無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全性及節(jié)點(diǎn)可靠性分析

董慧妍

(蘇州建設(shè)交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校,江蘇蘇州 215104)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全性及節(jié)點(diǎn)可靠性分析

董慧妍

(蘇州建設(shè)交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校,江蘇蘇州 215104)

分析了對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)造成安全威脅的攻擊類型,提出采用數(shù)字簽名、提高路由安全以及改進(jìn)LEACH的方法,以提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可靠性。

無線傳感器;網(wǎng)絡(luò)安全性;節(jié)點(diǎn)可靠性;攻擊類型;路由監(jiān)測(cè)

1 導(dǎo)言

隨著微處理器和無線通信領(lǐng)域技術(shù)的日益革新,低功耗多功能傳感器發(fā)展迅速。這種傳感器將信息的收集、數(shù)據(jù)的處理以及無線通信等技術(shù)集成起來,由安放在檢測(cè)范圍內(nèi)的微型傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,根據(jù)無線通信的傳輸方法構(gòu)成多跳自組織的一種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[1]45-47。

在節(jié)點(diǎn)計(jì)算速度等有限的前提下,利用安全機(jī)制的設(shè)計(jì)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供比較安全的工作環(huán)境,是一個(gè)關(guān)系到傳感器網(wǎng)絡(luò)能否應(yīng)用到實(shí)際中的非常重要的問題。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)是通過監(jiān)測(cè)以獲得有效的信息,并且將采集的信息傳送至監(jiān)測(cè)者。能源的限制和糟糕的環(huán)境將導(dǎo)致無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些節(jié)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)失效的狀況。另外,傳感器網(wǎng)絡(luò)也會(huì)受到人為的破壞。這都會(huì)影響到整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全可靠性[2]1248-1251。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性是衡量無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能的重要標(biāo)桿,因此對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性研究顯得尤為必要,特別是研究通信節(jié)點(diǎn)和鏈路異常工作而引起的網(wǎng)絡(luò)的性能變化更為重要。

本文介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全需求和節(jié)點(diǎn)可靠性,對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可能受到的各種攻擊類型進(jìn)行了分析,并給出了傳感器網(wǎng)絡(luò)安全方案。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全淺析

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)受到安全威脅的攻擊類型

目前,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)受到的攻擊類型主要有以下幾類：拒絕服務(wù)(DoS)攻擊、Sybil攻擊、蟲洞攻擊(Wormhole)、HELLO洪泛攻擊和針對(duì)傳輸信息的攻擊,下面介紹其中兩種：

(1)Sybil攻擊：攻擊節(jié)點(diǎn)有著多重身份,使之更容易被其他節(jié)點(diǎn)作為下一跳的目標(biāo),為傳輸信息的攻擊提供了條件。該攻擊方式使得分布式存儲(chǔ)路由和多路徑路由等具有容錯(cuò)功能的路由方案降低了容錯(cuò)效果,并威脅到了地理路由協(xié)議[3]1203-1209。

(2)對(duì)傳輸信息的攻擊：因?yàn)闊o線通信比較容易受到竊聽,攻擊者能夠利用監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)通信過程來修改和丟棄正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分組。尤其是當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)的通信范圍比較小,且資源很有限的時(shí)候,這就使得能量高和通信范圍大的攻擊者可以對(duì)多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同時(shí)攻擊,破壞正在傳輸?shù)男畔4]108-110。

2.2 對(duì)策

2.2.1 數(shù)字簽名。數(shù)字簽名即附在消息上的某些數(shù)據(jù)使得消息的接收者可以確認(rèn)消息的來源與完整性等信息,防止被攻擊者偽造。數(shù)字簽名具有不可替代性。數(shù)字簽名采用公鑰加密領(lǐng)域的技術(shù),即由信息的發(fā)送方通過秘密鑰匙加密給接收方發(fā)送信息和簽名,接收方使用發(fā)送方公鑰解密來鑒別其簽名的真實(shí)性。

2.2.2 提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由的安全性。要提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由的安全性,可以采取一些措施,如雙向連接確認(rèn)、多路徑路由行程和鏈路層加密認(rèn)證等。但是這些措施只有在路由協(xié)議設(shè)計(jì)好之前加入?yún)f(xié)議才能起到抵御攻擊的效果。

3 改進(jìn)LEACH以提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可靠性

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn),比較容易因?yàn)槟芰康南ТM而失效,該情況在簇網(wǎng)絡(luò)中表現(xiàn)尤為顯著。

低功耗自適應(yīng)集簇分層型協(xié)議LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)是一種自組織和適應(yīng)的簇協(xié)議,LEACH每次都會(huì)隨機(jī)選擇一些節(jié)點(diǎn)作為簇頭節(jié)點(diǎn)。正是由于隨機(jī)性,所以各個(gè)節(jié)點(diǎn)輪流地成為簇頭節(jié)點(diǎn),這樣就保證了整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量均衡性。無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送至簇頭,由簇頭進(jìn)行數(shù)據(jù)的重組和處理。見下圖1的無線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖所示。

圖1 無線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

3.1 LEACH在節(jié)能方面的弊病

LEACH在節(jié)能方面有三大弊病：

(1)簇頭比一般節(jié)點(diǎn)承擔(dān)更多的工作,體現(xiàn)在它們既要接收簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行整合,又需發(fā)送數(shù)據(jù)至基站節(jié)點(diǎn)。

(2)距離基站較遠(yuǎn)的簇頭須采用遠(yuǎn)距離的傳輸方式將數(shù)據(jù)和信息發(fā)送至基站,這樣會(huì)導(dǎo)致這些簇頭的提早衰亡。

(3)由于簇大小不對(duì)稱,會(huì)導(dǎo)致有著過多簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的簇頭超能量負(fù)荷。

以上三個(gè)弊病將造成一些傳感器節(jié)點(diǎn)的提早衰亡[5]211-215。

3.2 改進(jìn)方法及分析

對(duì)于以上闡述的弊病,一種新的節(jié)能且有著可靠拓?fù)湫缘拇鼐W(wǎng)絡(luò)算法ERCTNA(Energy-efficient and ReliableCluster Algorithm for Topology)產(chǎn)生。該算法是在簇內(nèi)放置一種特殊的節(jié)點(diǎn),稱為簇頭輔助節(jié)點(diǎn)。其既增強(qiáng)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性,又節(jié)約了能量。

3.3 ERCTNA具有的特點(diǎn)

(1)當(dāng)一些簇過大時(shí),簇頭輔助節(jié)點(diǎn)分擔(dān)簇頭部分收集簇內(nèi)數(shù)據(jù)的工作。

(2)簇頭輔助節(jié)點(diǎn)取代了頭,因而承擔(dān)了大多數(shù)的數(shù)據(jù)傳輸工作。

(3)對(duì)于離基站較遠(yuǎn)的簇頭,簇頭輔助節(jié)點(diǎn)通過多跳傳輸方式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),從而避免了遠(yuǎn)距離通信造成的過多能量損耗[6]89-93。

4 小結(jié)

本文對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全性及節(jié)點(diǎn)可靠性進(jìn)行了分析,分別對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全性中涉及到的攻擊類型及對(duì)策進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。另外,又對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可靠性中的改進(jìn)方法LEACH做了闡述。

[1] 任新輝,徐勇軍,別榮芳,李曉維.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信安全[J].上海師范大學(xué)學(xué)報(bào),2005(5).

[2] 陳國龍,張德運(yùn),王曉東.通信網(wǎng)絡(luò)可靠性評(píng)估的一種算法[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng),2000(12).

[3] 于海斌,曾鵬,尚志軍.分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2005(11).

[4] 馬祖長,喬暉,孫怡寧.一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2003(11).

[5] 石軍鋒,鐘先信,陳帥,邵小良.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2005 (02).

[6] 李鳳保,李凌.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜述[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2005(S2).

責(zé)任編輯：為 恒

TP212

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1671-8275(2014)01-0117-02

2013-10-23

董慧妍(1981-),女,江蘇蘇州人,蘇州建設(shè)交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校講師。研究方向：弱電控制。