面向物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡智林，徐端倪，瞿紅梅

（四川科技職業(yè)學(xué)院，四川 眉山 611745）

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在各種領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。然而，由于其開(kāi)放性和分布式特性，使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨著諸多安全威脅和攻擊。為了保護(hù)傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)安全和系統(tǒng)可靠性，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一套適用于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的安全機(jī)制至關(guān)重要。

1 常見(jiàn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全威脅和攻擊類型

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨各種安全威脅和攻擊，了解這些威脅和攻擊類型對(duì)于設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)安全機(jī)制至關(guān)重要。常見(jiàn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全威脅和攻擊類型主要包括節(jié)點(diǎn)偽裝攻擊、節(jié)點(diǎn)隱私泄露攻擊、數(shù)據(jù)篡改攻擊、節(jié)點(diǎn)拋棄攻擊、節(jié)點(diǎn)拒絕服務(wù)攻擊、節(jié)點(diǎn)能量耗盡攻擊、中間人攻擊以及節(jié)點(diǎn)物理?yè)p壞攻擊，具體如表1 所示[1]。

表1 常見(jiàn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全威脅和攻擊類型

2 認(rèn)證和密鑰管理

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)身份驗(yàn)證

傳感器節(jié)點(diǎn)身份驗(yàn)證是確保無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)合法性和真實(shí)性的過(guò)程，主要流程如下。（1）在網(wǎng)絡(luò)部署之前，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行注冊(cè)。注冊(cè)過(guò)程可以包括節(jié)點(diǎn)的身份信息、密鑰生成和分發(fā)等操作，注冊(cè)時(shí)需要確保節(jié)點(diǎn)的身份信息是真實(shí)和可信的。（2）在節(jié)點(diǎn)想要加入網(wǎng)絡(luò)或進(jìn)行通信時(shí)，它需要向網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送身份認(rèn)證請(qǐng)求。請(qǐng)求中可能包含節(jié)點(diǎn)的身份標(biāo)識(shí)、加密信息等。（3）接收到身份認(rèn)證請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)會(huì)向請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)挑戰(zhàn)問(wèn)題，挑戰(zhàn)可以是一個(gè)隨機(jī)數(shù)或者其他要求節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算或加密的數(shù)據(jù)。請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)需要正確地響應(yīng)挑戰(zhàn)問(wèn)題，以證明自己具有合法的身份。（4）接收到挑戰(zhàn)響應(yīng)的節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)響應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證，判斷是否與預(yù)期結(jié)果一致。如果驗(yàn)證通過(guò)，即可確認(rèn)請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)的身份是合法的。（5）在身份驗(yàn)證成功后，網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)可以對(duì)請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)進(jìn)行授權(quán)，允許其加入網(wǎng)絡(luò)或進(jìn)行特定的通信。同時(shí)，訪問(wèn)控制機(jī)制可以限制節(jié)點(diǎn)之間的交互和資源訪問(wèn)，以保護(hù)網(wǎng)絡(luò)的安全性。

2.2 密鑰分發(fā)和更新

密鑰分發(fā)和更新是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)安全通信的重要環(huán)節(jié)。其主要流程如下。

（1）首次密鑰分發(fā)。在網(wǎng)絡(luò)部署之前，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)需要獲取一個(gè)初始密鑰。這個(gè)密鑰可以通過(guò)安全信道進(jìn)行傳輸，或者由網(wǎng)絡(luò)管理員在節(jié)點(diǎn)部署前進(jìn)行預(yù)置。另外，初始密鑰的安全性至關(guān)重要，因此需要采用安全的密鑰分發(fā)機(jī)制。

（2）密鑰分發(fā)。一旦節(jié)點(diǎn)身份驗(yàn)證成功，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以開(kāi)始進(jìn)行密鑰分發(fā)。這包括將新的密鑰分發(fā)給新加入的節(jié)點(diǎn)與已存在節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行密鑰更新。密鑰分發(fā)可以采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或多播方式進(jìn)行，確保密鑰在傳輸過(guò)程中的機(jī)密性和完整性。

（3）密鑰更新。定期更新密鑰是保持網(wǎng)絡(luò)安全性的重要措施。節(jié)點(diǎn)可以定期生成新的密鑰，然后通過(guò)安全的通信信道將新密鑰分發(fā)給網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，舊密鑰應(yīng)該被廢棄，以防止被攻擊者利用。

（4）密鑰協(xié)商和管理。節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通信時(shí)，需要使用共享密鑰進(jìn)行加密和解密。密鑰協(xié)商機(jī)制允許節(jié)點(diǎn)協(xié)商生成會(huì)話密鑰，以確保通信過(guò)程中的密鑰安全。此外，密鑰管理包括密鑰存儲(chǔ)、密鑰更新策略以及密鑰失效處理等方面的管理措施[2]。

2.3 密鑰協(xié)商和管理機(jī)制

密鑰協(xié)商和管理機(jī)制在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中起著關(guān)鍵作用，用于確保節(jié)點(diǎn)之間的通信安全和數(shù)據(jù)保密性，基于物聯(lián)網(wǎng)的密鑰管理如圖1 所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的密鑰管理

密鑰協(xié)商是指節(jié)點(diǎn)之間協(xié)商生成會(huì)話密鑰的過(guò)程，以便在通信中使用加密算法進(jìn)行數(shù)據(jù)保護(hù)。常見(jiàn)的密鑰協(xié)商協(xié)議包括Diffie-Hellman 密鑰交換協(xié)議和公鑰基礎(chǔ)設(shè)施（Public Key Infrastructure，PKI）協(xié)議等。這些協(xié)議允許節(jié)點(diǎn)在不安全的通信信道上協(xié)商共享密鑰，從而保證密鑰的機(jī)密性和完整性。

密鑰管理是指對(duì)密鑰進(jìn)行存儲(chǔ)、更新和失效處理等。密鑰的安全存儲(chǔ)至關(guān)重要，可以采用加密算法或安全存儲(chǔ)設(shè)備來(lái)防止密鑰泄露。密鑰的定期更新是為了應(yīng)對(duì)潛在的密鑰泄露或破解風(fēng)險(xiǎn)，以維護(hù)通信的長(zhǎng)期安全性。當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生密鑰泄露或存在其他安全問(wèn)題時(shí)，密鑰失效處理可以迅速?gòu)U除受影響的密鑰，防止被攻擊者利用。

3 數(shù)據(jù)完整性和可信性保護(hù)

3.1 消息完整性校驗(yàn)和數(shù)字簽名

消息完整性校驗(yàn)是驗(yàn)證數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中是否被篡改的重要步驟。通常采用的方法是使用消息完整性校驗(yàn)碼，如循環(huán)冗余校驗(yàn)（Cyclic Redundancy Check，CRC）或哈希函數(shù)（SHA-1 或MD5），對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并與接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以確定是否存在篡改。此外，數(shù)字簽名也是一種常用的數(shù)據(jù)完整性保護(hù)手段。數(shù)字簽名使用公鑰密碼學(xué)技術(shù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和簽名生成唯一的數(shù)字簽名，接收方可以使用發(fā)送方的公鑰驗(yàn)證簽名的完整性和真實(shí)性，確保數(shù)據(jù)未被篡改。

3.2 數(shù)據(jù)溯源和驗(yàn)證機(jī)制

數(shù)據(jù)溯源和驗(yàn)證機(jī)制用于追蹤數(shù)據(jù)的來(lái)源和驗(yàn)證數(shù)據(jù)的真實(shí)性。數(shù)據(jù)溯源技術(shù)可以通過(guò)標(biāo)記數(shù)據(jù)包或記錄數(shù)據(jù)包傳輸路徑的方式，識(shí)別數(shù)據(jù)的源頭和經(jīng)過(guò)的節(jié)點(diǎn)。這樣可以追蹤到數(shù)據(jù)的來(lái)源，確保數(shù)據(jù)來(lái)源的可信性。驗(yàn)證機(jī)制則通過(guò)驗(yàn)證數(shù)據(jù)包中的相關(guān)信息，如數(shù)字簽名、時(shí)間戳等，以確定數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可信性。這些機(jī)制可以防止數(shù)據(jù)被偽造或篡改，并提供數(shù)據(jù)來(lái)源的可追溯性[3]。

3.3 可信度評(píng)估和信任管理

可信度評(píng)估和信任管理是對(duì)節(jié)點(diǎn)的可信性進(jìn)行評(píng)估與管理的過(guò)程。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)可能受到各種攻擊或故障，因此需要對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信任評(píng)估。可信度評(píng)估考慮節(jié)點(diǎn)的行為、安全機(jī)制和信號(hào)質(zhì)量等因素，確定節(jié)點(diǎn)的可信程度。信任管理涉及建立信任模型、信任評(píng)分和信任傳播機(jī)制，用于確定節(jié)點(diǎn)之間的信任關(guān)系和信任級(jí)別，并相應(yīng)地調(diào)整數(shù)據(jù)的處理和傳輸策略。通過(guò)可信度評(píng)估和信任管理，可以建立起一個(gè)相對(duì)可靠的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可信性及安全性。

4 保密性和隱私保護(hù)

4.1 數(shù)據(jù)加密和解密

數(shù)據(jù)加密是一種常用的保密性保護(hù)手段，通過(guò)使用加密算法將敏感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成無(wú)法被理解的密文，以防止未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)者獲取數(shù)據(jù)內(nèi)容。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，常用的加密算法包括對(duì)稱密鑰加密和公鑰密碼學(xué)。對(duì)稱密鑰加密使用相同的密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密，而公鑰密碼學(xué)則使用公鑰進(jìn)行加密，私鑰進(jìn)行解密。數(shù)據(jù)接收方需要正確的密鑰來(lái)解密數(shù)據(jù)并還原為明文。通過(guò)數(shù)據(jù)加密和解密的過(guò)程，可以保護(hù)數(shù)據(jù)的保密性，防止敏感信息被泄露。

4.2 隱私保護(hù)技術(shù)

隱私保護(hù)技術(shù)旨在保護(hù)個(gè)體的身份和敏感信息，以防止隱私泄露或被侵犯。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，常見(jiàn)的隱私保護(hù)技術(shù)包括匿名技術(shù)、數(shù)據(jù)脫敏和隱私保護(hù)協(xié)議。匿名技術(shù)通過(guò)隱藏節(jié)點(diǎn)的真實(shí)身份和位置，使其在網(wǎng)絡(luò)中具有匿名性，難以被追蹤。數(shù)據(jù)脫敏則是對(duì)敏感數(shù)據(jù)進(jìn)行修改或過(guò)濾，以保護(hù)個(gè)體的隱私信息。隱私保護(hù)協(xié)議則定義了節(jié)點(diǎn)之間的隱私保護(hù)規(guī)則和機(jī)制，確保數(shù)據(jù)的隱私性得到維護(hù)。這些技術(shù)的應(yīng)用可以有效地保護(hù)用戶的隱私，降低隱私泄露的風(fēng)險(xiǎn)。

4.3 數(shù)據(jù)所有權(quán)和訪問(wèn)控制

數(shù)據(jù)所有權(quán)和訪問(wèn)控制是保護(hù)數(shù)據(jù)隱私的重要手段。數(shù)據(jù)所有權(quán)指明數(shù)據(jù)的所有者和使用權(quán)限，確保數(shù)據(jù)只能被授權(quán)的用戶訪問(wèn)和使用。訪問(wèn)控制機(jī)制通過(guò)身份驗(yàn)證、授權(quán)和訪問(wèn)權(quán)限控制來(lái)管理數(shù)據(jù)的訪問(wèn)。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，訪問(wèn)控制可以基于角色、加密密鑰或訪問(wèn)策略進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。只有經(jīng)過(guò)授權(quán)的節(jié)點(diǎn)或用戶才能訪問(wèn)數(shù)據(jù)，其他非授權(quán)的節(jié)點(diǎn)將被拒絕訪問(wèn)。數(shù)據(jù)所有權(quán)和訪問(wèn)控制的實(shí)施可以確保數(shù)據(jù)僅在授權(quán)范圍內(nèi)被訪問(wèn)，防止未授權(quán)的數(shù)據(jù)泄露和濫用。

5 入侵檢測(cè)和響應(yīng)

5.1 入侵檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

入侵檢測(cè)系統(tǒng)是用于監(jiān)測(cè)和識(shí)別潛在入侵行為的軟件或硬件組件，其工作原理如圖2 所示，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)通常包括以下步驟。

圖2 入侵檢測(cè)系統(tǒng)工作

（1）收集傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量、事件記錄和節(jié)點(diǎn)行為信息等；（2）對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)清洗、特征提取和數(shù)據(jù)降維等操作；（3）選擇與入侵行為相關(guān)的特征進(jìn)行進(jìn)一步分析和檢測(cè)；（4）應(yīng)用合適的入侵檢測(cè)算法，如基于規(guī)則的檢測(cè)、統(tǒng)計(jì)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)以及數(shù)據(jù)挖掘等方法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和模式識(shí)別，以識(shí)別可能的入侵行為；（5）一旦檢測(cè)到可能的入侵行為，入侵檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)生成相應(yīng)的告警或報(bào)告，通知相關(guān)人員進(jìn)行進(jìn)一步的處理[4]。

5.2 異常檢測(cè)和行為分析算法

異常檢測(cè)和行為分析算法是針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)行為的監(jiān)測(cè)與分析，用于識(shí)別潛在的異常情況和攻擊行為。這些算法基于不同的工作原理，包括統(tǒng)計(jì)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、圖論和行為模型。統(tǒng)計(jì)分析算法通過(guò)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)和模型來(lái)判斷節(jié)點(diǎn)行為是否異常；機(jī)器學(xué)習(xí)算法通過(guò)學(xué)習(xí)正常行為的特征和模式來(lái)識(shí)別異常行為；基于圖論的算法利用節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系和連接來(lái)檢測(cè)異常；而基于行為模型的算法建立正常行為的模型進(jìn)行比較。這些算法可以單獨(dú)使用或結(jié)合使用，根據(jù)具體需求選擇合適的算法來(lái)提高無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性。

5.3 應(yīng)急響應(yīng)和事件管理

應(yīng)急響應(yīng)和事件管理是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中針對(duì)安全事件和攻擊行為及時(shí)響應(yīng)與有效管理的過(guò)程，包括事件檢測(cè)和識(shí)別、事件分類和優(yōu)先級(jí)劃分、響應(yīng)策略制定、快速響應(yīng)和恢復(fù)、事件記錄和分析以及事件通知和報(bào)告等關(guān)鍵步驟。通過(guò)這些步驟，可以迅速識(shí)別安全事件、采取相應(yīng)的響應(yīng)措施、限制攻擊影響、恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行，并最大程度地減少安全事件對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響。此外，事件管理還包括記錄和分析事件信息、通報(bào)等相關(guān)方面，并提供詳盡的報(bào)告以供參考和改進(jìn)[5]。通過(guò)建立有效的應(yīng)急響應(yīng)和事件管理流程，可以提高網(wǎng)絡(luò)的安全性與抗攻擊能力，確保無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可用性、完整性以及機(jī)密性。

6 結(jié) 論

面向物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是確保物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中傳感器網(wǎng)絡(luò)安全性和可信性的關(guān)鍵任務(wù)。通過(guò)采取認(rèn)證和密鑰管理、數(shù)據(jù)完整性和可信性保護(hù)、保密性和隱私保護(hù)以及入侵檢測(cè)和響應(yīng)等綜合的安全機(jī)制，能夠有效應(yīng)對(duì)各種安全威脅和攻擊類型，保護(hù)物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器網(wǎng)絡(luò)免受損害，確保數(shù)據(jù)的安全傳輸和可靠性運(yùn)行。未來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，還需要不斷創(chuàng)新和完善安全機(jī)制，以應(yīng)對(duì)新的安全挑戰(zhàn)和威脅。