無線傳感器網絡復件攻擊的移動檢測方法

陳向益，王良民，詹永照

(江蘇大學 計算機科學與通信工程學院，江蘇 鎮江 212013)

1 引言

無線傳感器網絡（WSN, wireless sensor network）節點通常部署在無人照看的環境中，通過自組織的方式形成網絡進行環境監測、敵情勘察等重要工作。由于WSN的無人照看的特性使得無線傳感器網絡特別容易遭受各種攻擊，而來自于WSN內部的安全威脅[1]嚴重影響了WSN的正常運轉。

在這些內部攻擊中，復件攻擊是一種較為隱蔽的潛在的安全威脅，指的是攻擊者通過物理俘獲無線傳感器網絡內部的合法節點，破解而獲得節點的身份ID、密鑰等重要信息，接著克隆出使用同樣身份ID和密鑰等信息的復件節點，偷偷地將這些復件節點部署在網絡中，隨后利用這些復件節點發起諸如數據注入、選擇性轉發、制造路由環路甚至拓撲分割等惡劣的攻擊活動。如圖1所示，黑色節點代表正常節點，自組織地形成了網絡，攻擊者俘獲了的節點用灰色表示，白色的節點代表攻擊者克隆并部署的復件節點。

由于復件節點對無線傳感器網絡的正常運行構成了嚴重的潛在安全威脅，因此，復件節點的檢測和撤銷成為無線傳感器網絡安全的一個重要研究內容[1]。好的檢測方案要求檢測率高、誤檢率低、檢測方案造成的計算、存儲和通信開銷低，并且要求檢測開銷要能夠在網內節點間均衡不致于使得個別節點過早能量耗盡而死亡。

圖1 基于移動sink的復件節點檢測方案

現有的復件節點的檢測方案可以分為中心式檢測[2]、局部檢測[3～5]和廣播檢測[6]。中心式檢測方案[2]采用所有的節點將自己的鄰居節點列表上傳到中心基站進行節點ID的比對和判斷，這種方案較為有效，能夠檢測出網內所有的復件節點，但是中心基站的模式存在能耗嚴重不均的問題，越靠近基站的節點能量消耗越高，容易能量過早耗盡而死亡；局部檢測方案[3～5]采用本地節點間的投票來檢測出復件節點，能夠有效地檢測出本地復件節點，缺點是不能檢測到分散距離較遠的復件節點；廣播式的檢測方案[6]讓所有節點廣播自己ID和所在位置的聲明消息，那些收到同個ID在不同位置的證人節點就成功檢測到復件節點，然后向網絡內節點廣播撤銷該ID所對應節點的消息，該方案能夠有效地進行分布式地檢測，主要缺點是每個節點都要進行聲明消息的廣播，并且要存儲和比較收到的其他節點的聲明消息，存儲和通信開銷較大。

在廣播式方案的基礎上，為降低檢測開銷，相應的改進方案[6～8]被提出。其中，文獻[6]提出了RM和LSM方案，RM方案中，節點將使用基于身份的公鑰機制簽名的身份和位置綁定的聲明信息廣播給自己的鄰居節點，鄰居節點再以一定的概率將該聲明消息發送到隨機選擇的網絡內節點進行見證，按照生日悖論，相同ID的節點將以較大的概率擁有相同的證人節點，從而被證人節點檢測到；為了進一步提高RM方案的檢測概率，LSM方案讓轉發聲明消息的路徑上的節點也存儲和比較聲明消息，從而一個聲明消息從源節點到目的地節點形成了由線段形成的驗證線，而相同ID節點的驗證線將有較大的概率相交于網絡內的某些節點，從而這些節點成為證人節點，檢測到復件節點并發起撤銷過程，LSM方案相對RM方案提高了檢測率，但也增加了節點的存儲開銷，同時也存在驗證現在網絡中心交叉概率大的中心擁擠問題。文獻[7]針對LSM檢測方案存在的中心擁擠問題提出了RED檢測方案，提出使用一個全網共享并更新的隨機數種子，使得復件節點和變節節點通過相同的偽隨機函數計算得到同樣的位置聲明消息發送的目的地節點，從而被這些證人節點檢測到，但是該方案要實現隨機數種子的全網共享和更新，多數情況下不易實現。文獻[8]則在概率選取的基礎上，利用群部署（group deployment）的先驗知識進一步降低安全代價并提高檢測率。總之，這些檢測方案的成功率和精度依賴于生日悖論和隨機概率，檢測的開銷依然較大。

在無線傳感器網絡的推廣應用過程中，移動節點的出現則擴充了無線傳感器網絡的使用范圍。文獻[9]研究了由移動節點組成的WSN的復件節點攻擊檢測方法，提出使用SQRT方法，以移動節點的移動速度不能超過系統設置的最大值為標準進行檢測，但是僅適用于由移動節點構成的無線傳感器網絡。文獻[10]借用節點移動的思想到靜態傳感器網絡，提出使用移動Patroller作為檢測者，進行網絡復件節點的檢測，能夠有效地檢測出網絡的復件節點，通過使用移動Patroller降低了網絡內部靜態節點的能耗，能夠有效地延長網絡的壽命，但是，方案中靜態節點仍舊需要執行節點定位算法和時間同步算法從而增加了節點的計算和通信開銷。復件節點的檢測問題遠沒有有效地解決，仍舊是一個需要繼續深入研究的開放性問題。

受移動節點這一思想的啟發，本文設計了使用移動sink來進行復件節點檢測的方法，不需要使用節點定位機制和節點間的時間同步算法，通過移動sink在網絡中進行數據收集和巡視，來檢測網絡中的復件節點。本文后續內容組織如下：第2節給出網絡和攻擊者的模型；第3節提出基于移動sink的復件節點檢測和撤銷方案；第4節針對提出的協議進行分析并給出仿真實驗結果；第5節對本方案和現有的相關方案進行比較；第6節對文中的提出的方案進行總結。

2 網絡模型和假設

假設無線傳感器網絡WSN由靜態傳感器節點和一個移動sink組成，移動sink在網絡部署區域移動巡視，假設移動sink是可信的管理者，計算、存儲、通信能力較強，能量充足。另外，假設網絡中的所有的通信是雙向的，這也是多數復件檢測方案的假設。

移動sink熟悉網絡的拓撲和節點部署的大致地理位置，并且移動sink帶有定位裝置（如GPS設備）知道自身當前的地理位置，靜態傳感器節點不需要知道自己的位置信息。

網絡中移動sink和靜態節點之間的通信采用基于身份的公鑰方案(ID-based public key schema)進行加密和簽名，類似于文獻[6～10]，只有節點知道自己的私鑰，節點的私鑰由網絡部署者采用秘密的信息和節點的ID通過計算得到，而這個秘密的信息不存儲在節點中，因此攻擊者不可能獲得這個秘密。節點的公鑰由它的身份標識ID通過函數f(ID)計算得到，節點不需要存儲對方的公鑰或者證書信息。表1列出了本文提出的方案描述中使用到的相關的符號和對應的含義。

表1 文中使用到的符號和對應的含義

攻擊者由于不可能獲得網絡部署者的秘密信息，不可能任意地創造節點的身份ID，除非通過物理俘獲已有的網絡內靜態節點、破解從而獲得它的私鑰，這就限制了攻擊者只能通過變節節點而進行克隆來制作復件節點。

3 移動sink檢測方案

在網絡部署之后，網絡部署者將網絡的部署區域按照移動sink的通信覆蓋能力分割成一系列的子區域，使得每個子區域保證移動sink的通信半徑能夠完全的覆蓋到，將這些子區域按照方便巡視的方式進行編號，移動sink按照編號的順序依次巡視這些小區域，完成節點數據匯集和復件節點的檢測和撤銷過程，如圖1所示，細虛線表示區域劃分，粗虛曲線表示可能的巡視路徑。

移動sink在WSN部署的區域中按照一定的周期進行巡視，到達一個區域之后，進行數據的收集、復件節點的檢測，然后移動進入下一個區域，執行同樣的工作，直到網絡的所有部署區域巡視結束，完成一個巡視周期。然后，移動sink查看檢測到的復件節點表格，如果檢測到新的復件節點，則向網絡廣播撤銷消息，之后進入下一個巡視周期。

靜態節點的待巡視周期編號為iN，網絡初始部署之后，每個節點都將自己存儲的待巡視周期初始化為零，該編號在節點被巡視過之后加一表示等待下一個巡視周期；移動sink也將巡視周期No初始化為零。在開始一個新的巡視周期的時候，移動sink將該編號加一，表示開始一個新的巡視周期。

3.1 協議描述

在本檢測方案中，移動sink和傳感器網絡內部節點間的通信交互的時間順序如圖2所示，移動sink執行如圖3所示的算法；無線傳感器網絡內的靜態節點執行如圖4所示的算法。

圖2 移動sink和節點間的通信過程

圖3 移動sink執行的檢測算法

圖4 網內靜態節點執行的算法

3.2 復件節點的檢測過程

第1步：移動sink向所在的子區域內廣播數據收集請求消息Message1，內容如式(1)所示，

第2步：節點應答移動sink。

網絡內處于移動sink通信覆蓋區域的節點收到Message1之后，根據IDsink計算出移動sink的公鑰，使用該公鑰驗證簽名過的內容得到IDsink，Req和No，對比IDsink，比對No和節點內存儲的待巡視周期Ni，并據Req判斷是否是收集數據的請求，驗證不通過則忽略該消息，否則構造并向移動sink發送應答消息Message2，如式(2)所示。

Message2中包含節點自己的身份標識IDi和節點私鑰簽名的內容，將標識再次包含進去是為了給對方進一步驗證。

第3步：移動sink發送對稱密鑰給“忠實”應答的節點。

移動sink收到消息Message2之后，首先根據IDi檢查已經檢測到的復件節點列表ReplicaTable，如果該身份標識已經在該列表中，說明該身份ID對應的節點是已知的復件節點，則處理結束；否則，根據IDi計算得到節點Si的公鑰，驗證簽名內容，比對IDi確認身份，比對Ni確認巡視周期，驗證通過，將Message2存儲起來以備撤銷時候使用。接著檢查本檢測周期中已經巡視過的節點列表IDTable，如果該ID已經在該列表中說明該節點是復件節點，移動sink一個巡視周期No內收到2個來自同一個ID的Message2，則發現復件節點，將該ID存儲到復件節點列表，并將矛盾的Message2作為證據，在撤銷時使用。

對于正常應答的節點，在處理結束之后更新對稱密鑰RandNumNo給該IDi對應的節點，消息內容如Message3所示，其中要更新的對稱密鑰RandNumNo使用節點的公鑰進行加密，并隨同移動sink的身份表示和巡視周期編號一起被移動sink數字簽名，如式(3)所示。

為了防范復件節點在第2步不應答移動sink從而躲避檢查，移動sink針對“忠實”應答的節點的回復更新傳感器網絡內靜態節點間通信使用的對稱密鑰RandNumNo，該對稱密鑰在每個巡視周期No由移動sink進行更新。通過該機制將使得復件節點除非在第2步進行應答，否則，將得不到移動sink更新的對稱密鑰，從而不能參與后續的網絡內活動。

節點收到Message3之后，驗證簽名并解密得到對稱密鑰RandNumNo，在網內通信時用于消息的加密和解密。

移動sink在一個子區域處理完畢，進入下一個子區域執行以上過程，直到網絡的所有子區域都處理完畢回到起點，從而完成整個巡視周期。在一個巡視周期結束之后，如果復件節點列表為空，說明經過檢測沒有發現復件節點，則不需要執行撤銷過程；如果復件節點列表非空，則說明檢測到了復件節點，則隨之執行3.3節的復件節點撤銷過程。

3.3 復件節點的撤銷過程

撤銷過程由2步構成。

第1步：移動sink向網絡中的節點廣播撤銷消息Message4，如式(4)所示。

Revoc是撤銷請求的命令，Evidence包含被撤銷的節點標識iID和撤銷證據信息，內容如式(5)所示。

Message2和Message2'是移動sink在一個巡視周期No內收到的身份標識都是IDi的2條應答消息，在此作為證據，在撤銷消息中附帶，發送給網絡中的節點進行驗證。

第2步：靜態節點收到撤銷消息之后將節點加入復件節點黑名單。

靜態節點在收到Message4之后，根據IDsink計算移動sink公鑰，驗證簽名內容得到sinkID、No、Revoc和Evidence，比對身份標識IDsink和巡視周期No，驗證Revoc確認是撤銷消息，這些驗證任何一個沒有通過則忽略該消息。驗證通過則查看證據Evidence的內容，根據證據中的身份標識IDi，首先檢查復件節點黑名單，如果該節點已經在黑名單中，則結束處理；否則，依次驗證證據消息Message2和Message2'，驗證通過則信任該證據，將身份標識IDi存入復件節點黑名單，拒絕該身份ID所對應節點的所有通信。

4 協議分析和仿真實驗

4.1 協議分析

4.1.1 漏檢

本方案中，通過引入移動sink，使得網絡內靜態節點獲得和移動sink的直接通信機會，而移動sink在收集節點的傳感器數據的同時通過判別節點的ID來檢測復件節點。理論上只要復件節點應答移動sink的消息，則移動sink最后將找到網絡內的所有復件節點。由于一輪檢測周期中，每個ID對應的節點只會發送一個消息給移動sink，則重復ID的節點一定是復件節點，使得本方案不存在漏檢的問題。

4.1.2 虛警

由于在移動sink的檢測過程中，采用了數字簽名的方案，保證了消息的可信性；撤銷消息中采用節點簽過名的身份作為證據，保證了撤銷過程的可信性；因而，網內節點不會被錯誤地檢測和撤銷掉，不存在虛警的問題。

4.1.3 檢測開銷的均衡

移動sink在網絡內巡視，將檢測過程的開銷平均分配到網絡中的節點，實現了檢測開銷的均衡。

4.1.4 通信次數

在一個巡視周期中，如果沒有檢測到復件節點，正常節點只需要接收2條移動sink的消息，發送一條消息給移動sink；如果檢測到復件節點，則除了以上的開銷之外，還將接收移動sink的一條撤銷消息。

4.1.5 計算開銷

1) 靜態節點計算開銷

網絡中不存在復件節點時，在收到移動sink的Message1后，驗證簽名要用到公鑰算法，發送消息Message2給移動sink時，需要用公鑰算法進行簽名，收到移動sink發送的Message3時，需要使用公鑰算法驗證簽名、解密移動sink更新的對稱密鑰，網絡內的靜態傳感器節點需要執行4次公鑰算法。

如果復件節點被移動sink檢測到，在撤銷時，需要執行3次公鑰算法，一次是對撤銷消息的驗證，另外2次用于檢驗證據。

2) 移動sink計算開銷

在一輪巡視周期中，移動sink發送2個消息給節點要簽名兩次，從節點接收一個消息，要驗證簽名一次，在傳送秘密給節點時要加密一次，對于一個區域中的節點要執行一次公鑰算法，與網絡內的每個節點通信總共需要執行3次公鑰算法。對于存在撤銷消息的情況，發送撤銷消息將需要執行一次公鑰簽名算法。

4.1.6 存儲開銷

1) 靜態節點存儲開銷

由于靜態節點不需要存儲檢測過程中其他節點的信息，只需要存儲待檢測周期，由ID計算公鑰的函數，移動sink更新的對稱密鑰，復件節點身份標識黑名單等數據，節點的存儲空間需求正比于復件節點的身份標識ID的數目。

2) 移動sink存儲開銷

移動sink需要將每個節點的應答Message2都存儲起來以便于比對以及作為撤銷時的證據，所以存儲能力要求較高，跟網絡中的節點數目n成線性關系。另外，移動sink要存儲已經檢測過的節點身份標識列表，復件節點身份標識列表信息。

4.2 仿真實驗結果

為了檢驗本文提出的基于移動sink的檢測方案，在NS2仿真環境中進行了大量的不同場景下的仿真實驗。

仿真的設置為：場地為500m×500m的平面區域，即場地為二維平面坐標XY中坐標為（0，0），（0,499），（499，499），（499,0）4個頂點構成的方形區域；無線通信節點物理層的射頻通信模型采用TwoWayGround，MAC層的協議采用IEEE 802.11，由于本文只考慮讓移動sink和通信范圍內的鄰居節點直接通信，不考慮路由，所以將路由協議設置為DumbAgent，即不帶路由功能；移動sink的移動路徑依次為位置坐標(124,124)，(124,374)，(374,374)，(374,124)，這樣將方形區域劃分為大小相等的4個小方塊，這樣設計的依據是讓移動sink的通信范圍能夠覆蓋到劃分的小區域，在仿真工具NS2中默認的無線節點的通信半徑是250m，因此采用如上的子區域劃分能夠保證移動sink對子區域完全的通信覆蓋。

1) 檢測結果以及節點數目對結果的影響

首先，為了檢驗本文設計的方案的檢測結果，進行了一個復件節點的檢測仿真。設定只有一個復件節點，但是改變節點個數n，讓這n個節點被隨機撒播在場地中，隨機分布采用均一分布，檢查本協議在不同節點數目情況下對唯一一個復件節點的檢測結果。仿真的結果顯示，在存在一個復件節點的情況下，本文提出的協議能夠成功地檢測到該復件節點，檢測所需要的時間以巡視輪數來衡量的話，該時間隨著場地內節點的數目增多而延長，圖5是依據仿真結果而繪制的曲線。

圖5 節點數目對檢測的影響(存在1個復制節點的檢測場景)

仿真實驗中，節點數目分別設置為50、100、150、200、250、300、350、400、450、500，為了消除節點隨機分布對檢測結果的影響，針對每個節點數目進行20次仿真實驗求出平均的結果。由圖5可見，隨著節點數目的增加，檢測該復件節點所需要的時間也隨之增加，但該復件節點總能被本文提出的協議所檢測到，時間的變化是由于節點數目增加之后，場地內節點的密度增大，無線通信的干擾也隨之增大，導致移動sink和場地內節點之間的通信成功率降低，從而使得移動sink要通過多次巡視才能完成對網絡內所有節點的遍歷訪問，并找到復件節點，因此造成了檢測時間的增加。

從仿真結果看，實際的傳感器網絡在部署的時候，節點的密度對于檢測過程具有較大的影響，因為本檢測協議在執行過程中，要通過移動sink廣播檢測請求信息，收到檢測請求的節點在進行應答的時候的隨機性使得通信沖突隨著節點的部署密度增加而增大。

2) 復件節點數目對檢測過程的影響

固定節點個數，增加某個身份ID被復制的節點的數目，考察復件節點數目的改變對檢測過程和結果的影響。

實驗中，固定節點數目n=500，將一個身份ID被復制多個復件隨機部署在網絡中，同樣進行多次仿真實驗求出平均的結果。如圖6所示是仿真結果，在節點數目固定之后，移動sink巡視網絡內所有節點所需要的總的時間基本固定，在被復制節點的數目增多后，移動sink找到復件節點的機會也增大。檢測所需要的時間（以巡視輪數來表示）隨著復件節點的數目增加而減小，至少需要一輪的時間。

圖6 復件節點數目對檢測時間的影響

3) 檢測過程的通信開銷

為了分析檢測協議的檢測開銷，進行如下的仿真實驗，固定節點數目為n=100、復件節點數目c固定為1。實驗并分析為了檢測到該復件節點網絡內每個靜態節點所需要的通信次數，仿真的結果如圖7所示。從仿真結果分析，為了找到該復件節點，移動sink需要在網絡的部署區域巡視大約兩輪，在這兩輪的巡視中網絡內的靜態節點需要平均發送1.9個數據分組給移動sink，而平均需要從移動sink接收6.17個數據分組，平均總共需要8.07個數據分組與移動sink的收發。該結果包含了由于節點間的通信沖突而導致的數據分組重傳的因素影響。這個結果與理論分析也是吻合的，因為從理論分析來看，本文提出的檢測協議中，一輪檢測過程，網絡內每個靜態節點需要從移動sink接收2個數據分組，靜態節點需要發送1個數據分組給移動sink，總共需要3個數據分組的通信過程。實際仿真的結果分析是由于執行兩輪的檢測才能遍歷完整個網絡內的所有靜態節點，并包含了重傳的因素。

圖7 網內節點的通信開銷

從以上的仿真結果來看，在不限制仿真時間的情況下，本文提出的檢測協議能夠有效地檢測到網絡內的復件節點，不存在誤檢和漏檢的情況，并且當同一個身份ID的復件節點增加的情況下，檢測出復件節點所需要的時間極大地降低；當網絡內節點的數目增加從而使得節點的密度增大之后，節點之間的通信沖突增加從而導致較多的數據分組丟失和重傳，使得仿真實驗時檢測出復件節點的時間相應地延長，通信的開銷也相應地由于分組丟失和重傳而增加，這也說明本方案不太適用于節點稠密的傳感器網絡部署環境。通常的實際應用環境中，基于成本的考慮，環境中節點的部署不會采用非常稠密的方式，所以本文提出的檢測方案能夠應用于多數實際的傳感器網絡。從通信的開銷來看，本文提出的協議與理論分析的通信開銷是基本吻合，但是由于通信沖突的原因稍高于理論分析值。

5 相關工作比較

本文提出使用移動sink檢測和撤銷方案，通過移動sink在網絡中收集數據來判斷復件節點，與現有的復件節點檢測方案相比，節點不需要使用定位裝置或者定位算法，并且不需要節點間的時間同步，降低了執行定位算法和時間同步算法的開銷。表2列出了本文的方案和現有的方案在檢測開銷上的比較，其中，c表示被復制的身份ID的數目。

表2 檢測開銷對比

移動sink的巡視在網絡節點間均衡了檢測開銷。在每個巡視周期內，每個節點都會與移動sink通信一次，保證了復件節點一定會被檢測到并撤銷掉，不存在誤檢和漏檢的問題，并且在撤銷的廣播消息中采用了節點簽過名的證據，保證了撤銷過程的可信性。

與中心式檢測方案相比，本文中的基于移動sink的方案，改善了中心式檢測方案存在的靠近中心基站的網絡節點能耗較大的問題，同時通過移動sink主動式的分區域的訪問，不會出現網絡節點統一向中心基站匯報可能造成的擁塞問題。

與采用鄰居間投票表決的方案相比，本方案能夠檢測出全局復件節點，即使復件節點不在共同的鄰居域中，仍然能夠被有效地檢測到。

本方案和采用廣播方式的檢測方案相比，網絡內節點不需要周期性地向網絡中的證人節點發送消息，減少了檢測報文的轉發開銷，使得每個節點的檢測都不依賴于其他節點，不會增加其他節點的開銷。

6 結束語

本文提出了一種基于移動sink的復件節點檢測和撤銷方案，能夠有效地檢測和撤銷網絡中的復件節點，與現有的檢測方案相比，檢測開銷較小并且檢測開銷在網絡內節點間實現了均衡。通過大量的仿真實驗進一步驗證了本方案的有效性。與現有的檢測方案相比，本方案不需要定位裝置或者算法；其次，本方案不需要執行時間同步算法。而這兩項改進能夠較大地降低節點的成本以及計算和通信方面的開銷，延長傳感器網絡節點的壽命。本文提出的方案專注于復件攻擊的檢測，主要考慮了網絡通信正常進行情況下復件攻擊的檢測，下一步的工作將從以下2個方面展開：首先，研究移動sink更新網絡對稱密鑰存在的不同步問題，提出更加有效的網絡對稱密鑰的更新方法；其次，研究通信失效的情形對檢測協議和網絡造成的影響，并給出更為有效的解決方案降低這種影響。

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