无线传感器网络环境下的攻击防御方法

引言

无线传感器网络技术涉及到多个学科、多个层面。从网 络体系结构上看，传感器网络相关技术可以划分为分层的网络 通信技术、网络管理技术及网络支撑技术三个大部分。无线传 感器网络节点主要完成信息采集、数据处理、数据存储、数 据管理以及数据传输等功能，其硬件平台在逻辑上可分为微 控制器(MCU)、通信模块、传感器、执行器和供电单元等几 部分。由于传感器节点大多部署在非受控区域，无线信道的广 播特性和自组织的组网特性都使得传感器网络容易受到攻击。 同时，传感器网络作为一种耗尽型网络，传感器节点能源非常 有限且珍贵，系统功能极易受到拒绝服务攻击。为此，本文 介绍了两种无线传感器网络环境下攻击的防御方法。

1节点的概念

大规模传感器网络通常由相同传感器节点组成，它们具有 相同的通信半径，设为R大量传感器节点以高密度随机部署 在监测区域里，节点一经部署就不再移动，具有全网唯一的id。 全网有一个安全可信的基站，基站收集所有节点感知的数据。 监测区域根据感知事件的不同被划分成多个不相重叠的事件区 域，每个事件区域内有多个节点；在同一事件区域内的节点将 感知到相同的感知数据。当两个节点之间的距离r<R时，它们 可直接通信，互为邻居；距离较远的节点间需借助邻居转发进 行多跳通信，节点间最短链路的长度称为节点间的距离矢量。

2传感器网络防御选择性转发攻击方法

传感器网络防御选择性转发攻击的方法包括以下4个技 术要点：

节点j拥有与基站共享的唯一密钥kj

在网络部署前，为每个节点j分配一个唯一的与基站共 享的密钥kj，该密钥用于多项式对感知数据的划分与还原中。

每个节点建立自己的邻居表以记录必要的邻居信息

所有节点在网络部署后，将建立自己的邻居表。当节点需 要发送感知数据到基站时，节点就要根据本发明中的多路径路 由方法从邻居表中选择合适的下一跳节点转发数据。

基于多项式的数据划分与还原策略

多项式的数据划分与还原策略是指，当节点感知到数据 后，为了减少通信量需要将数据划分成长度更小的数据片；然 后，通过多项式的计算生成不同的多项式值。所以，只要基站 能收到一定的多项式值就可以解析多项式还原出原有的感知 数据。

( 4)多路径的数据转发机制

为了更好的防止恶意节点的丢包行为，必须实现同一事 件的若干个相关数据包沿不同的路径发往基站。因此提出相 应的路由协议使相关的数据从不同的路径进行转发。当节点将 同一事件区域的相关数据转发时，可以使用贪婪方法在邻居 表中找寻距离矢量最小的符合条件的邻居作为下一跳。方法 使节点从邻居表中动态地选择下一跳传递数据包，这样可以 进一步加大攻击者掌握数据流信息的难度。具体如下：

网络部署前，按技术方案所述，每个节点j均分配 一个与基站共享的唯一密钥。

网络初始化阶段，按技术方案所述，每个节点j均 获得自己的邻居集N,()。

假设网络有N个节点汎个事件区域；在第i个事件 区域里有X,个节点，它们共同感知的数据是Di；那么，可以

得到每个节点多项式的次数ti-1为:

很显然，当t,=1,就是信息不做任何处理，退变为单路 径发送的最简方案；然而无线传感器网络具有高密度的特点, 所以大多数事件区域内会有多个节点存在；

定义f(kj)是在有限域F(q)上的一元ti-1次多项 式，将感知数据Di划分成t个数据片d\.k e 1, 2,…，t，并 使dk作为多项式f*)的系数，因此可以得到：

这样，同一事件区域的不同节点计算出不同的fj值，最 后将Xi个f.值而非感知数据沿不同的路径转发给基站。

为了实现同一事件的X,个数据包沿不同的路径发往 基站。本专利提出相应的路由协议使相关的数据从不同的路径

出原有的感知数据D,.显然，同一事件区域内有X,个数据包

发往基站，由多项式原理，基站只要收到X,中ti个任意fj数 据包就可以解析出D,。

(7)设R,为基站接收到来自事件区i的数据包个数，那么,

基站的成功接收率Ps可进行如下统计:

3邻居协同测定假冒攻击源方法

本方法无需全网拓扑信息及路由协议支撑，测定过程不 借助密码算法。当局部网络密度较高时，该方法具有漏报率低， 成功测定率高的特点，是一种轻量级分布式的高效、简洁的 检测方法。邻居协同测定假冒攻击源方法包括以下4个技术要 点：

每个节点存储并及时更新自己的邻居集

网络初始化阶段每个节点均可获得自己的邻居集，并在 网络更新过程中能及时更新自己的邻居集。节点i的邻居集记 为 N( (i)。

每个节点按报警规则判断假冒消息

当恶意节点可针对特定的网络任务发起假冒攻击，其发出 的假冒消息可以被该恶意节点的邻居监听到。相应地，当节点 监听到一条假冒消息，即可断定一次假冒攻击发生，且攻击源 是其邻居。节点判断假冒消息的报警规则包括“基本报警规则” 和“从动报警规则”。

测定集义务传递规则

测定集义务传递规则是指，发现假冒消息的每个节点有 义务广播自己的假冒攻击源测定集。对于发现假冒消息M的 每个节点i,将生成相应的假冒攻击源怀疑集，称为测定集， 记为Ssuspect (i,M),初始测定集为N( (i)„发现假冒消息的 每个节点有义务广播自己的假冒攻击源测定集。

发现假冒消息的每个节点求交测定集

每当收到邻居j广播的报警消息Ssuspect (j,M),节点i 若认定M为假冒消息，可求交以缩小测定集，即Ssuspect (i, M)= Ssuspect (i,M) n Ssuspect (j,M)；当 card (Ssuspect (i, M)) =1 (即集合Ssuspect (i, M)中只有一个元素)时,i成功 测定相对于消息M的攻击源。

4结语

本文介绍了两种无线传感器网络环境下网络攻击的防御 方法，其中第一种是传感器网络防御选择性转发攻击方法， 第二种是邻居协同测定假冒攻击源的方法防御。事实上，网络 攻击有很多方法，应用时应根据具体情况采用有针对性的方法， 以保证传感器网络的安全有效。

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