WSN中的SPINS協(xié)議的改進(jìn)研究?

蘇耀鑫 高秀峰 盧 昱 喬文欣

（軍械工程學(xué)院信息工程系 石家莊 050003）

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［1～2］（Wireless Sensor Networks，WSN）是由大量的能源有限，體積小并且價格低廉，具有監(jiān)測數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點組成的。這些節(jié)點大都是利用人工安置或者是隨機(jī)空投的方式部署在無人值守，環(huán)境情況不明的區(qū)域，節(jié)點之間利用無線通信自組織的方式組成一個多跳的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)［3］。

因為網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點地理位置的特殊性，部署之后節(jié)點具體拓?fù)湫畔o法獲取，而且在此后傳輸數(shù)據(jù)中，節(jié)點之間的位置信息，以及節(jié)點自身的能量也會發(fā)生變化。因此，派生出最明顯的一個問題就是網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的安全問題。

2 WSN的安全需求

為了能很好地為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供安全機(jī)制，就必須分析網(wǎng)絡(luò)的安全需求［4］。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全需求分為數(shù)據(jù)安全和網(wǎng)絡(luò)安全。

數(shù)據(jù)安全主要包括：1）機(jī)密性：通信雙方在信息交流的時候，確保不被攻擊者竊取，并且經(jīng)密鑰加密的密文如果被攻擊者竊取后無法解密為有用的明文。2）新鮮性：由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息測量以及時間同步的特點，確保收到的是最新的測量數(shù)據(jù)。3）完整性：指消息在傳遞過程中不被篡改。

網(wǎng)絡(luò)安全主要包括：1）訪問安全：訪問控制［5～6］機(jī)制讓基站有能力決定某級別的訪問者獲取對應(yīng)級別的資源，可以阻止非法用戶竊取數(shù)據(jù)。2）認(rèn)證安全［7］：任何節(jié)點對通信之前都要進(jìn)行認(rèn)證，防止攻擊節(jié)點冒充合法節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。3）定位安全：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署后，需要獲取準(zhǔn)確的節(jié)點定位［8］信息。4）管理安全：主要是致力于引導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)從分散獨立的節(jié)點協(xié)作組成可通信的安全網(wǎng)絡(luò)，并且維持網(wǎng)絡(luò)中通信密鑰的更新。

3 SPINS協(xié)議分析

安全協(xié)議SPINS是目前應(yīng)用較廣泛的一種WSN安全通信方案。許多研究工作以SPINS作為基礎(chǔ)展開，但是SPINS設(shè)計上也存在著過于依賴基站、缺乏密鑰更新等一些不足。針對協(xié)議存在的缺陷，提出了改進(jìn)方案，在一定程度上提高了協(xié)議的安全性。

3.1 協(xié)議簡介

本協(xié)議中涉及到的符號如表1所示。

SPINS協(xié)議［9］是由兩個子協(xié)議組成，分別是網(wǎng)絡(luò)安全加密協(xié)議（Secure Network Encryption Proto?col，SNEP）和基于時間的高效容忍丟包的流認(rèn)證協(xié)議（micro Timed Efficent Streaming Loss-tolerant Au?thentication Protocol，μ TESLA［10］）。

表1 協(xié)議中涉及的符號及含義

SPINS協(xié)議［9］是由兩個子協(xié)議組成，分別是網(wǎng)絡(luò)安全加密協(xié)議（Secure Network Encryption Proto?col，SNEP）和基于時間的高效容忍丟包的流認(rèn)證協(xié)議（micro Timed Efficent Streaming Loss-tolerant Au?thentication Protocol，μ TESLA［10］）。

SNEP協(xié)議［11］是一個高效的通信協(xié)議。通信雙方共享一個計數(shù)器（Counter，CTR），利用加密密鑰和計數(shù)器值共同加密數(shù)據(jù)包的方式，不僅保證了數(shù)據(jù)的機(jī)密性，還實現(xiàn)了語義安全。即同一數(shù)據(jù)包每次加密得到的密文是不同的，這是因為將雙方共享的計數(shù)器值作為加密的初始化向量（initial vector，IV），故產(chǎn)生不同的密文。此外，SNEP協(xié)議采用消息認(rèn)證碼（Message Authentication Code，MAC）［12］方式對加密后的密文以及計數(shù)器值結(jié)合運(yùn)算以實現(xiàn)點到點的身份認(rèn)證以及消息認(rèn)證。

假設(shè)兩個節(jié)點A，B需要建立通信，故與基站協(xié)商臨時會話密鑰，具體協(xié)商流程如圖1所示。

圖1 SNEP協(xié)議會話密鑰協(xié)商流程

其中 NA，NB表示節(jié)點A，B產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)；IDA，IDB分別表示節(jié)點A，B的身份標(biāo)識；SKAB表示基站生成的認(rèn)證密鑰與消息認(rèn)證密鑰集合。

3.2 SNEP協(xié)議的認(rèn)證技術(shù)

SNEP協(xié)議［13］利用對稱加密體制的身份認(rèn)證方式，是一種基于預(yù)共享密鑰的認(rèn)證技術(shù)。但是SNEP協(xié)議在傳統(tǒng)的預(yù)共享密鑰技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。摒棄了任何兩點之間都共享密鑰的方式，將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的KDC方案與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，由基站擔(dān)任可信密鑰分配中心（Key Distribu?tion Center，KDC），每個節(jié)點與基站之間共享一個主密鑰，只有兩個節(jié)點在需要通信的時候才與基站協(xié)商共享密鑰。改進(jìn)了傳統(tǒng)預(yù)共享密鑰方法對節(jié)點資源要求過高的缺點。

但是這個協(xié)議本身存在著一些問題。由圖1所示，節(jié)點的會話密鑰協(xié)商都是通過基站來完成的，這個過程過分的依賴基站，如果一旦基站被俘獲，則整個網(wǎng)絡(luò)就會被攻破。即使基站認(rèn)為是絕對安全的，在通信的過程中，由于節(jié)點的數(shù)量過于龐大，基站也會成為通信的瓶頸。此外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種無線自組織網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點收集的數(shù)據(jù)信息通過多跳的方式傳遞到基站。在這個過程中，中間節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包不會進(jìn)行任何的數(shù)據(jù)認(rèn)證，只有數(shù)據(jù)包到達(dá)基站時才會被解密認(rèn)證。因此，如果一個惡意節(jié)點發(fā)送的虛假數(shù)據(jù)包，只有到達(dá)基站時才會被發(fā)現(xiàn)。這無疑是加重了基站的負(fù)擔(dān)，并且基站很容易受到DoS攻擊。針對以上問題，本文提出一種基于分簇的SNEP協(xié)議改進(jìn)方案。

3.3 SNEP協(xié)議的改進(jìn)方案

3.3.1 方案的總體設(shè)計

針對原協(xié)議存在的過于依賴基站、易受到DoS攻擊等缺陷，方案提出對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行節(jié)點分簇，選取能量較高，計算能力較強(qiáng)的節(jié)點作為簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點擔(dān)任數(shù)據(jù)包第一道認(rèn)證關(guān)卡，向簇內(nèi)節(jié)點分發(fā)通信密鑰，減輕了基站的任務(wù)量，同時也預(yù)防了惡意節(jié)點對基站發(fā)起的DoS攻擊?；窘y(tǒng)一管理簇頭節(jié)點，并將自己部分任務(wù)下發(fā)至簇頭節(jié)點，起到任務(wù)調(diào)度的中樞作用。網(wǎng)絡(luò)具體的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 基于分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.3.2 方案的詳細(xì)設(shè)計

基于分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間進(jìn)行密鑰協(xié)商的情況可分為兩種。

1）簇內(nèi)節(jié)點協(xié)商密鑰通信

如圖2所示，如果節(jié)點A要求與節(jié)點B進(jìn)行通信，則在密鑰協(xié)商時，由簇頭節(jié)點直接擔(dān)任密鑰生成及分發(fā)任務(wù)，無需通過基站。這樣是將基站的一部分任務(wù)下放到簇頭節(jié)點，減少基站的通信資源消耗。如果簇頭節(jié)點被俘獲，網(wǎng)絡(luò)中被攻破的也只是本簇的節(jié)點信息，不至于危害全網(wǎng)，降低的網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)險性。

在網(wǎng)絡(luò)布置初期，每個節(jié)點都保存一個與基站共享的主密鑰。在節(jié)點分簇初始化階段，基站根據(jù)簇頭節(jié)點信息，將本簇的所有節(jié)點的主密鑰復(fù)制并保存到簇頭節(jié)點中，簇頭節(jié)點生成一個簇內(nèi)全局密鑰，用與簇頭節(jié)點共享的主密鑰加密發(fā)送至各個節(jié)點并保存，如果簇內(nèi)節(jié)點需要通信，直接利用共享的全局密鑰進(jìn)行加密通信。具體的工作路程如圖3所示。

其中NH，IDH分別表示的簇頭節(jié)點隨機(jī)生成的隨機(jī)數(shù)和簇頭節(jié)點的標(biāo)識；KHS指的是簇頭節(jié)點與基站共享的主密鑰；M指的是簇內(nèi)所有節(jié)點與基站的共享主密鑰列表，由基站下發(fā)至簇頭節(jié)點H并保存；KH是簇頭節(jié)點生成的簇內(nèi)節(jié)點全局密鑰，由簇頭節(jié)點利用普通節(jié)點與基站共享的主密鑰進(jìn)行加密后分發(fā)至各個節(jié)點并保存。

圖3 簇頭節(jié)點分發(fā)全局密鑰流程圖

如圖3所示，節(jié)點B需要與節(jié)點A建立通信時，在發(fā)送信息中加入簇頭節(jié)點的身份標(biāo)識，節(jié)點A可以辨認(rèn)節(jié)點B是否與自身處于同一簇內(nèi)。如果處于同一簇內(nèi)，則利用簇內(nèi)全局密鑰KH直接建立通信。

2）簇間節(jié)點協(xié)商通信

如上所述，通信節(jié)點同屬于同一個簇內(nèi)時，利用簇頭節(jié)點生成全局密鑰建立通信。如果通信節(jié)點不屬于同一簇時，則會話密鑰協(xié)商過程由簇頭節(jié)點和基站共同配合實現(xiàn)。具體工作流程如圖4所示。

圖4 簇間節(jié)點會話密鑰協(xié)商流程

如圖2所示，節(jié)點A和節(jié)點C位于不同簇內(nèi)，節(jié)點A先將請求信息利用簇內(nèi)全局密鑰KH1加密后發(fā)送至簇頭節(jié)點H1，H1對數(shù)據(jù)包進(jìn)行驗證，如果是惡意數(shù)據(jù)包，直接丟棄。如果驗證合法，則將自身身份標(biāo)識IDH1以及產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)NH1與解密的明文合并后發(fā)送至節(jié)點C。節(jié)點C將自己的身份標(biāo)識IDC與產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)NC同接收到的請求信息合并，并用簇內(nèi)全局密鑰KH2加密后發(fā)送至簇頭節(jié)點H2，H2對數(shù)據(jù)包進(jìn)行驗證，如果驗證不合法，則直接丟棄數(shù)據(jù)包；如果驗證合法，則將自己的身份標(biāo)識IDH2與接收信息進(jìn)行合并，并用與基站共享的主密鑰KSH2進(jìn)行加密后發(fā)送到基站S。基站計算好會話密鑰SKAC后，分別下發(fā)至節(jié)點A與節(jié)點C，具體發(fā)送方式與原協(xié)議類似，在此不再贅述。

4 性能分析

4.1 安全性能分析

1）基站依賴性 簇頭節(jié)點分擔(dān)基站部分任務(wù)，降低了網(wǎng)絡(luò)對基站的依賴性。簇內(nèi)節(jié)點需要通信，只在簇內(nèi)協(xié)商密鑰，無需通過基站，降低了對基站的依賴性，也減少了基站通信的資源消耗。如果簇頭節(jié)點被俘獲，網(wǎng)絡(luò)中被攻破的也只是簇內(nèi)節(jié)點，不會影響整個大網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，提高了網(wǎng)絡(luò)的安全性。

2）防范DoS攻擊 簇頭節(jié)點擔(dān)任中間跳認(rèn)證，降低惡意節(jié)點對基站的DoS攻擊。在簇間節(jié)點建立通信時，數(shù)據(jù)包利用簇內(nèi)全局密鑰加密，簇頭節(jié)點對其進(jìn)行認(rèn)證，防止虛假數(shù)據(jù)包直接傳送至基站才被發(fā)現(xiàn)，減少了基站的任務(wù)量，也有效地降低了DoS攻擊的可能性。

3）密鑰更新 簇內(nèi)全局密鑰由簇頭節(jié)點定期更新，提高網(wǎng)絡(luò)安全性。簇內(nèi)全局密鑰是由簇頭節(jié)點生成，不同時段對其進(jìn)行更新并且分發(fā)至各個節(jié)點，排除密鑰長時間不更新而引發(fā)的安全隱患。

4.2 負(fù)載分析

在網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點的身份標(biāo)識是2 Byte，產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)，初始化向量IV是4 Byte，與基站共享的主密鑰、加密密鑰、消息認(rèn)證密鑰，以及簇頭節(jié)點生成的全局密鑰是8 Byte。

1）計算開銷 簇頭節(jié)點負(fù)擔(dān)基站部分密鑰分發(fā)任務(wù)，在簇內(nèi)使用全局密鑰，分簇部署初始化時由簇頭節(jié)點統(tǒng)一分發(fā)，舍棄原有的一次一密的方式，降低了簇頭節(jié)點的計算資源消耗，延長節(jié)點使用周期。

2）存儲開銷 建立網(wǎng)絡(luò)分簇機(jī)制，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)共分為N個簇，每個簇內(nèi)平均有M個節(jié)點（M遠(yuǎn)小于N）。原協(xié)議中基站存儲的主密鑰有8M*N Byte，普通節(jié)點有8 Byte。改進(jìn)后的方案中基站存儲的只是與簇頭節(jié)點共享的主密鑰8N Byte。簇頭節(jié)點存儲開銷為8M Byte，普通節(jié)點的存儲開銷為16 Byte。

3）可擴(kuò)展性 如果傳感器節(jié)點數(shù)量增加，增加的節(jié)點分散至各個簇內(nèi)，基站、簇頭節(jié)點需要存儲的密鑰數(shù)量不會發(fā)生明顯改變。對節(jié)點的計算能力、通信負(fù)荷也都是確定的。故改進(jìn)方案是可擴(kuò)展的。

綜上，改進(jìn)后的方案對基站的計算、存儲需求降低，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點計算與存儲開銷沒有明顯增加，可擴(kuò)展性好。

5 結(jié)語

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究與應(yīng)用，安全問題逐漸成為備受關(guān)注的話題。本文介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特殊性及網(wǎng)絡(luò)自身安全需求。對目前比較成熟的，較為經(jīng)典的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全框架協(xié)議SPINS進(jìn)行了重點深入的研究，針對協(xié)議本身存在的過于依賴基站、易受到DoS攻擊等問題，提出了改進(jìn)方案，并進(jìn)行了相關(guān)性能的分析。但改進(jìn)的協(xié)議與實際應(yīng)用還有很大差距，協(xié)議中加密算法的選取等問題都是以后的研究方向。

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