無線傳感器網絡安全性及節點可靠性分析

董慧妍

(蘇州建設交通高等職業技術學校,江蘇蘇州 215104)

無線傳感器網絡安全性及節點可靠性分析

董慧妍

(蘇州建設交通高等職業技術學校,江蘇蘇州 215104)

分析了對無線傳感器網絡造成安全威脅的攻擊類型,提出采用數字簽名、提高路由安全以及改進LEACH的方法,以提高無線傳感器網絡節點可靠性。

無線傳感器;網絡安全性;節點可靠性;攻擊類型;路由監測

1 導言

隨著微處理器和無線通信領域技術的日益革新,低功耗多功能傳感器發展迅速。這種傳感器將信息的收集、數據的處理以及無線通信等技術集成起來,由安放在檢測范圍內的微型傳感器節點構成,根據無線通信的傳輸方法構成多跳自組織的一種網絡系統[1]45-47。

在節點計算速度等有限的前提下,利用安全機制的設計為無線傳感器網絡提供比較安全的工作環境,是一個關系到傳感器網絡能否應用到實際中的非常重要的問題。

無線傳感器網絡目標是通過監測以獲得有效的信息,并且將采集的信息傳送至監測者。能源的限制和糟糕的環境將導致無線傳感器網絡的一些節點會出現失效的狀況。另外,傳感器網絡也會受到人為的破壞。這都會影響到整個傳感器網絡的安全可靠性[2]1248-1251。

無線傳感器網絡的可靠性是衡量無線傳感器網絡性能的重要標桿,因此對于無線傳感器網絡的可靠性研究顯得尤為必要,特別是研究通信節點和鏈路異常工作而引起的網絡的性能變化更為重要。

本文介紹了無線傳感器網絡的安全需求和節點可靠性,對無線傳感器網絡可能受到的各種攻擊類型進行了分析,并給出了傳感器網絡安全方案。

2 無線傳感器網絡安全淺析

2.1 無線傳感器網絡受到安全威脅的攻擊類型

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

(1)Sybil攻擊：攻擊節點有著多重身份,使之更容易被其他節點作為下一跳的目標,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路由和多路徑路由等具有容錯功能的路由方案降低了容錯效果,并威脅到了地理路由協議[3]1203-1209。

(2)對傳輸信息的攻擊：因為無線通信比較容易受到竊聽,攻擊者能夠利用監控網絡通信過程來修改和丟棄正在傳輸的數據分組。尤其是當傳感器節點的通信范圍比較小,且資源很有限的時候,這就使得能量高和通信范圍大的攻擊者可以對多個節點進行同時攻擊,破壞正在傳輸的信息[4]108-110。

2.2 對策

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

2.2.2 提高無線傳感器網絡路由的安全性。要提高無線傳感器網絡路由的安全性,可以采取一些措施,如雙向連接確認、多路徑路由行程和鏈路層加密認證等。但是這些措施只有在路由協議設計好之前加入協議才能起到抵御攻擊的效果。

3 改進LEACH以提高無線傳感器網絡節點可靠性

無線傳感器網絡中的傳感器節點,比較容易因為能量的消失殆盡而失效,該情況在簇網絡中表現尤為顯著。

低功耗自適應集簇分層型協議LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)是一種自組織和適應的簇協議,LEACH每次都會隨機選擇一些節點作為簇頭節點。正是由于隨機性,所以各個節點輪流地成為簇頭節點,這樣就保證了整個無線傳感器網絡的能量均衡性。無線網絡傳感器節點將數據發送至簇頭,由簇頭進行數據的重組和處理。見下圖1的無線傳感器節點結構圖所示。

圖1 無線傳感器節點結構圖

3.1 LEACH在節能方面的弊病

LEACH在節能方面有三大弊病：

(1)簇頭比一般節點承擔更多的工作,體現在它們既要接收簇內節點的數據和信息進行整合,又需發送數據至基站節點。

(2)距離基站較遠的簇頭須采用遠距離的傳輸方式將數據和信息發送至基站,這樣會導致這些簇頭的提早衰亡。

(3)由于簇大小不對稱,會導致有著過多簇內節點的簇頭超能量負荷。

以上三個弊病將造成一些傳感器節點的提早衰亡[5]211-215。

3.2 改進方法及分析

對于以上闡述的弊病,一種新的節能且有著可靠拓撲性的簇網絡算法ERCTNA(Energy-efficient and ReliableCluster Algorithm for Topology)產生。該算法是在簇內放置一種特殊的節點,稱為簇頭輔助節點。其既增強了無線傳感器網絡的可靠性,又節約了能量。

3.3 ERCTNA具有的特點

(1)當一些簇過大時,簇頭輔助節點分擔簇頭部分收集簇內數據的工作。

(2)簇頭輔助節點取代了頭,因而承擔了大多數的數據傳輸工作。

(3)對于離基站較遠的簇頭,簇頭輔助節點通過多跳傳輸方式轉發數據,從而避免了遠距離通信造成的過多能量損耗[6]89-93。

4 小結

本文對無線傳感器網絡安全性及節點可靠性進行了分析,分別對無線傳感器網絡安全性中涉及到的攻擊類型及對策進行了詳細的介紹。另外,又對無線傳感器網絡節點可靠性中的改進方法LEACH做了闡述。

[1] 任新輝,徐勇軍,別榮芳,李曉維.無線傳感器網絡的通信安全[J].上海師范大學學報,2005(5).

[2] 陳國龍,張德運,王曉東.通信網絡可靠性評估的一種算法[J].小型微型計算機系統,2000(12).

[3] 于海斌,曾鵬,尚志軍.分布式無線傳感器網絡管理機制研究[J].儀器儀表學報,2005(11).

[4] 馬祖長,喬暉,孫怡寧.一種無線傳感器網絡的設計[J].儀表技術與傳感器,2003(11).

[5] 石軍鋒,鐘先信,陳帥,邵小良.無線傳感器網絡結構及特點分析[J].重慶大學學報：自然科學版,2005 (02).

[6] 李鳳保,李凌.無線傳感器網絡技術綜述[J].儀器儀表學報,2005(S2).

責任編輯：為 恒

TP212

A

1671-8275(2014)01-0117-02

2013-10-23

董慧妍(1981-),女,江蘇蘇州人,蘇州建設交通高等職業技術學校講師。研究方向：弱電控制。