無線傳感網(wǎng)絡(luò)安全改進方案研究 - 全文

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　　隨著相關(guān)技術(shù)的進步，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用面越來越廣，隨之而來的是在不同場合中對數(shù)據(jù)安全的要求也越來越高。由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)本身拓撲結(jié)構(gòu)的特殊性和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點構(gòu)造的限制，應(yīng)用于普通互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的對稱和非對稱數(shù)據(jù)加密方法已無法滿足無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全的要求。需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)特點，選擇新的數(shù)據(jù)加密方法，以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的安全。

　　1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)安全現(xiàn)狀

　　無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點主要由傳感模塊、運算處理模塊、無線傳輸模塊和電源模塊4部分組成。工作時將大量傳感器的節(jié)點分布于感興趣的區(qū)域，節(jié)點通過自組織方式快速形成一個無線網(wǎng)絡(luò)。每個節(jié)點都有自己控制的一個區(qū)域，通過感知設(shè)備，如溫度、濕度、聲音或光學(xué)設(shè)備，化學(xué)分析裝置，電磁感應(yīng)裝置等，對周圍的物理環(huán)境進行監(jiān)控，也可以通過配置一些專用的功能單元來實現(xiàn)與特定環(huán)境交互的功能。無線傳感器節(jié)點采用電池供電，由于受到體積、價格等因素的影響，電池的容量一般不是很大。傳感器節(jié)點個數(shù)多，成本要求低廉，分布區(qū)域廣，部署區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，有些區(qū)域甚至人員不能達到，通過更換電池的方式來補充傳感器節(jié)點能源是不現(xiàn)實的。因此在傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計過程中，任何技術(shù)和協(xié)議的使用都要以節(jié)能為前提，設(shè)計有效的節(jié)能策略，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期已成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心問題。網(wǎng)絡(luò)傳輸加密也必須采取節(jié)能的數(shù)據(jù)加密方法。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有嚴格的資源限制，需要設(shè)計低開銷的通信協(xié)議，但同時會帶來嚴重的安全問題。一方面，入侵者可以比較容易地進行服務(wù)拒絕攻擊;另一方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的資源嚴格受限，以及節(jié)點間自組織協(xié)調(diào)工作的特點，使其難以實現(xiàn)嚴密的安全防護。由于低成本的限制，一些無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)只能采用單頻率通信機制。入侵者通過頻率掃描的手段就可以很容易地捕獲無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作頻率，通過在網(wǎng)絡(luò)中植入偽裝節(jié)點，采用各種手段發(fā)動攻擊。

　　目前常用的安全策略是使用時變密鑰加密的方法對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的信息進行加密。時變加密就是連續(xù)的廣播信息單元在傳輸之前，使用一個從密鑰串中按一定的算法選取不同的密鑰對需要傳輸?shù)男畔卧M行加密。網(wǎng)絡(luò)中的傳感節(jié)點在不同的信息單元和不同的時間擁有的密鑰不同，通過使用單向的哈希算法生成一系列的密碼，一個根密碼值通過反復(fù)的哈希計算產(chǎn)生一系列的密鑰，密鑰系列以反向的順序用來對連續(xù)的數(shù)據(jù)包進行加密，這種方法可以產(chǎn)生加密機制。接收器可以通過對接收的密碼進行哈希計算，將計算的結(jié)果同老的密碼進行比較，如果與舊密碼相同，則密鑰有效，否則密鑰失效。這種機制保證密碼確實來自同一個源，單向的哈希算法保證接收器可以使用下一個密鑰，但不能偽造密鑰。工作原理如圖1所示。

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　　當(dāng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點分布時，通過靜態(tài)輸入或者通過密鑰管理模式對每個節(jié)點初始化密鑰，每一個節(jié)點都有相同的初始密鑰，在傳輸過程中，數(shù)據(jù)包使用根密鑰進行加密，下一個密鑰同數(shù)據(jù)包一同傳輸;接收器使用根密鑰對數(shù)據(jù)包進行解碼，并將密鑰的哈希算法值與舊密鑰進行比較，如果相同就將新密鑰替換舊密鑰，作為下一次數(shù)據(jù)包解碼的密鑰。這樣的密鑰解密使用的是對稱加密的方法，運算的強度大大小于非對稱加密算法。但由于密鑰的不固定性，使監(jiān)聽和破譯的難度加大，因此可以很好地滿足無線開放數(shù)據(jù)傳輸同時要求低耗能的要求。

　　2 安全方案的改進

　　在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于受環(huán)境噪聲、地面和建筑物的反射、多普勒效應(yīng)和多徑等多種衰變效應(yīng)的影響，傳感器信號通過無線信道傳輸?shù)倪^程中很容易發(fā)生錯誤，使接收端接收到錯誤的信息。并且在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)某些特殊的應(yīng)用環(huán)境，必須保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。同時時變加密方法也存在明顯的缺點，由于密鑰的連續(xù)性，要求每一次接收器都能夠收到正確密鑰，才能夠完成數(shù)據(jù)解密和更新密鑰。如果一個合法的接收器由于傳輸中的干擾而收到了錯誤的密鑰數(shù)據(jù)或者暫時的無法連接而失去了密鑰的更新操作。那么它就無法繼續(xù)解密數(shù)據(jù)和更新密鑰，節(jié)點將與整個網(wǎng)絡(luò)失去了聯(lián)系。

　　通過增大發(fā)送端的輸出功率可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑫r也提高了無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能源功耗，這樣就減少了節(jié)點的使用壽命。如果通過編碼方式提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，隨著糾錯位數(shù)的增加，編碼的長度會大大增加，數(shù)據(jù)包的編碼處理和解碼處理同樣需要增加節(jié)點的能耗。只有在對可靠性要求較高時，才可以考慮這種方案。但是通過對數(shù)據(jù)傳輸采用差錯補救控制，在無需太多增加編碼復(fù)雜程度的條件下，可以將數(shù)據(jù)傳輸錯誤造成的損失降到最低。

　　通過研究，知道節(jié)點間傳輸數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)分為2部分，一部分為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，一部分為密鑰數(shù)據(jù)。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸中出現(xiàn)一次錯誤，可以放棄這一數(shù)據(jù)，不會影響傳輸節(jié)點的工作，但是如果密鑰數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤，節(jié)點就會失去下一次解密的密鑰，結(jié)點就會與整個網(wǎng)絡(luò)失去聯(lián)系。因此可以在傳輸數(shù)據(jù)包中，通過增加再后一次解密的密鑰Ki+1字節(jié)，使接收節(jié)點在開始數(shù)據(jù)傳輸后始終保證擁有本次解密的K值和下一次解密的Ki+1值，當(dāng)本次數(shù)據(jù)傳輸發(fā)送錯誤后，可以丟棄本次數(shù)據(jù)包，等待下一數(shù)據(jù)包成功收到后直接使用密鑰Ki+1進行解密，減少一次數(shù)據(jù)包錯誤造成節(jié)點失去和源節(jié)點聯(lián)系的可能性，降低節(jié)點對單一密鑰的依賴，改進的編碼原理如圖2所示。

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　　3 結(jié)語

　　通過增加1次密鑰的方法可以增強時變加密方法的薄弱環(huán)節(jié)，減少接收節(jié)點對一次密鑰的依賴。并可通過此種方式進行擴展，增加Ki+2字節(jié)，使接收節(jié)點同時擁有第2次解密的密鑰，這樣就可以防止2次數(shù)據(jù)包錯誤對節(jié)點的影響。在不增加傳輸數(shù)據(jù)字節(jié)和編碼耗費的情況下，達到節(jié)點安全工作的目的。由于隨機錯誤連續(xù)出現(xiàn)大概率大大低于1次出現(xiàn)的概率，因此這種方案可改善無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸安全和節(jié)點連接的可靠性。