物聯網路由安全技術研究

黃秀勤

摘要：物聯網通常由多種異構網絡構成，它面臨的安全威脅來源較多。物聯網節點在計算能力、存儲資源、能量等方面存在很大差異，大部分節點功能簡單、計算能力較低且攜帶能量較少，極易被竊聽、控制而造成信息泄露，或發送虛假報文滲透到網絡層引發路由安全問題。本文主要討論的物理網中路由安全隱患，現有的安全技術，并對現有分簇算法提出改進意見。

關鍵詞：物聯網；路由安全；分簇算法Abstract:The Internet of things is usually composed of a variety of heterogeneous network, it faces much safe threat. Network nodes have much difference in computing ability, memory resources, energy and so on, simple function, low computing power and less energy to carry, can easily be tapped, control information disclosure, or send false packets penetrate into the network layer which lead to routing security issues.caused by. This paper mainly discusses the Internet of things routing security hidden danger, the existing security technology, and put forward some suggestions for improvement of the existing clustering algorithms.

Key words:Internet of things；Routing security

1引言

隨著通信技術和感知識別技術等信息技術的不斷發展，計算機，互聯網、傳感器、識別終端等設備的廣泛應用。人與物品，物品與物品之間的信息交換和通信越來越頻繁。1991年美國麻省理工學院（MIT）的Kevin Ash-ton教授首次提出物聯網的概念。1999年，美國麻省理工學院（MIT）的 Auto-ID（自動識別）中心提出了基于 RFID 的“物聯網”的概念。在突尼斯舉行的信息社會世界峰會（WSIS）上，國際電信聯盟（ITU）發布《ITU互聯網報告2005：物聯網》，引用了“物聯網”的概念。物聯網的定義和范圍已經發生了變化，覆蓋范圍有了較大的拓展，不再只是指基于RFID技術的物聯網。2009年8月，溫家寶“感知中國”的講話把我國物聯網領域的研究和應用開發推向了高潮。

物聯網涉及到人與物品、物品與物間之間的通信，應用范圍囊括了生活的方方面面，且經常部署于無人監管的環境，各個環節的安全問題都可能導致機密信息泄露。現今在物聯網發展的同時，入侵攻擊技術也不斷進化。因此，對物聯網安全機制和路由技術的研究，保證物聯網的通信安全顯得尤為重要。目前，物聯網安全是物聯網發展面臨的重要難題。

2物聯網路由安全隱患

物聯網內常見的路由安全問題主要有：（1）物聯網中連接了不同結構網絡，異構網絡跨層認證的過程中會遇到DOS攻擊，中間人攻擊，異步攻擊，合謀攻擊等問題。（2）物聯網中節點面對海量數據傳輸請求時，由于節點計算能力較弱、攜帶能量較少，當節點能量耗盡無法處理這些請求時就造成網絡阻塞，數據丟失。（3）物聯網中的高智能節點與低智能節點在計算能力、存儲資源、能量等方面存在很大差異。低智能節點，通信和計算能力較差，幾乎沒有自我保護能力，極易被竊聽甚至控制。（4）物聯網中部分節點是可以自由移動，由于節點的遷移或環境因素，使得節點不斷地加入或退出物聯網網絡。網絡拓撲結構的變化增加了物聯網路由維護的代價。

3現有的安全技術

目前，物聯網中節點能力較弱的無線網絡中安全問題較大，主要的安全技術有[1]：（1）認證與加密技術。（2）安全路由協議。（3）入侵檢測與防御技術。（4）數據安全和隱私保護。安全路由協議是其中最為關鍵的問題之一。

本文主要研究了物聯網安全路由協議，目前物聯網中節點差異巨大，現有的分簇路由協議大多沒有考慮其安全性。聯網中常采用分簇結構，簇頭節點負責簇內信息收集和轉發，提高了網絡的穩定性和安全性。

物聯網內終端節點數量大，節點所在環境復雜多變，部分節點處于移動狀態，節點可以離開，可以有新節點加入，目前物聯網通常采用分布式架構。該結構主要有兩種形式，一種是完全分布式控制，所有節點統一管理。另一種是分層分布式控制，網絡中節點被分為多個簇，每個簇包含一個簇頭和多個簇成員，簇成員的數據首先發給簇頭，簇頭進行數據融合后把結果發送給基站。目前算法包括單層算法和多層算法。單層算法所有節點只進行一次分簇，目前提出的大部分分簇算法屬于單層算法，而多層算法在第一次分簇選舉出的簇頭基礎上繼續進行分簇，選舉出第二層簇頭和簇成員節點，隨后可以進行第三層、第四層等簇頭選舉。多層算法一般只用于超大規模WSN，算法較為復雜。隨著物聯網節點規模和節點能力差異的擴大，分層分布式控制將是物聯網架構的大趨勢。

根據簇內成員節點到簇頭的跳數，可分為簇內單跳與簇內多跳算法，采用多跳模式時，節點需考慮數據中繼問題，不可避免會耗費較多的等待時間。因此現有網絡中的分簇算法多為主動式單跳簇生成算法，經典的算法有：

（1）最高節點度分簇算法。定義一個節點傳輸范圍內鄰居節點的個數為它的連通度。算法開始時，每個節點向周圍節點廣播唯一ID來交換控制信息，統計鄰居節點的數量即為它的度。然后廣播自己的度數，選取度數最大的節點為簇頭。若度數相同，則選ID較小的。其鄰居節點則為簇成員，不再參與簇選舉。重復以上過程直到所有節點都在簇中。

（2）最小ID分簇算法。與最高節點度類似，初始化時每個節點廣播唯一的ID，相鄰節點中ID最小的節點選為簇頭，其鄰居節點為簇成員，不再參與簇頭選舉。

（3）權重分簇算法。該算法考慮了節點擔任簇頭的適合程度，為每個節點設定一個權值，初始化時廣播唯一ID和權值，選取鄰居節點中權重最高的為簇頭，權重相同時選ID較小的節點。其鄰居節點為簇成員。

4對現有分簇算法的改進意見

現有的分簇算法都沒有考慮路由的安全性，基于物聯網路由安全的考慮，選擇簇頭時需要考慮以下三點：（1）簇頭應具有較強的計算能力，較大存儲空間，較多的剩余能量及較大的帶寬。（2）簇頭應具有較高的信任度，能夠被大多數簇成員信任。（3）要為簇頭提供一定的保護，避免被惡意節點輕易利用。

針對以下路由安全考慮的因素，分簇算法選擇簇頭主要考慮節點鄰居信任度，節點能力。

對于節點另據信任度可以通過利用周期性消息建立起鄰居節點信任度表以及第二跳節點的信任度數據庫，利用信任機制推舉信任度高的節點為簇頭。建立起簇結構后，為了防止惡意節點對簇頭攻擊導致安全問題以及簇層次的較大改變，信任度算法需要對簇頭有利，同時也要鼓勵節點積極參與簇頭選舉

對節點能力的評估主要著眼于節點的計算能力、存儲能力、能量資源和通信能力。計算能力主要考慮節點CPU的主頻；存儲能力考慮節點的存儲速度和存儲容量；能量資源考慮節點的能量值和耗損速度；通信能力考慮節點帶寬和延時。

在分簇算法中，一般簇頭的能量消耗大大高于簇成員，容易造成簇頭節點因為能量耗盡而提前死亡，為避免這一情況出現，可以采用簇頭輪換機制[2]。作為分簇算法的補充，簇頭輪換機制可以讓物聯網中各節點每隔一段時間輪流擔任簇頭，盡量使各節點剩余能量接近相等。常見的簇頭輪換機制分為周期性輪換和能量閥值觸發輪換兩種[3]。前者每隔固定時間引發，后者需要預先設定一個閥值，當監視的參數低于或者超過某閥值時引發重新分簇，常見的閥值有節點剩余能量、節點度等。無論是被動還是主動式簇頭輪換機制，選擇合適的參數都會對算法的最終結果產生重要影響。如果簇頭輪換過于頻繁，則會帶來大量的額外開銷和網絡中斷；如果簇頭輪換頻率過低，則可能造成某些節點能量過早耗盡。因此，只有進行合理的折中才能獲得最優化的網絡生命期。

5結語

本章首先討論了物聯網分簇結構的優勢，由于物聯網內節點異構，性能差異較大的特點，存儲能力、數據處理能力、供電能力受限等因素影響，使得節點數據在網絡上傳輸過程中存在諸多安全隱患，為了提高物聯網的路由安全，通過當前分簇方法進行了比較，從分簇對網絡穩定性的作用、安全管理以及資源合理利用為切入點，對現有算法提出改進意見。

[參考文獻]

[1]楊庚,許建,陳偉,祁正華,王海勇.物聯網安全特征與關鍵技術.南京郵電大學學報,2010,30卷4期.

[2]胡靜,沈連豐.傳感網分簇算法研究及其進展.中興通訊技術，2009，5期.

[3]黃河清,沈杰,姚道遠,馬奎,劉海濤.無線傳感網自適應能量驅動簇頭輪換算法研究.電子與信息學報,2009,31卷5期.

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