物联网中无线传感器网络的安全技术

摘要：物联网被誉为信息革命的第三次浪潮，它的发展将产生巨大的社会效益和经济效益。伴随着物联网在各个领域的成功应用，安全问题也日趋显现。无线传感器网络由于在物联网中担当链接传统网络重任，安全问题尤其突出。文章以无线传感器网络的结构、特征为基础，分析了物联网所面临的安全挑战，并研究了其中的关键安全技术。
关键词：物联网；无线传感器网络；安全；密钥管理

0 引言
    最近几年，物联网之所以能成为研究的热点，究其原因：一是物联网是新一代信息技术的重要组成部分，将对社会的发展起到推动作用；二是物联网的应用将产生巨大的经济效益，据有关专家估算，物联网的产值将达到万亿级别。
    伴随着物联网在各个领域的成功应用，物联网的安全问题也变得越来越重要，由于无线传感器网络(WSN)在物联网体系中担当着链接传统网络的重任，因此其安全问题尤其突出。可以说，不解决安全问题，物联网是没有明天的。

1 WSN的结构特点
1．1 WSN的结构
    WSN以感知为目的，通过各种方式将节点部署在被感知对象的内部或附近，获取物理世界的各种信息。被部署的节点通过自组织方式构成的网络，其节点中集成有传感器、数据处理单元和通信单元。WSN借助于节点中的传感器来测量周围环境，可以探测温度、湿度、噪声、速度、光强度、电磁波等各种环境参数。
    WSN在物联网中的作用就像一个虚拟的皮肤，它能感受到一切物理世界的信息，并与观察者分享这些信息。
    一个典型的WSN体系结构如图1所示。

    该体系包括分布式传感器节点、目标节点(sink)、Internet和用户端。sink也就是数据中心，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较强，可连通传感器网络与外部网络，从而实现协议栈之间的通信转换。每个散布在网络中的节点通过多跳路由的方式将感知数据传送到sink，用户可以通过Internet或者卫星与sink进行通讯。
1．2 WSN的网络特征
    为了使WSN成为物联网的一个内在组成部分，通常需要考虑各种挑战，包括从适应现有的互联网标准到互操作的协议创造和发展以及支持机制等。其中的挑战之一就是安全性，主要是因为WSN不能够直接适用于现有以Internet为中心的安全机制。无线传感器网络有其固有特性。
    (1)资源更有限。由于受价格、体积和功耗的限制，其计算能力比普通的计算机功能要弱很多。
    (2)网络规模更大，覆盖更广。为了获得精确的信息，通常会在被监测区域部署大量的传感器节点，传感器节点的数量数以万计，节点的分布更加密集。
    (3)网络自组。网络的布设和展开不依赖于预设的网络设施，节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，自动组成一个独立的网络。
    (4)能量更有限。由于受到硬件条件的影响，无线传感器节点一般采用电池供电，电源能量更加有限，因此，无线传感网络节点的通信距离更短，通常只有几十米。
    (5)干扰更强。相对于传统网络，无线传感器网络的工作环境更加恶劣，再加上传感器节点分布更加密集，其环境噪声干扰和节点之间的干扰更强。
    (6)多跳路由。网络中节点的通信距离有限，节点只能与它的邻节点直接通信。如果希望与其传输覆盖范围之外的节点进行通信，就需要通过多跳路由进行通信。多跳路由是由普通网络节点完成的，没有专门的路由设备。因此，网络中的每个节点，既是终端又是路由器。
    (7)动态拓扑。无线传感器网络拓扑结构会随着时间的推移发生改变，主要是因为节点可能会因故障失效。由于监测区域的变化，新节点会添加到现有的网络中，因此，无线传感器网络具有动态拓扑重构功能。
    (8)无线传感器网络是一个以数据为中心的网络。它不像传统的网络那样以连接为中心，而是以数据为中心的网络，因此，需要节点进行数据聚合、融合、缓存和压缩等处理。

2 WSN各层主要面临的安全挑战
    WSN的协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，与互联网协议栈的五层协议相对应。WSN面临的安全问题也就是协议栈中各层面临的问题。
2．1 物理层
    物理层主要负责载波频率的产生、信号的调制和解调等工作。物理层中的安全问题主要是干扰攻击和节点俘获。干扰攻击是指干扰WSN中节点所使用的无线电频率。节点俘获是指攻击者捕获节点，知道节点上所保存的任何信息，从而代替这个节点进行通信。
2．2 数据链路层
    数据链路层主要负责媒体访问和错误控制。在介质访问控制协议中，节点通过监测邻近节点是否发送数据来确定自身是否能访问通信信道，这种载波监听的方式容易遭到拒绝服务攻击(DoS)。DoS是指当存在网络流量冲击或者外界恶意攻击时，可能产生“雪崩”效应，此时网络性能急剧下降，甚至会由于网络拥塞导致停止服务。
2．3 网络层
    网络层主要负责路由的发现和维护，是无线传感器网络的重要因素。针对路由的攻击可能导致整个网络的瘫痪。针对网络层的攻击方式有伪造路由信息、选择性转发、黑洞攻击和Sybil攻击。
2．4 传输层
    传输层主要负责将无线传感器网络采集的数据提供给外部网络。泛洪攻击和异步攻击是针对这个层次的主要攻击手段。
2．5 应用层
    应用层主要负责实现特定应用所需的功能，如将采集的数据进行融合处理及其他应用任务。应对这个层的攻击一般可根据具体任务而定。

3 WSN中的安全技术
    面对WSN中出现的种种安全问题，主要可采用以下几种技术予以解决：
    (1)入侵检测技术。入侵检测可对网内的节点行为进行监测，及时发现可疑节点行为。入侵检测系统基于一个合理假设：恶意节点的行为与网内其它节点存在明显的不同，以至于入侵检测系统可以根据预先设定规则将其识别出来。
    (2)干扰控制。干扰控制用于对付无线电干扰攻击。由于敌人无法进行长期持续的全频攻击，所以，通信节点可以采取跳频传输和扩频传输的方法来解决信号干扰攻击。
    (3)安全路由。根据不同应用的特点，制定合适的安全路由协议，以保证数据安全地到达目标节点，同时尽可能少地消耗节点资源。安全路由技术中广泛采用SPINS安全框架协议，包括SNEP协议和μTESLA协议，其中SNEP协议用以实现通信的机密性、完整性、新鲜性和点到点的认证，μTESLA协议用以实现点到多点的广播认证。
    (4)密钥管理。密钥管理是无线传感器网络关键安全技术的核心，主要有四种密钥分布协议：简单密钥分布协议、密钥预分布协议、动态密钥管理协议、分层密钥管理协议。简单密钥分布协议网内所有节点都保存同一个密钥用于数据的加解密，其内存需求是所有密钥管理协议中最低的，但是它的安全性也最低。密钥预分布协议中的节点在被部署到监控区域前，将被预先载入一些密钥。当节点被部署好后，传感器节点通过执行共享密钥发现过程来为安全链路的形成建立共享密钥。动态密钥管理协议可以根据用户要求周期性地改变节点的管理密钥，使用动态密钥管理协议可以改善网络面临攻击时的生存性。分层密钥管理协议采用LEAP协议，是一种典型的确定性密钥管理技术，使用的是多种密钥机制。LEAP在每个节点上维护四个密钥：分别是基站单独共享的身份密钥(预分布)、网内节点共享的组密钥(预分布)、邻居节点共享的邻居密钥以及簇头共享的簇头密钥。
    (5)密钥算法。密钥算法主要包括对称密钥算法与非对称密钥算法，非对称密钥算法主要有Rabin’s cheme、NtuEncrypt、RAS和椭圆曲线算反ECC，对称算法主要有Skipjack和RC5。相比较而言，对称密钥算法与非对称密钥算法相比具有计算量小、代码短和能耗低的特点，因此，对称密钥算法在WSN应用较广。
    (6)数据融合。数据融合是节省能量、增强所收集数据的准确性以及提高数据收集效率的重要手段。数据融合主要有两种方式：一种是在发送节点和汇聚节点之间使用端到端的加密方式，汇聚节点先对收到的数据进行解密，然后再进行数据融和；另一种方法是对密文数据直接进行数据融合，这要求加密时采用特定的数据转换方法。
    WSN协议栈中各层所面临的安全问题一般不是采用单一安全措施就可以解决的，往往需要多种措施并用。协议栈中各层采取的安全技术如图2所示。

4 结语
    WSN虽然出现得较早，但对它的研究也是随着物联网概念的兴起才成为热点。事实上，WSN网络还不成熟，安全漏洞很多。研究者应该为它们制定相应的安全协议，并尽可能地减小安全技术所引入的副作用，促进WSN健康发展。