路由路徑中的節(jié)點，然后與其他攻擊方法結(jié)合達(dá)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)保持的容錯能力。它對于基于位置信息的路由協(xié)議構(gòu)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(biāo)識的包選路，通常要求節(jié)點與它們的鄰居交換坐標(biāo)信息。一個節(jié)點對于相鄰節(jié)點來說應(yīng)該只有唯一的一組合理坐標(biāo)，但攻擊者可以同時處在不同的坐標(biāo)上。

對抗Sybil攻擊，通常采用基于密鑰分配、加密和身份認(rèn)證等方法。

5．Wormholes攻擊

Wormholes攻擊通常需要兩個惡意節(jié)點互相串通，合謀攻擊。一個惡意節(jié)點在基站附近，另一個離基站較遠(yuǎn)。較遠(yuǎn)的節(jié)點聲稱自己和基站附近的節(jié)點可以建立低時延高帶寬的鏈路，吸引周圍節(jié)點的數(shù)據(jù)包。Wormholes攻擊很可能與選擇性轉(zhuǎn)發(fā)或Sybil攻擊相結(jié)合。當(dāng)它與Sybil攻擊相結(jié)合的時候，通常很難探測出。

在路由設(shè)計中加入安全等級策略可對抗wormholes攻擊。文獻(xiàn)[5]中給出了Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)計中添加安全等級的方法，可對之稍作改進(jìn)，采用基站來完成監(jiān)聽和檢測下一個節(jié)點信道的任務(wù)。改進(jìn)后的路由協(xié)議可對抗sinkhole和wormhole攻擊?；诘乩砦恢妙惖穆酚蓞f(xié)議，如Greedy Perimeter Stateless Routing[6]，通過定期廣播探測幀來檢測黑洞區(qū)域，可有效地發(fā)現(xiàn)和抵御sinkhole攻擊和wormholes攻擊。

6．HELLO flood

很多路由協(xié)議需要節(jié)點定時發(fā)送HELLO包，以聲明自己是其他節(jié)點的鄰居節(jié)點。攻擊者用足夠大的發(fā)射功率廣播HELLO包，使得網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點認(rèn)為其是鄰居節(jié)點，實際上卻相距甚遠(yuǎn)。如其他節(jié)點以普通的發(fā)射功率向它發(fā)送數(shù)據(jù)包，則根本到達(dá)不了目的地，從而造成網(wǎng)絡(luò)混亂。

在路由設(shè)計中加入廣播半徑的限制可對抗HELLO flood。限制節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送半徑，使它只能對這個半徑區(qū)域內(nèi)的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，而不是對全網(wǎng)廣播，避免高能的攻擊者在整個網(wǎng)絡(luò)區(qū)域不斷發(fā)送數(shù)據(jù)包，使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不停地處理這些數(shù)據(jù)，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(wǎng)絡(luò)的端到端的連接。目前在WSN大多數(shù)應(yīng)用中，都沒有對于傳輸層的需求，傳輸層協(xié)議一般采用傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

2．5 應(yīng)用層

應(yīng)用層提供了WSN的各種實際應(yīng)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(rèn)證機制和hash函數(shù)。目前普遍認(rèn)為可行的密鑰分配方案是預(yù)分配，即在節(jié)點在部署之前，將密鑰預(yù)先配置在節(jié)點中。實現(xiàn)方法有多種：
基于密鑰池的預(yù)配置方案。每個節(jié)點在部署前，從事先生成的密鑰池中隨機選取一定數(shù)目的密鑰子集，節(jié)點部署到指定區(qū)域后，只與具有相同密鑰的節(jié)點通信。

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

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

4 結(jié)論

作為一種新的信息獲取和處理技術(shù)，WSN在某些領(lǐng)域有著傳統(tǒng)技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢，但由于傳感器網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點自身的一些限制，給它的安全性設(shè)計帶來新的挑戰(zhàn)。高效加密算法、安全的MAC協(xié)議和路由協(xié)議以及密鑰管理和安全組播等都是值得深入研究的領(lǐng)域。

本文作者創(chuàng)新點在于從WSN協(xié)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(jié)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(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)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。