面向物联网的无线传感器网络安全机制设计与实现

胡智林，徐端倪，瞿红梅

（四川科技职业学院，四川 眉山 611745）

0 引 言

随着物联网的快速发展，无线传感器网络在各种领域中得到广泛应用。然而，由于其开放性和分布式特性，使得无线传感器网络面临着诸多安全威胁和攻击。为了保护传感器网络的数据安全和系统可靠性，设计和实现一套适用于物联网环境的安全机制至关重要。

1 常见的无线传感器网络安全威胁和攻击类型

无线传感器网络面临各种安全威胁和攻击，了解这些威胁和攻击类型对于设计与实现安全机制至关重要。常见的无线传感器网络安全威胁和攻击类型主要包括节点伪装攻击、节点隐私泄露攻击、数据篡改攻击、节点抛弃攻击、节点拒绝服务攻击、节点能量耗尽攻击、中间人攻击以及节点物理损坏攻击，具体如表1 所示[1]。

表1 常见的无线传感器网络安全威胁和攻击类型

2 认证和密钥管理

2.1 传感器节点身份验证

传感器节点身份验证是确保无线传感器网络中节点合法性和真实性的过程，主要流程如下。（1）在网络部署之前，每个传感器节点需要进行注册。注册过程可以包括节点的身份信息、密钥生成和分发等操作，注册时需要确保节点的身份信息是真实和可信的。（2）在节点想要加入网络或进行通信时，它需要向网络中的其他节点发送身份认证请求。请求中可能包含节点的身份标识、加密信息等。（3）接收到身份认证请求的节点会向请求节点发送一个挑战问题，挑战可以是一个随机数或者其他要求节点进行计算或加密的数据。请求节点需要正确地响应挑战问题，以证明自己具有合法的身份。（4）接收到挑战响应的节点会对响应进行验证，判断是否与预期结果一致。如果验证通过，即可确认请求节点的身份是合法的。（5）在身份验证成功后，网络中的其他节点可以对请求节点进行授权，允许其加入网络或进行特定的通信。同时，访问控制机制可以限制节点之间的交互和资源访问，以保护网络的安全性。

2.2 密钥分发和更新

密钥分发和更新是无线传感器网络中实现安全通信的重要环节。其主要流程如下。

（1）首次密钥分发。在网络部署之前，每个传感器节点需要获取一个初始密钥。这个密钥可以通过安全信道进行传输，或者由网络管理员在节点部署前进行预置。另外，初始密钥的安全性至关重要，因此需要采用安全的密钥分发机制。

（2）密钥分发。一旦节点身份验证成功，网络中的节点可以开始进行密钥分发。这包括将新的密钥分发给新加入的节点与已存在节点之间进行密钥更新。密钥分发可以采用点对点或多播方式进行，确保密钥在传输过程中的机密性和完整性。

（3）密钥更新。定期更新密钥是保持网络安全性的重要措施。节点可以定期生成新的密钥，然后通过安全的通信信道将新密钥分发给网络中的其他节点。同时，旧密钥应该被废弃，以防止被攻击者利用。

（4）密钥协商和管理。节点之间进行通信时，需要使用共享密钥进行加密和解密。密钥协商机制允许节点协商生成会话密钥，以确保通信过程中的密钥安全。此外，密钥管理包括密钥存储、密钥更新策略以及密钥失效处理等方面的管理措施[2]。

2.3 密钥协商和管理机制

密钥协商和管理机制在无线传感器网络中起着关键作用，用于确保节点之间的通信安全和数据保密性，基于物联网的密钥管理如图1 所示。

图1 基于物联网的密钥管理

密钥协商是指节点之间协商生成会话密钥的过程，以便在通信中使用加密算法进行数据保护。常见的密钥协商协议包括Diffie-Hellman 密钥交换协议和公钥基础设施（Public Key Infrastructure，PKI）协议等。这些协议允许节点在不安全的通信信道上协商共享密钥，从而保证密钥的机密性和完整性。

密钥管理是指对密钥进行存储、更新和失效处理等。密钥的安全存储至关重要，可以采用加密算法或安全存储设备来防止密钥泄露。密钥的定期更新是为了应对潜在的密钥泄露或破解风险，以维护通信的长期安全性。当节点发生密钥泄露或存在其他安全问题时，密钥失效处理可以迅速废除受影响的密钥，防止被攻击者利用。

3 数据完整性和可信性保护

3.1 消息完整性校验和数字签名

消息完整性校验是验证数据在传输过程中是否被篡改的重要步骤。通常采用的方法是使用消息完整性校验码，如循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check，CRC）或哈希函数（SHA-1 或MD5），对数据进行计算，并与接收到的数据进行比较，以确定是否存在篡改。此外，数字签名也是一种常用的数据完整性保护手段。数字签名使用公钥密码学技术，通过对数据进行加密和签名生成唯一的数字签名，接收方可以使用发送方的公钥验证签名的完整性和真实性，确保数据未被篡改。

3.2 数据溯源和验证机制

数据溯源和验证机制用于追踪数据的来源和验证数据的真实性。数据溯源技术可以通过标记数据包或记录数据包传输路径的方式，识别数据的源头和经过的节点。这样可以追踪到数据的来源，确保数据来源的可信性。验证机制则通过验证数据包中的相关信息，如数字签名、时间戳等，以确定数据的真实性和可信性。这些机制可以防止数据被伪造或篡改，并提供数据来源的可追溯性[3]。

3.3 可信度评估和信任管理

可信度评估和信任管理是对节点的可信性进行评估与管理的过程。在无线传感器网络中，节点可能受到各种攻击或故障，因此需要对节点进行信任评估。可信度评估考虑节点的行为、安全机制和信号质量等因素，确定节点的可信程度。信任管理涉及建立信任模型、信任评分和信任传播机制，用于确定节点之间的信任关系和信任级别，并相应地调整数据的处理和传输策略。通过可信度评估和信任管理，可以建立起一个相对可靠的网络环境，增强数据的可信性及安全性。

4 保密性和隐私保护

4.1 数据加密和解密

数据加密是一种常用的保密性保护手段，通过使用加密算法将敏感数据转换成无法被理解的密文，以防止未经授权的访问者获取数据内容。在无线传感器网络中，常用的加密算法包括对称密钥加密和公钥密码学。对称密钥加密使用相同的密钥对数据进行加密和解密，而公钥密码学则使用公钥进行加密，私钥进行解密。数据接收方需要正确的密钥来解密数据并还原为明文。通过数据加密和解密的过程，可以保护数据的保密性，防止敏感信息被泄露。

4.2 隐私保护技术

隐私保护技术旨在保护个体的身份和敏感信息，以防止隐私泄露或被侵犯。在无线传感器网络中，常见的隐私保护技术包括匿名技术、数据脱敏和隐私保护协议。匿名技术通过隐藏节点的真实身份和位置，使其在网络中具有匿名性，难以被追踪。数据脱敏则是对敏感数据进行修改或过滤，以保护个体的隐私信息。隐私保护协议则定义了节点之间的隐私保护规则和机制，确保数据的隐私性得到维护。这些技术的应用可以有效地保护用户的隐私，降低隐私泄露的风险。

4.3 数据所有权和访问控制

数据所有权和访问控制是保护数据隐私的重要手段。数据所有权指明数据的所有者和使用权限，确保数据只能被授权的用户访问和使用。访问控制机制通过身份验证、授权和访问权限控制来管理数据的访问。在无线传感器网络中，访问控制可以基于角色、加密密钥或访问策略进行实现。只有经过授权的节点或用户才能访问数据，其他非授权的节点将被拒绝访问。数据所有权和访问控制的实施可以确保数据仅在授权范围内被访问，防止未授权的数据泄露和滥用。

5 入侵检测和响应

5.1 入侵检测系统的设计和实现

入侵检测系统是用于监测和识别潜在入侵行为的软件或硬件组件，其工作原理如图2 所示，设计和实现通常包括以下步骤。

图2 入侵检测系统工作

（1）收集传感器网络中的数据流量、事件记录和节点行为信息等；（2）对收集到的数据进行预处理，包括数据清洗、特征提取和数据降维等操作；（3）选择与入侵行为相关的特征进行进一步分析和检测；（4）应用合适的入侵检测算法，如基于规则的检测、统计分析、机器学习以及数据挖掘等方法，对数据进行分析和模式识别，以识别可能的入侵行为；（5）一旦检测到可能的入侵行为，入侵检测系统会生成相应的告警或报告，通知相关人员进行进一步的处理[4]。

5.2 异常检测和行为分析算法

异常检测和行为分析算法是针对无线传感器网络中节点行为的监测与分析，用于识别潜在的异常情况和攻击行为。这些算法基于不同的工作原理，包括统计分析、机器学习、图论和行为模型。统计分析算法通过统计指标和模型来判断节点行为是否异常；机器学习算法通过学习正常行为的特征和模式来识别异常行为；基于图论的算法利用节点之间的关系和连接来检测异常；而基于行为模型的算法建立正常行为的模型进行比较。这些算法可以单独使用或结合使用，根据具体需求选择合适的算法来提高无线传感器网络的安全性和可靠性。

5.3 应急响应和事件管理

应急响应和事件管理是无线传感器网络中针对安全事件和攻击行为及时响应与有效管理的过程，包括事件检测和识别、事件分类和优先级划分、响应策略制定、快速响应和恢复、事件记录和分析以及事件通知和报告等关键步骤。通过这些步骤，可以迅速识别安全事件、采取相应的响应措施、限制攻击影响、恢复网络正常运行，并最大程度地减少安全事件对网络的影响。此外，事件管理还包括记录和分析事件信息、通报等相关方面，并提供详尽的报告以供参考和改进[5]。通过建立有效的应急响应和事件管理流程，可以提高网络的安全性与抗攻击能力，确保无线传感器网络的可用性、完整性以及机密性。

6 结 论

面向物联网的无线传感器网络安全机制的设计与实现是确保物联网环境中传感器网络安全性和可信性的关键任务。通过采取认证和密钥管理、数据完整性和可信性保护、保密性和隐私保护以及入侵检测和响应等综合的安全机制，能够有效应对各种安全威胁和攻击类型，保护物联网中的传感器网络免受损害，确保数据的安全传输和可靠性运行。未来，随着物联网的快速发展，还需要不断创新和完善安全机制，以应对新的安全挑战和威胁。