科学论坛 ｌ■ Ｃｈｉｎａ ｓｃｂｎｃｅ ａｎｄ Ｔ∞ｈｎｏＬＤｇｙ Ｒ氆 ｅｗ 浅析无线传感器网络 时光 （黑龙江八一农垦大学 黑龙江 大庆 ｌ６３０００） ［摘要］无线传感器网络（Ｗｉｒｅｌ ｅ ｓ ｓ Ｓ ｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ ＷＳＮ）是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通 信方式形成的１个多跳的自组织的网络系统。是继因特网之后 对人们生产生活产生重大影响的Ｉ Ｔ热点技术，可以广泛用于国防、工业、 环境、医疗等多个领域。本文对其构成和特点进行了简要介绍 并就其安全防范提出了一些见解。 ［关键词］无线传感器 网络 特点 安全 中图分类号：ＴＨ 文章标识码：Ａ 文章编号：１ ００９—９１４ｘ（２００９）９（ａ）一００３８—０１ 一，无线传感器网络的产生 无线网络传感器是一种集传感器、控制器、计算能力、通信 能力于一身的嵌入式设备。它们跟外界物理环境交互，将收集到的信 息通过传感器网络传送给其它的计算设备，如传统的计算机等。随着 传感器技术、嵌入式计算技术、通信技术和半导体与微机电系统制造 技术的飞速发展，制造微型、弹性、低功耗的无线网络传感器己逐渐 成为现实。无线传感器网络的构想最初是由美方提出的，美国国 防部高级研究所计划署（ＤＡＲＰＡ）于１９７８年开始资助卡耐基一梅隆大 学进行分布式传感器网络的研究，这被看成是无线传感器网络的雏形。 从那以后，类似的项目在全美高校间广泛展开，著名的有ＵＣＢｅｒｋｅｌｅｙ 的ＳｍａｒｔＤｕＳｔ项目，ＵＣＬＡ的ｗＩＮＳ项目，以及多所机构联合攻关的 ＳｅｎｓＩＴ计划，等等。在这些项目取得进展的同时，其应用也从军用转 向民用。在森林火灾、洪水监测之类的环境应用中，在人体生理数据 监测、药品管理之类的医疗应用中，在家庭环境的智能化应用以及商 务应用中都已出现了它的身影。 ＝．无线传感器的组成和特点 首先是无中心和自组性。在无线传感器网络中，所有节点 的地位都是平等的，没有预先指定的中心，各节点通过分布式算法来 相互协调，在无人值守的情况下，节点就能自动组织起一个测量网络。 而正因为没有中心，网络便不会因为单个节点的脱离而受到损害。 其次是网络拓扑的动态变化性。网络中的节点是处于不断变化的 环境中，它的状态也在相应地发生变化，加之无线通信信道的不稳定 性，网络拓扑因此也在不断地调整变化，而这种变化方式是无人能准 确预测出来的。 第三是传输能力的有限性。无线传感器网络通过无线电波进行 数据传输，虽然省去了布线的烦恼，但是相对于有线网络，低带宽则 成为它的天生缺陷。同时，信号之间还存在相互干扰，信号自身也在 不断地衰减，诸如此类。不过因为单个节点传输的数据量并不算大，这 个缺点还是能忍受的。 第四是能量的。为了测量真实世界的具体值，各个节点会 密集地分布于待测区域内，人工补充能量的方法已经不再适用。每个 节点都要储备可供长期使用的能量，或者自己从外汲取能量（太阳能）。 第五是安全性的问题。无线信道、有限的能量，分布式控制 都使得无线传感器网络更容易受到攻击。被动窃听、主动入侵、拒绝服 务则是这些攻击的常见方式。因此，安全性在网络的设计中至关重要。 三，无线线感器网络安全防范 （一）无线传感器网络可能遭受的攻击 攻击可分为以下几种：１、节点级外部攻击。当攻击者俘获传 感器节点时，一般可以做出２类攻击行为：一种是单纯在网络外部进 行破坏，但并不加入网络：另一种是想办法加入到网络中再进行攻击， 包括单纯在网络外部进行破坏或从网络外部加入到网络中。２、节点级 内部攻击。在攻击者控制的节点加入网络内部后，可以实施如下种类 攻击：一是节点级Ｓｉｎｋｈｏｌ ｅ攻击，主要是选择性转发数据包：二是 ｓｙｂｉｌ攻击。主要是通过伪造来实现多身份和通过偷窃来实现多身份； 三是信任欺骗，攻击节点窃听通信链路，并将衰落的信号中继重传，造成 死亡的节点还存活或弱的链路是强的链路的假象。 （二）无线传感器网络的安全防范 １．加解密：加解密是保证安全通信的基础。无线传感器网络 中需要源认证、数据认证、身份认证、密钥管理来保证数据的机 密性、完整性和不可抵赖性。在这些认证和密钥管理中，也都离 不开加解密。由于无线传感器网络有限的计算能力和存储能力，所 以只能使用对称密钥的分组加密算法，采用ＲＣ ５算法是切实可行的， 它运算方法简单高效，不需要很大的表支持，最重要的是可定制加 密算法，能对于要求不同、节点能力不同的应用可以选择不同的定 制参数，它的加密过程是数据相关的，多种算法混合运算，有很 ３８Ｉ拜托博置 强的抗差分攻击和线性攻击能力。所以能够在一定程度上满足无线传 感器网络加解密的需要。 ２．认证：认证可以分为信息认证和实体认证。对于实体认证，基 于低指数级ＲＳＡ的ＴｉｎｙＰＫ协议是采用分级的思想来执行认证的不同操 作部分，但它也有缺点，采用单一的认证，如果单个节点被捕获，那 么整个网络都将变的不安全。强用户认证协议可以在一定程度上解决 这个问题，但是它也有一些缺点，如节点能量消耗过大，对ＤＯＳ攻击 没有较好的防御措施。所以对于实体认证，在强用户认证协议的基础 上使用ＥＣＣ公钥算法并尽量避免节点进行大计算量的操作可以有效的 进行实体认证 对于信息认证，单播源认证和逐跳认证等认证都存在 一定的缺点，最近提出的多播源认证ｌａ ＴＥＳＬＡ和虚拟的多路径认证能 够提供很好的安全信息认证，但也存在一定的缺点，所以对于信息认 证，采用多点数据源广播认证，虚拟多路径认证和节点分簇相结合的 方法能很好的进行信息认证。 ３．安全组播：安全组播的实质是通过构造树状的通信，来控制 信息的传播方向。通过建立密钥分发树把节点标出根、叶子的等级，对 节点分级管理。在安全组播树中对节点的加入要求进行验证。Ｌｉｔｌ等 人提出的ＰＢＡ协议使用Ｍｅ ｒｋ １ ｅ哈希树认证和发布多个发送者的ｕ ＴＥＳＬＡ参数。可以有效的避免ｌａ ＴＥＳＬＡ原来认证延迟的缺点，同时也 能对被俘获的节点生成撤消树来抵御攻击。但是它对撤消树的维护开 销太大，而且还不支持新的发送者的加入、没有涉及ｂｔｅｒｋｌｅ树的根节 点的发布和认证问题。所以我们可以从每个节点出发对它进行预先配 置或许可以解决这一问题。 ４．网络分级管理：在分簇的路由协议和多点认证中，把网络划 分为小的区域，在每个区域选择高能量的节点作为簇头。由簇头管理 该区域内的节点，由基站管理多个簇头。这样做的好处是划分了责任 区域，将责任落到具体节点，在一定程度能够对抗洪泛攻击，而且在 网络遭受其他攻击时，能够很快发现问题节点。但也存在簇头能量消 耗过多，区域划分的合理性的问题等。这些问题我们可以通过采用广 播半径把节点的广播范围限定在一定的地理区域，避免高能的恶 意攻击者在整个网络区域不断发送数据包，造成ＤＯＳ攻击和能量消耗 攻击，在选择簇头时采用ＬＥＡＣＨ（１ＯＷ—ｅｎｅｒｇＹ ａｄａｐｔｉｖｅ ｃ１ｕｓ— ｔｅｒｉｎｇ ｈｉｅｒａｒｅｈｙ）算法，通过随机循环地选择簇首节点将整个网 络的能量负载平均分配到每个节点中，从而达到降低网络能量消耗、 提高网络整体生存时间的目的 ５．信任等级路由：它的主要思想是采用一个安全参数来衡量路 由的安全级别。在路由选择算法中，选择安全系数高的路由。这样改 进后的路由就可以用信任等级策略对抗Ｗｏｒｍｈｏ１ ｅ、Ｓｉｎｋｈｏ１ｅ攻击。 但是它没有考虑到传感器网络能量的有限性，在实际应用中也没有考 虑到无线传感器网络的特点，还存在着一定的问题，所以不能很好的 应用到无线传感器网络中。在节点能量有限方面我们可以利用基站的 处理能力和存储能力来完成路由监听和检测任务。在建立信任等级路 由时可以引入树的概念，利用根、叶子、父节点和子节点来明确区分 等级节点，减少建立信任等级路由的能量消耗 ６．容侵策略：它的主要思想是在路由设计中加入容侵机制，该 方法主要是考虑如何承受攻击而非对抗攻击 ＩＮＳＥＮＳＥ容侵路由协议 就是这样被提出来的，它是采用ＩＪ ＴＥＳＬＡ中的单向序列和加密的消息 鉴别码算法，及时发现入侵者、用基站寻找建立路由和用基站向每个 节点发送请求信息来增强网络的健壮性，使网络具有一定的对抗攻击 能力和自我修复能力。另外，多径选择策略也可以一定程度上增强网 络的容侵性。但是它们都存在着一些缺点：都没有把节点的能耗问题 作为设计目标，而且入侵行为的检测非常耗时，过多的依赖于基站等， 所以现在的容侵路由协议还不是很完善，还不能很好承受无线传感器 网络中所面临的各种安全攻击，今后的工作就在先前的基础上能够很 好的克服上述问题，改进路由协议来提高网络的安全性。
