面向物聯網的無線傳感器網絡安全機制設計與實現

胡智林，徐端倪，瞿紅梅

（四川科技職業學院，四川 眉山 611745）

0 引 言

隨著物聯網的快速發展，無線傳感器網絡在各種領域中得到廣泛應用。然而，由于其開放性和分布式特性，使得無線傳感器網絡面臨著諸多安全威脅和攻擊。為了保護傳感器網絡的數據安全和系統可靠性，設計和實現一套適用于物聯網環境的安全機制至關重要。

1 常見的無線傳感器網絡安全威脅和攻擊類型

無線傳感器網絡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計與實現安全機制至關重要。常見的無線傳感器網絡安全威脅和攻擊類型主要包括節點偽裝攻擊、節點隱私泄露攻擊、數據篡改攻擊、節點拋棄攻擊、節點拒絕服務攻擊、節點能量耗盡攻擊、中間人攻擊以及節點物理損壞攻擊，具體如表1 所示[1]。

表1 常見的無線傳感器網絡安全威脅和攻擊類型

2 認證和密鑰管理

2.1 傳感器節點身份驗證

傳感器節點身份驗證是確保無線傳感器網絡中節點合法性和真實性的過程，主要流程如下。（1）在網絡部署之前，每個傳感器節點需要進行注冊。注冊過程可以包括節點的身份信息、密鑰生成和分發等操作，注冊時需要確保節點的身份信息是真實和可信的。（2）在節點想要加入網絡或進行通信時，它需要向網絡中的其他節點發送身份認證請求。請求中可能包含節點的身份標識、加密信息等。（3）接收到身份認證請求的節點會向請求節點發送一個挑戰問題，挑戰可以是一個隨機數或者其他要求節點進行計算或加密的數據。請求節點需要正確地響應挑戰問題，以證明自己具有合法的身份。（4）接收到挑戰響應的節點會對響應進行驗證，判斷是否與預期結果一致。如果驗證通過，即可確認請求節點的身份是合法的。（5）在身份驗證成功后，網絡中的其他節點可以對請求節點進行授權，允許其加入網絡或進行特定的通信。同時，訪問控制機制可以限制節點之間的交互和資源訪問，以保護網絡的安全性。

2.2 密鑰分發和更新

密鑰分發和更新是無線傳感器網絡中實現安全通信的重要環節。其主要流程如下。

（1）首次密鑰分發。在網絡部署之前，每個傳感器節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，或者由網絡管理員在節點部署前進行預置。另外，初始密鑰的安全性至關重要，因此需要采用安全的密鑰分發機制。

（2）密鑰分發。一旦節點身份驗證成功，網絡中的節點可以開始進行密鑰分發。這包括將新的密鑰分發給新加入的節點與已存在節點之間進行密鑰更新。密鑰分發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絡安全性的重要措施。節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給網絡中的其他節點。同時，舊密鑰應該被廢棄，以防止被攻擊者利用。

（4）密鑰協商和管理。節點之間進行通信時，需要使用共享密鑰進行加密和解密。密鑰協商機制允許節點協商生成會話密鑰，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 密鑰協商和管理機制

密鑰協商和管理機制在無線傳感器網絡中起著關鍵作用，用于確保節點之間的通信安全和數據保密性，基于物聯網的密鑰管理如圖1 所示。

圖1 基于物聯網的密鑰管理

密鑰協商是指節點之間協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據保護。常見的密鑰協商協議包括Diffie-Hellman 密鑰交換協議和公鑰基礎設施（Public Key Infrastructure，PKI）協議等。這些協議允許節點在不安全的通信信道上協商共享密鑰，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重要，可以采用加密算法或安全存儲設備來防止密鑰泄露。密鑰的定期更新是為了應對潛在的密鑰泄露或破解風險，以維護通信的長期安全性。當節點發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 數據完整性和可信性保護

3.1 消息完整性校驗和數字簽名

消息完整性校驗是驗證數據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，如循環冗余校驗（Cyclic Redundancy Check，CRC）或哈希函數（SHA-1 或MD5），對數據進行計算，并與接收到的數據進行比較，以確定是否存在篡改。此外，數字簽名也是一種常用的數據完整性保護手段。數字簽名使用公鑰密碼學技術，通過對數據進行加密和簽名生成唯一的數字簽名，接收方可以使用發送方的公鑰驗證簽名的完整性和真實性，確保數據未被篡改。

3.2 數據溯源和驗證機制

數據溯源和驗證機制用于追蹤數據的來源和驗證數據的真實性。數據溯源技術可以通過標記數據包或記錄數據包傳輸路徑的方式，識別數據的源頭和經過的節點。這樣可以追蹤到數據的來源，確保數據來源的可信性。驗證機制則通過驗證數據包中的相關信息，如數字簽名、時間戳等，以確定數據的真實性和可信性。這些機制可以防止數據被偽造或篡改，并提供數據來源的可追溯性[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點的可信性進行評估與管理的過程。在無線傳感器網絡中，節點可能受到各種攻擊或故障，因此需要對節點進行信任評估。可信度評估考慮節點的行為、安全機制和信號質量等因素，確定節點的可信程度。信任管理涉及建立信任模型、信任評分和信任傳播機制，用于確定節點之間的信任關系和信任級別，并相應地調整數據的處理和傳輸策略。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絡環境，增強數據的可信性及安全性。

4 保密性和隱私保護

4.1 數據加密和解密

數據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據轉換成無法被理解的密文，以防止未經授權的訪問者獲取數據內容。在無線傳感器網絡中，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據進行加密和解密，而公鑰密碼學則使用公鑰進行加密，私鑰進行解密。數據接收方需要正確的密鑰來解密數據并還原為明文。通過數據加密和解密的過程，可以保護數據的保密性，防止敏感信息被泄露。

4.2 隱私保護技術

隱私保護技術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。在無線傳感器網絡中，常見的隱私保護技術包括匿名技術、數據脫敏和隱私保護協議。匿名技術通過隱藏節點的真實身份和位置，使其在網絡中具有匿名性，難以被追蹤。數據脫敏則是對敏感數據進行修改或過濾，以保護個體的隱私信息。隱私保護協議則定義了節點之間的隱私保護規則和機制，確保數據的隱私性得到維護。這些技術的應用可以有效地保護用戶的隱私，降低隱私泄露的風險。

4.3 數據所有權和訪問控制

數據所有權和訪問控制是保護數據隱私的重要手段。數據所有權指明數據的所有者和使用權限，確保數據只能被授權的用戶訪問和使用。訪問控制機制通過身份驗證、授權和訪問權限控制來管理數據的訪問。在無線傳感器網絡中，訪問控制可以基于角色、加密密鑰或訪問策略進行實現。只有經過授權的節點或用戶才能訪問數據，其他非授權的節點將被拒絕訪問。數據所有權和訪問控制的實施可以確保數據僅在授權范圍內被訪問，防止未授權的數據泄露和濫用。

5 入侵檢測和響應

5.1 入侵檢測系統的設計和實現

入侵檢測系統是用于監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，設計和實現通常包括以下步驟。

圖2 入侵檢測系統工作

（1）收集傳感器網絡中的數據流量、事件記錄和節點行為信息等；（2）對收集到的數據進行預處理，包括數據清洗、特征提取和數據降維等操作；（3）選擇與入侵行為相關的特征進行進一步分析和檢測；（4）應用合適的入侵檢測算法，如基于規則的檢測、統計分析、機器學習以及數據挖掘等方法，對數據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，入侵檢測系統會生成相應的告警或報告，通知相關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絡中節點行為的監測與分析，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，包括統計分析、機器學習、圖論和行為模型。統計分析算法通過統計指標和模型來判斷節點行為是否異常；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點之間的關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合使用，根據具體需求選擇合適的算法來提高無線傳感器網絡的安全性和可靠性。

5.3 應急響應和事件管理

應急響應和事件管理是無線傳感器網絡中針對安全事件和攻擊行為及時響應與有效管理的過程，包括事件檢測和識別、事件分類和優先級劃分、響應策略制定、快速響應和恢復、事件記錄和分析以及事件通知和報告等關鍵步驟。通過這些步驟，可以迅速識別安全事件、采取相應的響應措施、限制攻擊影響、恢復網絡正常運行，并最大程度地減少安全事件對網絡的影響。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]。通過建立有效的應急響應和事件管理流程，可以提高網絡的安全性與抗攻擊能力，確保無線傳感器網絡的可用性、完整性以及機密性。

6 結 論

面向物聯網的無線傳感器網絡安全機制的設計與實現是確保物聯網環境中傳感器網絡安全性和可信性的關鍵任務。通過采取認證和密鑰管理、數據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等綜合的安全機制，能夠有效應對各種安全威脅和攻擊類型，保護物聯網中的傳感器網絡免受損害，確保數據的安全傳輸和可靠性運行。未來，隨著物聯網的快速發展，還需要不斷創新和完善安全機制，以應對新的安全挑戰和威脅。