物联网中无线传感器网络的安全技术

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。

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