面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全機制設(shè)計與實現(xiàn)

胡智林，徐端倪，瞿紅梅

（四川科技職業(yè)學院，四川 眉山 611745）

0 引 言

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

1 常見的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全威脅和攻擊類型

無線傳感器網(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于設(shè)計與實現(xiàn)安全機制至關(guān)重要。常見的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全威脅和攻擊類型主要包括節(jié)點偽裝攻擊、節(jié)點隱私泄露攻擊、數(shù)據(jù)篡改攻擊、節(jié)點拋棄攻擊、節(jié)點拒絕服務(wù)攻擊、節(jié)點能量耗盡攻擊、中間人攻擊以及節(jié)點物理損壞攻擊，具體如表1 所示[1]。

表1 常見的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全威脅和攻擊類型

2 認證和密鑰管理

2.1 傳感器節(jié)點身份驗證

傳感器節(jié)點身份驗證是確保無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點合法性和真實性的過程，主要流程如下。（1）在網(wǎng)絡(luò)部署之前，每個傳感器節(jié)點需要進行注冊。注冊過程可以包括節(jié)點的身份信息、密鑰生成和分發(fā)等操作，注冊時需要確保節(jié)點的身份信息是真實和可信的。（2）在節(jié)點想要加入網(wǎng)絡(luò)或進行通信時，它需要向網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點發(fā)送身份認證請求。請求中可能包含節(jié)點的身份標識、加密信息等。（3）接收到身份認證請求的節(jié)點會向請求節(jié)點發(fā)送一個挑戰(zhàn)問題，挑戰(zhàn)可以是一個隨機數(shù)或者其他要求節(jié)點進行計算或加密的數(shù)據(jù)。請求節(jié)點需要正確地響應(yīng)挑戰(zhàn)問題，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)點會對響應(yīng)進行驗證，判斷是否與預(yù)期結(jié)果一致。如果驗證通過，即可確認請求節(jié)點的身份是合法的。（5）在身份驗證成功后，網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點可以對請求節(jié)點進行授權(quán)，允許其加入網(wǎng)絡(luò)或進行特定的通信。同時，訪問控制機制可以限制節(jié)點之間的交互和資源訪問，以保護網(wǎng)絡(luò)的安全性。

2.2 密鑰分發(fā)和更新

密鑰分發(fā)和更新是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中實現(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，每個傳感器節(jié)點需要獲取一個初始密鑰。這個密鑰可以通過安全信道進行傳輸，或者由網(wǎng)絡(luò)管理員在節(jié)點部署前進行預(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)機制。

（2）密鑰分發(fā)。一旦節(jié)點身份驗證成功，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點可以開始進行密鑰分發(fā)。這包括將新的密鑰分發(fā)給新加入的節(jié)點與已存在節(jié)點之間進行密鑰更新。密鑰分發(fā)可以采用點對點或多播方式進行，確保密鑰在傳輸過程中的機密性和完整性。

（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)點可以定期生成新的密鑰，然后通過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。同時，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)點之間進行通信時，需要使用共享密鑰進行加密和解密。密鑰協(xié)商機制允許節(jié)點協(xié)商生成會話密鑰，以確保通信過程中的密鑰安全。此外，密鑰管理包括密鑰存儲、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)商和管理機制

密鑰協(xié)商和管理機制在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中起著關(guān)鍵作用，用于確保節(jié)點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)點之間協(xié)商生成會話密鑰的過程，以便在通信中使用加密算法進行數(shù)據(jù)保護。常見的密鑰協(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，從而保證密鑰的機密性和完整性。

密鑰管理是指對密鑰進行存儲、更新和失效處理等。密鑰的安全存儲至關(guān)重要，可以采用加密算法或安全存儲設(shè)備來防止密鑰泄露。密鑰的定期更新是為了應(yīng)對潛在的密鑰泄露或破解風險，以維護通信的長期安全性。當節(jié)點發(fā)生密鑰泄露或存在其他安全問題時，密鑰失效處理可以迅速廢除受影響的密鑰，防止被攻擊者利用。

3 數(shù)據(jù)完整性和可信性保護

3.1 消息完整性校驗和數(shù)字簽名

消息完整性校驗是驗證數(shù)據(jù)在傳輸過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碼，如循環(huán)冗余校驗（Cyclic Redundancy Check，CRC）或哈希函數(shù)（SHA-1 或MD5），對數(shù)據(jù)進行計算，并與接收到的數(shù)據(jù)進行比較，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)完整性保護手段。數(shù)字簽名使用公鑰密碼學技術(shù)，通過對數(shù)據(jù)進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)送方的公鑰驗證簽名的完整性和真實性，確保數(shù)據(jù)未被篡改。

3.2 數(shù)據(jù)溯源和驗證機制

數(shù)據(jù)溯源和驗證機制用于追蹤數(shù)據(jù)的來源和驗證數(shù)據(jù)的真實性。數(shù)據(jù)溯源技術(shù)可以通過標記數(shù)據(jù)包或記錄數(shù)據(jù)包傳輸路徑的方式，識別數(shù)據(jù)的源頭和經(jīng)過的節(jié)點。這樣可以追蹤到數(shù)據(jù)的來源，確保數(shù)據(jù)來源的可信性。驗證機制則通過驗證數(shù)據(jù)包中的相關(guān)信息，如數(shù)字簽名、時間戳等，以確定數(shù)據(jù)的真實性和可信性。這些機制可以防止數(shù)據(jù)被偽造或篡改，并提供數(shù)據(jù)來源的可追溯性[3]。

3.3 可信度評估和信任管理

可信度評估和信任管理是對節(jié)點的可信性進行評估與管理的過程。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點可能受到各種攻擊或故障，因此需要對節(jié)點進行信任評估?？尚哦仍u估考慮節(jié)點的行為、安全機制和信號質(zhì)量等因素，確定節(jié)點的可信程度。信任管理涉及建立信任模型、信任評分和信任傳播機制，用于確定節(jié)點之間的信任關(guān)系和信任級別，并相應(yīng)地調(diào)整數(shù)據(jù)的處理和傳輸策略。通過可信度評估和信任管理，可以建立起一個相對可靠的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，增強數(shù)據(jù)的可信性及安全性。

4 保密性和隱私保護

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手段，通過使用加密算法將敏感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成無法被理解的密文，以防止未經(jīng)授權(quán)的訪問者獲取數(shù)據(jù)內(nèi)容。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，常用的加密算法包括對稱密鑰加密和公鑰密碼學。對稱密鑰加密使用相同的密鑰對數(shù)據(jù)進行加密和解密，而公鑰密碼學則使用公鑰進行加密，私鑰進行解密。數(shù)據(jù)接收方需要正確的密鑰來解密數(shù)據(jù)并還原為明文。通過數(shù)據(jù)加密和解密的過程，可以保護數(shù)據(jù)的保密性，防止敏感信息被泄露。

4.2 隱私保護技術(shù)

隱私保護技術(shù)旨在保護個體的身份和敏感信息，以防止隱私泄露或被侵犯。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，常見的隱私保護技術(shù)包括匿名技術(shù)、數(shù)據(jù)脫敏和隱私保護協(xié)議。匿名技術(shù)通過隱藏節(jié)點的真實身份和位置，使其在網(wǎng)絡(luò)中具有匿名性，難以被追蹤。數(shù)據(jù)脫敏則是對敏感數(shù)據(jù)進行修改或過濾，以保護個體的隱私信息。隱私保護協(xié)議則定義了節(jié)點之間的隱私保護規(guī)則和機制，確保數(shù)據(jù)的隱私性得到維護。這些技術(shù)的應(yīng)用可以有效地保護用戶的隱私，降低隱私泄露的風險。

4.3 數(shù)據(jù)所有權(quán)和訪問控制

數(shù)據(jù)所有權(quán)和訪問控制是保護數(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)的用戶訪問和使用。訪問控制機制通過身份驗證、授權(quán)和訪問權(quán)限控制來管理數(shù)據(jù)的訪問。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，訪問控制可以基于角色、加密密鑰或訪問策略進行實現(xiàn)。只有經(jīng)過授權(quán)的節(jié)點或用戶才能訪問數(shù)據(jù)，其他非授權(quán)的節(jié)點將被拒絕訪問。數(shù)據(jù)所有權(quán)和訪問控制的實施可以確保數(shù)據(jù)僅在授權(quán)范圍內(nèi)被訪問，防止未授權(quán)的數(shù)據(jù)泄露和濫用。

5 入侵檢測和響應(yīng)

5.1 入侵檢測系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)

入侵檢測系統(tǒng)是用于監(jiān)測和識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)計和實現(xiàn)通常包括以下步驟。

圖2 入侵檢測系統(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)點行為信息等；（2）對收集到的數(shù)據(jù)進行預(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)的特征進行進一步分析和檢測；（4）應(yīng)用合適的入侵檢測算法，如基于規(guī)則的檢測、統(tǒng)計分析、機器學習以及數(shù)據(jù)挖掘等方法，對數(shù)據(jù)進行分析和模式識別，以識別可能的入侵行為；（5）一旦檢測到可能的入侵行為，入侵檢測系統(tǒng)會生成相應(yīng)的告警或報告，通知相關(guān)人員進行進一步的處理[4]。

5.2 異常檢測和行為分析算法

異常檢測和行為分析算法是針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點行為的監(jiān)測與分析，用于識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)計分析、機器學習、圖論和行為模型。統(tǒng)計分析算法通過統(tǒng)計指標和模型來判斷節(jié)點行為是否異常；機器學習算法通過學習正常行為的特征和模式來識別異常行為；基于圖論的算法利用節(jié)點之間的關(guān)系和連接來檢測異常；而基于行為模型的算法建立正常行為的模型進行比較。這些算法可以單獨使用或結(jié)合使用，根據(jù)具體需求選擇合適的算法來提高無線傳感器網(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)和事件管理是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中針對安全事件和攻擊行為及時響應(yīng)與有效管理的過程，包括事件檢測和識別、事件分類和優(yōu)先級劃分、響應(yīng)策略制定、快速響應(yīng)和恢復、事件記錄和分析以及事件通知和報告等關(guān)鍵步驟。通過這些步驟，可以迅速識別安全事件、采取相應(yīng)的響應(yīng)措施、限制攻擊影響、恢復網(wǎng)絡(luò)正常運行，并最大程度地減少安全事件對網(wǎng)絡(luò)的影響。此外，事件管理還包括記錄和分析事件信息、通報等相關(guān)方面，并提供詳盡的報告以供參考和改進[5]。通過建立有效的應(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，確保無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可用性、完整性以及機密性。

6 結(jié) 論

面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全機制的設(shè)計與實現(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)。通過采取認證和密鑰管理、數(shù)據(jù)完整性和可信性保護、保密性和隱私保護以及入侵檢測和響應(yīng)等綜合的安全機制，能夠有效應(yīng)對各種安全威脅和攻擊類型，保護物聯(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行。未來，隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，還需要不斷創(chuàng)新和完善安全機制，以應(yīng)對新的安全挑戰(zhàn)和威脅。