基于物聯網的無線傳感器網絡WSNs安全可靠性分析

楊海瀾

（武漢交通職業學院 電子與信息工程學院，湖北 武漢 430065）

1 引言

物聯網是在現有互聯網絡的基礎上，綜合了傳感網絡、射頻識別、無線傳感器、無線通信、云計算、分布式處理、二維碼、實時定位等技術，按照相關的協議，通過集成化、大規模的傳感器將物品和網絡連接起來，實時實地監測，并進行信息交換和通信，采集相關環境信息，并將這些信息通過無線通信方式發送，用無線Ad-Hoc 等網絡形式傳送到用戶終端，以實現對物品的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡[1]。

隨著物聯網技術在物流領域、智能交通業等各個行業的廣泛應用，物聯網的安全可靠性問題也變得更加重要。由于WSNs 在物聯網系統架構中承載著連接互聯網絡和傳感網絡的重任，因此為了保證物聯網運行的可靠性，系統深入地研究無線傳感器網絡安全性變得越來越緊迫。

2 無線傳感器網絡及其系統架構

無線傳感器網絡目前還是一個較新的領域，還處于學術研究或試驗性質階段，距離成熟的應用需求還相差較遠。隨著研究的發展和應用的需要，其技術也日漸成熟，同時關于無線傳感器網絡的應用研究成果也層出不窮，然而這些研究成果還是處于初級階段，要想在實際應用中構架無線傳感器網絡來收集信號，還存在很多問題，如傳感器本身的特性問題、網絡拓撲的控制問題、無線信號的傳輸問題、電池能量的消耗問題等，都讓無線傳感器網絡在實際應用中存在較多的限制。

目前正在使用的無線傳感器網絡WSNs 系統架構如圖1所示，由部署在監測區域中的大量傳感器結點以自組織、多跳方式構成網絡系統，是物聯網底層網絡的重要技術形式。系統架構中的核心是傳感網絡，在監測區域中，大量的結點以無線Ad-Hoc方式進行通信，每一個結點均可充當路由器也就是數據轉發的角色，都具備動態搜索、定位和恢復連接的能力，實時地監測、采集監測區域內傳感器結點感知到的各種信息，并對這些信息進行打包處理后，以IEEE 802.15.4 低速率無線協議的方式發送出去，傳感器結點經多跳轉發將所探測到的有用信息通過初步的數據處理和信息融合之后，通過相鄰結點接力傳送的形式傳送給匯聚結點，最后經過衛星、Internet網鏈接的形式傳送給管理控制中心[2]。

圖1 無線傳感器網絡WSNs系統架構

3 無線傳感器網絡面臨的安全威脅

無線傳感器網絡自身的特點決定了其安全可靠性問題有別于傳統網絡。物聯網系統整體架構的安全問題主要來自物聯網的感知層，感知層處于最基礎最底層，這個層面的信息安全可靠性也最容易受到威脅。物聯網感知層面臨的安全威脅一般來自收集信息過程中的射頻識別系統、無線傳感器網絡以及無線通信信道等。所有這些都需要物聯網系統具有更高、更強的安全機制，來克服物聯網系統在安全方面的威脅，以保證物聯網系統在各個領域的安全應用。

首先，隨著射頻識別技術的廣泛應用，其數據安全問題已超出原來信息系統可防范的安全邊界，成為一個需要關注的安全課題。主要表現在：電子標簽計算能力弱，無線網絡中傳送的數據包有可能被捕獲、篡改，業務應用中的信息安全性和隱蔽性也成為了制約物聯網發展壯大的重要因素。

其次，在無線傳感器網絡中會設置大量的傳感器結點，而這些結點都部署在公開場合中，在通過WSNs 接收信息時，缺乏有效的保護，容易被實時信號干擾甚至捕獲；另外，WSNs中的路由協議還存在較多的安全弱點，容易被惡意的路由信息攻擊導致網絡癱瘓[3]。

最后，不太穩定的無線通信信道問題也使得安全可靠性防范變得更加困難，而且WSNs 結點還必須能夠檢測、甄別不可信傳感器結點來保護監測區域的安全，防御各種類型的攻擊，以保持整個物聯網系統的安全性和完整性。

4 無線傳感器網絡安全可靠性分析

無線傳感器網絡WSNs是典型的分布式網絡系統，具有一定的自組網能力，對網絡拓撲的動態變化也有一定的自適應性，而且與相關物聯網行業應用密切相關，不同的行業應用有不同的安全可靠性需求，其安全可靠性需求是設計安全體系架構的根本依據。再加上網絡中傳感結點數目較多，網絡本身也具有較強的可靠性和魯棒性，所以整個無線傳感器網絡對抗網絡外攻擊的性能較好，是一種先進的智能系統，有能力檢測入侵源。

4.1 安全協議

一般情況下WSNs 安全協議的設計原則是以高效發送信息，節約網絡開銷為基準，對基于WSNs 安全的內容設計考慮不多。但在實際應用領域的WSNs中大多數路由協議，包括基于地理位置的路由協議、基于簇的路由協議、能量保護型路由協議、Rumor協議等都容易遭受攻擊[3]。從目前基于物聯網的WSNs 的安全協議研究來看，主要有兩類協議：一類是基于匯聚結點（或稱為基站）的安全協議。主要有加強基站安全協議、INSENS、入侵容忍和抗流量分析策略、內網處理安全支持協議和健壯、輕權重路由機制等；其中INSENS 作為可容忍入侵的無線傳感器路由協議，其特點是有限度地容忍入侵的存在，可以依靠入侵檢測以及繞過惡意結點而不影響附近的其他結點，因而不會引起整個監測區域大規模的癱瘓，缺點是不太適應WSNs動態拓撲的實時變化；另一類是不依賴于基站的安全協議。這類安全協議主要有基本隨機密鑰預分配、q-合成隨機密鑰預分配、多路徑密鑰增強和隨機對密鑰協議等。

4.2 安全路由與安全聚集

前面談到無線傳感器網絡中每一個結點均可充當路由器也就是數據轉發的角色，因此網絡路由是WSNs研究的熱點之一。WSNs是一個規模龐大的對等網，其中每個結點既是傳感器終端結點也是數據轉發節點。監測區域內的任意兩個結點間的無線網絡通信需要經過若干的多跳轉發，這樣在轉發的過程中就給攻擊者提供了更多可能的惡意破壞機會，安全路由就是要解決如何安全地在監測區域內傳感器結點間數據傳輸存在的問題。根據WSNs路由協議的設計特點，保證網絡路由安全的最可行方法是必須在設計時就將對應的安全策略加入到安全路由協議中去[4]。

數據聚集也是WSNs的另一個特點，是通過在網絡內聚集多個結點所采集的數據，以達到減少信息交換次數、降低電池能量消耗，從而延長WSNs生命周期的目的。針對由此可能產生的網絡攻擊，目前采取的措施主要有：多路徑路由行程、鏈路層加密和認證、廣播認證、身份確認和雙向連接確認。而根據目前的技術發展，在WSNs中實現安全聚集的主要途徑集中在提高原始數據的安全性以及使用安全聚集算法上。

4.3 WSNs密鑰管理、身份認證和數據加密

基于物聯網的無線傳感器網絡與一般應用網絡在設備搭建、網絡共享等多方面存在較大不同，這就需要針對這些不同點對WSNs 的密鑰管理策略重新進行考慮。盡管密鑰管理協議在一般應用網絡中得應用已較為成熟，但由于WSNs自身的應用特點及其存在的諸多資源制約，總體來說，比一般應用網絡更難抵抗來自監測區域內的各種攻擊。

WSNs的各種安全機制的實現依賴于密碼管理，其中密鑰應用技術是無線傳感器安全管理策略的核心，涉及網絡應用的諸多層面，身份認證和加密技術都離不開密鑰的管理策略。在應用網絡中，一般通過分析密鑰管理策略所能提供的安全方案來評價一個密鑰管理策略的好壞，目前被認為是安全且較為有效公鑰密碼機制的算法主要集中在RSA，ECC，DSA 上。但這些算法在WSNs 中不能解決所有問題。首先網絡資源、通信資源、計算資源和在安全策略上的資源消耗是設計WSNs密鑰管理時首先考慮的問題。WSNs要求其密鑰管理策略在規定允許的安全級別下盡可能減少對各方面資源的消耗，以達到延長網絡生命周期的目的，包括能承擔繁重的密鑰管理工作的安全性較好的多密鑰系統，但這種集中式的多密鑰系統并不適應WSNs分布式特征。

4.4 WSNs中亟待解決的若干關鍵安全問題

由于WSNs是無線通信網絡，而無線傳感器隨機部署在開放空間中，監測區域里的結點很容易被攻擊后重寫內存，另外在網絡的監測區域里也很容易被監聽信道，并往信道里加入問題數據包，或重放以前監聽到的數據包等。此類安全問題與WSNs 中的其他數據管理、通信協議、拓撲管理等領域的安全性研究相比，WSNs 的安全問題的研究工作還相對較少，存在的挑戰性問題還很多。比如在無線通信網絡環境下，共享密鑰相對脆弱，不同無線結點對在不同時間段進行安全通信需要可靠的會話密鑰，而在WSNs 密鑰預分配中，節能有效并保持可擴展性和適應性是原則，密鑰協商協議如何能夠消除會話密鑰與共享密鑰之間的相互影響，使系統更強大就成為WSNs中亟待解決的安全問題[3]。

5 結語

能夠體現整體安全思想的“可信應用”、“可信網絡”已經成為物聯網安全可靠性發展的大趨勢，以無線Ad-Hoc、傳感器網絡為應用背景的無線通信網絡可靠性以及相關的網絡安全與可信問題也將成為物聯網系統中的關鍵技術。從已有的應用技術來看，針對無線傳感器網絡的密鑰管理策略，經常為了適應傳感器的軟硬件條件限制而降低密鑰安全性，而對于不同的系統架構和網絡環境，也都表現出有限的適應性，隨著物聯網系統在各個領域的開發應用，設計出簡單高效且安全可靠的密鑰管理協議迫在眉睫。

今后，物聯網系統的密鑰管理策略將需要解決兩個方面的問題：一是如何構建一個適應物聯網體系架構，且具有可擴展性和高效抗攻擊的密鑰管理系統；二是如何有效地應用密鑰管理策略[5]。

[1]李俊霖.物聯網傳感網絡安全協議形式化研究[D].昆明:云南大學,2011.

[2]司海飛，楊忠，王珺.無線傳感器網絡研究現狀與應用[J].機電工程，2011,28(1):16-20.

[3]Kevin.WSN 無線傳感器網絡的可靠性研究分析[EB/OL].http://ee.ofweek.com/2011-07/ART-8900-2804-28475910.html,2011-07-26.

[4]杜曉靜,何秋燕.物聯網中無線傳感器網絡的安全性研究[J].網絡安全技術與應用,2013,(10):66-67.

[5]趙會敏,于傳卓.面向物聯網的傳感器網絡密鑰管理研究[J].警察技術,2013,(5):51-53.