羅宇杰，張 健，唐彰國(guó)，李煥洲

(四川師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，成都 610066)(*通信作者電子郵箱dctscu07@163.com)

0 引言

近年來(lái)物聯(lián)網(wǎng)安全研究已經(jīng)成為信息科學(xué)研究的重點(diǎn)之一，隨著物聯(lián)網(wǎng)與IPv6網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的不斷增加，各種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代，物聯(lián)網(wǎng)終端與網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通已經(jīng)成為未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。低功耗有損網(wǎng)絡(luò)(Low Power and Lossy Network, LLN)在醫(yī)療服務(wù)、智能家居、智能交通、智慧城市[1-2]以及高級(jí)計(jì)量架構(gòu)(Advanced Metering Infrastructure, AMI)智能抄表[3]等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。但由于節(jié)點(diǎn)自身內(nèi)存、處理能力、能量等資源受限，每個(gè)節(jié)點(diǎn)所能提供的能力有限，很難滿足IPv6網(wǎng)絡(luò)的需要，因此，互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(the Internet Engineering Task Force, IETF)工作組提出的6LoWPAN(IPv6 over LoW-Power wireless personAl Network)[4-5]正好解決了這個(gè)問題。6LoWPAN使得IPv6能夠用于LLN，對(duì)原有數(shù)據(jù)包進(jìn)行分片壓縮處理[6]，在鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層之間加入一層適配層。6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)層使用低功耗路由工作組(Routing Over Lower-power and Lossy network, ROLL)提出的低功耗有損網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議(Routing Protocol for Low-power and lossy network, RPL)[7]，雖然在RPL中已經(jīng)采取了一些安全方法和機(jī)制，但是其中仍然存在很多安全問題和威脅，無(wú)法滿足RPL與日俱增的安全需要。通過大量調(diào)查研究，本文研究總結(jié)了目前RPL協(xié)議的主要安全威脅以及相關(guān)應(yīng)對(duì)方法。

1 相關(guān)工作

1.1 6LoWPAN基本原理

6LoWPAN協(xié)議棧如圖1所示:第一層媒體訪問控制層(Medium Access Control, MAC)與第二層物理層(PHysical Layers, PHY)使用IEEE 802.15.4[6]原有標(biāo)準(zhǔn)，第三層為6LoWPAN適配層(6LoWPAN Adaption Layer)[6]，第四層主要由IPv6、RPL、6LoWPAN-ND (Neighbor Discover of 6LoWPAN)等組成的網(wǎng)絡(luò)層，第五層為用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(User Datagram Protocol, UDP)、用戶控制報(bào)文協(xié)議(Internet Control Message Protocol, ICMP)等組成的傳輸層，第六層為由COAP(COnstrained Application Protocol)、消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸(Message Queuing Telemetry Transport, MQTT)協(xié)議等組成的應(yīng)用層。第三層適配層主要是提供頭部壓縮、數(shù)據(jù)包分片,以及部分路由算法[8]。

圖1 6LoWPAN協(xié)議棧Fig. 1 6LoWPAN protocol stack

6LoWPAN中采用了多跳轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制以及自組織的鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議，根據(jù)路由策略和工作層次的不同，可以分為Route-Over路由[9]和Mesh-Under路由[10]兩種路由機(jī)制，前者工作在網(wǎng)絡(luò)層，后者是在6LoWPAN適配層。Mesh-Under路由機(jī)制代表包括按需距離矢量路由LOAD(6LoWPAN Ad Hoc on-demand Distance vector routing)[11]、E-Hilow(Extended-HiLow)[12]等算法。Router-Over路由機(jī)制主要是使用RPL以及在此基礎(chǔ)上衍生出來(lái)的基于時(shí)間信任的安全RPL協(xié)議(Secure Trust-aware RPL, SecTrust-RPL)[13]、S-RPL(Secure-RPL)[14]等。6LoWPAN具有以下特性：1)支持16位或者64位擴(kuò)展媒體訪問控制地址；2)250/40/20 Kb/s帶寬；3)設(shè)備能量、存儲(chǔ)有限。

1.2 RPL協(xié)議

RPL是低功耗有損網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的一種距離矢量路由協(xié)議，而原有的開放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議(Open Shortest Path First, OSPF)、路由信息協(xié)議(Routing Information Protocol, RIP)、AODV(Ad Hoc On-demend Distance Vector routing)[15]等都不再完全適用于LLN。RPL可以支持點(diǎn)到點(diǎn)(Point-to-Point)、點(diǎn)到多點(diǎn)(Point-to-Mutipoint)、多點(diǎn)到點(diǎn)(Mutipoint-to-Point)的通信，通過ICMPv6(Internet Control Management Protocol version 6)控制消息來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的交互。RPL過程[6]主要是包含路由的發(fā)現(xiàn)、建立、維護(hù)等方面。利用鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議，采用以目的地為導(dǎo)向的有向無(wú)環(huán)圖(Destination Oriented Directed Acyclic Graph, DODAG)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中向上是靠近根(Root)節(jié)點(diǎn)，向下是遠(yuǎn)離根節(jié)點(diǎn)。在一個(gè)RPL實(shí)例[16]中，節(jié)點(diǎn)可以加入多個(gè)目的地通告消息DAO(DODAG Destination Advertisement Object)。其中信息對(duì)象消息DIO(DODAG Information Object)是由根節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行廣播，允許其他節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)并加入它，其中包含了實(shí)例ID、DODAG的版本號(hào)、目標(biāo)函數(shù)(Objective Function, OF)[17]等路由度量標(biāo)準(zhǔn)[18]參數(shù)。DAO是節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身情況是否加入路由并計(jì)算自身的到根節(jié)點(diǎn)的Rank值并回復(fù)給根節(jié)點(diǎn)的確認(rèn)消息。請(qǐng)求消息DIS(DODAG Information Solicitation)主要是滿足本地組播的請(qǐng)求，用于鄰居發(fā)現(xiàn)，如圖2所示。整個(gè)路由網(wǎng)絡(luò)可以抽象結(jié)構(gòu)組成一棵DODAG樹，并為了減少控制包數(shù)量，RPL使用Trickle定時(shí)器算法來(lái)維護(hù)和修復(fù)整個(gè)拓?fù)?。DODAG的這種樹狀結(jié)構(gòu)可以有效避免環(huán)路問題，根節(jié)點(diǎn)可以通過廣播來(lái)實(shí)現(xiàn)與其他節(jié)點(diǎn)交互信息，并在交互過程中通過目標(biāo)函數(shù)將多個(gè)度量約束轉(zhuǎn)換成Rank值，然后根據(jù)Rank值來(lái)確定路由選擇。

RPL協(xié)議除了網(wǎng)絡(luò)路由中的一般安全威脅[19]外還存在許多安全問題，比如選擇轉(zhuǎn)發(fā)攻擊、水槽攻擊、女巫和克隆攻擊、拒絕服務(wù)攻擊、Rank攻擊、版本攻擊、局部修復(fù)攻擊、鄰居攻擊等。這些攻擊會(huì)在不同程度上對(duì)正常的路由造成影響，輕則增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、擾亂破壞拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，重則導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓并且拒絕服務(wù)，甚至被控成為攻擊其他網(wǎng)絡(luò)的“工具”。

圖2 RPL信息控制過程Fig. 2 RPL routig information control process

RPL在設(shè)計(jì)之初就考慮了一些安全機(jī)制[6]來(lái)保障路由安全，主要分為以下三種模式：

1)無(wú)安全模式：在這種模式下，RPL使用基本不含安全的控制信息，主要是通過其他層(鏈路層和適配層)安全機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)整體安全。

2)預(yù)裝密鑰模式：在控制消息加入了RPL instance，節(jié)點(diǎn)中預(yù)置了密鑰，從而使用預(yù)裝密鑰來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)路由過程的保密性和安全性。

3)驗(yàn)證模式：同預(yù)裝密鑰模式基本相同，但是預(yù)裝的密鑰的節(jié)點(diǎn)只能作為葉子節(jié)點(diǎn)，如果需要作為路由加入時(shí)，則需要另外的密鑰通過認(rèn)證請(qǐng)求來(lái)實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證加入。

IETF在RPL的安全威脅分析[20]中結(jié)合ISO 7498-2安全參考體系提出了幾種安全機(jī)制：

1)認(rèn)證：涉及在交換路由信息(對(duì)等認(rèn)證)并確保路由數(shù)據(jù)的來(lái)源來(lái)自對(duì)等體(數(shù)據(jù)源認(rèn)證)之前對(duì)路由對(duì)等體的相互認(rèn)證。要求對(duì)新加入的開放和不可信端信道具有可用性，而且需要自動(dòng)的身份驗(yàn)證，以便網(wǎng)絡(luò)可以自動(dòng)接受或拒絕新的加入者。

2)訪問控制：能夠提供防止未經(jīng)授權(quán)使用并處理節(jié)點(diǎn)授權(quán)的保護(hù)。

3)機(jī)密性：機(jī)密性涉及路由信息的保護(hù)以及路由鄰居維護(hù)交換機(jī)制，以便只有授權(quán)和預(yù)期的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體才能查看或訪問它。

4)完整性：完整性需要保護(hù)路由信息和路由鄰居維護(hù)交換機(jī)制，以及在數(shù)據(jù)庫(kù)中維護(hù)的派生信息，以防未經(jīng)授權(quán)的修改、插入、刪除或重播而超出路由協(xié)議。

5)可用性：可用性確保路由信息交換和轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行所需時(shí)可用，能夠保持路由和鄰居發(fā)現(xiàn)交換(包括所需信息)和轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)的高效性。

上述工作雖然提出了一些安全方法和原則，但是需要結(jié)合適當(dāng)?shù)陌踩呗院蛨?zhí)行機(jī)制來(lái)保證RPL安全。RPL在安全方面仍然存在很多的威脅和問題[21]，例如在無(wú)線傳輸?shù)拇嗳跣?、?jié)點(diǎn)資源受限性、計(jì)算能力不足性、無(wú)人看管帶來(lái)易破壞性、存儲(chǔ)受限等，因此并太不適合直接采用高開銷、高負(fù)載的方式來(lái)保障其路由安全，而是應(yīng)該考慮其輕量化的設(shè)計(jì)[22]。同時(shí)，國(guó)內(nèi)外眾多研究人員對(duì)RPL安全問題進(jìn)行研究，針對(duì)不同的攻擊方面提出了不同的應(yīng)對(duì)策略。

2 典型攻擊及防范

2.1 典型攻擊

由于LLN中的RPL在設(shè)計(jì)之初，更多是為實(shí)現(xiàn)更方便、更快速的功能考慮，再加上無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的開放性、脆弱性、不穩(wěn)定性、易破壞性等，導(dǎo)致RPL很容易遭到各種攻擊。因此針對(duì)RPL的攻擊方式[23]以及安全威脅[24]，主要可以分為以下幾種：

1)Rank攻擊。RPL中Rank值是從Root根節(jié)點(diǎn)逐漸增加到子節(jié)點(diǎn)的。攻擊者通過篡改節(jié)點(diǎn)Rank值，攻擊者可以通過對(duì)子節(jié)點(diǎn)的吸引來(lái)實(shí)現(xiàn)父節(jié)點(diǎn)更新或者改變?cè)型負(fù)洌⑶夷軌蛭罅康牧髁苛飨蚋?jié)點(diǎn)。Rank攻擊不僅會(huì)造成未經(jīng)過驗(yàn)證的沒有優(yōu)化的路徑，而且還會(huì)造成惡意節(jié)點(diǎn)周圍拓?fù)渥兓?，從而影響?shù)據(jù)包傳遞，增加網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲，增加網(wǎng)絡(luò)控制開銷。

2)版本攻擊。這種攻擊是通過廣播發(fā)布新DODAG樹的更高版本號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到更高節(jié)點(diǎn)的版本號(hào)時(shí)，它們就會(huì)開始形成新的DODAG樹，同樣也會(huì)導(dǎo)致非優(yōu)化的拓?fù)?，容易造成拓?fù)涓淖?，網(wǎng)絡(luò)信息被竊取。

3)本地修復(fù)攻擊。這種攻擊是攻擊者周期性地發(fā)布正常的修復(fù)信息，當(dāng)其他周圍節(jié)點(diǎn)收到本地修復(fù)信息后就導(dǎo)致開始本地修復(fù)。這種攻擊產(chǎn)生的影響比其他的更大，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生更多的控制數(shù)據(jù)包以及增加網(wǎng)絡(luò)延遲及負(fù)載。

4)鄰居攻擊。惡意節(jié)點(diǎn)通過廣播不包含自己信息的DIO信息，從而導(dǎo)致其他收到該DIO信息的節(jié)點(diǎn)誤認(rèn)為這是一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的，并且會(huì)更改部分路由拓?fù)?。這種攻擊類似于蟲洞攻擊，會(huì)極大地影響網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，增加網(wǎng)絡(luò)延遲。

5)DIS攻擊。DIS信息是在加入拓?fù)渲?，用于新的?jié)點(diǎn)獲取路由拓?fù)湫畔?。惡意?jié)點(diǎn)定期向它周圍鄰居發(fā)送DIS信息，當(dāng)其他節(jié)點(diǎn)收到DIS信息時(shí)，會(huì)重置DIO定時(shí)器，可能會(huì)導(dǎo)致周圍拓?fù)浒l(fā)生改變，并增加延遲。

6)選擇轉(zhuǎn)發(fā)攻擊。這種攻擊主要是通過有選擇地轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包實(shí)施，攻擊的目的主要是破壞路由拓?fù)浜瓦^濾任何協(xié)議。攻擊者可以轉(zhuǎn)發(fā)所有的ICMP控制消息，降低其余流量，并且影響網(wǎng)絡(luò)可用性，縮短網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間，更容易實(shí)現(xiàn)拒絕服務(wù)(Denial of Service, DoS)攻擊。

7)污水池攻擊。攻擊者聲稱自己有充足的能力、更好的路徑，從而吸引周圍節(jié)點(diǎn)改變傳輸，將發(fā)給其他節(jié)點(diǎn)的包轉(zhuǎn)發(fā)給污水池攻擊者，再由它傳送出去，從而可以把收到的信息隨意處理，甚至丟棄。

8)女巫和克隆攻擊。類似于克隆ID攻擊，惡意節(jié)點(diǎn)通過克隆或者在即在同一物理節(jié)點(diǎn)使用多個(gè)標(biāo)識(shí)，使得受害節(jié)點(diǎn)會(huì)將數(shù)據(jù)包發(fā)送給攻擊者，造成拓?fù)涓淖?，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增加，網(wǎng)絡(luò)流量被竊取。

9)HELLO洪泛攻擊。初始進(jìn)行路由建立時(shí)，攻擊者用HEELLO來(lái)廣播自己，收到數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)會(huì)認(rèn)為發(fā)送者在自己通信范圍內(nèi)，并接受攻擊節(jié)點(diǎn)，但在后續(xù)傳輸過程中會(huì)導(dǎo)致部分節(jié)點(diǎn)因?yàn)閷?shí)際距離太遠(yuǎn)而無(wú)法傳達(dá)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)混亂。

10)蟲洞攻擊。如圖3所示，在RPL過程中，惡意節(jié)點(diǎn)在兩個(gè)攻擊點(diǎn)間建立隧道，傳送全部的流量數(shù)據(jù)包，能夠吸引較大的網(wǎng)絡(luò)流量，從而改變?cè)芯W(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

11)黑洞攻擊。攻擊節(jié)點(diǎn)能夠把通過自身的所有數(shù)據(jù)以及流量延遲發(fā)送或者不發(fā)送，造成高丟包率、高控制流量以及路由流量開銷。

12)拒絕服務(wù)攻擊。可以借助之前所提到的攻擊方式如洪泛攻擊，進(jìn)而讓用戶節(jié)點(diǎn)無(wú)法獲得信息或資源，造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

13)拜占庭式攻擊。如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)被捕獲或受到攻擊，但仍持續(xù)運(yùn)行一段具有有效網(wǎng)絡(luò)安全證書的時(shí)間段，則可能存在路由信息被操縱的可能性。

圖3 蟲洞攻擊示意圖Fig. 3 Schematic diagram of wormhole attack

2.2 攻擊威脅總結(jié)

針對(duì)路由的不同過程或階段可能發(fā)動(dòng)不同的攻擊，通過不同攻擊方式的組合和疊加，可能會(huì)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)造成毀滅性的打擊，并且導(dǎo)致與其相連的其他網(wǎng)絡(luò)的淪陷，造成巨大的損失。因此基于對(duì)各種攻擊的了解和分析[25]，通過對(duì)RPL中已存在的攻擊類型、危害影響、應(yīng)對(duì)方法、存在不足歸納如表1所示，并針對(duì)不同的攻擊方式，提出不同的解決思路。

2.3 應(yīng)對(duì)攻擊的方法

為了應(yīng)對(duì)LLN中RPL協(xié)議的安全問題，國(guó)內(nèi)外的研究人員已經(jīng)提出了不同的應(yīng)對(duì)方法，根據(jù)防御檢測(cè)策略的不同，可以作以下分類：

1)應(yīng)對(duì)機(jī)密性攻擊的防范方法。路由拓?fù)湫孤豆?、流量被?dòng)竊聽攻擊、流量分析攻擊,以及遠(yuǎn)程訪問攻擊等，都是因?yàn)槠茐牧薘PL的機(jī)密性，因此可以在路由發(fā)起節(jié)點(diǎn)和響應(yīng)節(jié)點(diǎn)之間建立加強(qiáng)會(huì)話密鑰以應(yīng)對(duì)洪泛攻擊。其次，只有經(jīng)過驗(yàn)證和認(rèn)證的節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)完成后，才允許路由交換。加密整個(gè)原始數(shù)據(jù)包源/目的地址的全部。

2)應(yīng)對(duì)完整性攻擊的防范方法。為了應(yīng)對(duì)未授權(quán)的攻擊、欺騙攻擊、女巫攻擊、信息重放攻擊、拜占庭路由信息攻擊等，應(yīng)實(shí)施對(duì)存儲(chǔ)的訪問控制和與歷史路由/拓?fù)鋽?shù)據(jù)進(jìn)行比較，提供特定的基于公共密鑰的認(rèn)證，提供授權(quán)。使用鏈路層安全認(rèn)證，通常與某種計(jì)數(shù)器算法一起計(jì)算時(shí)間可靠性來(lái)確保消息的新鮮度，防止重放攻擊。

3)應(yīng)對(duì)可用性攻擊的防范方法。應(yīng)對(duì)洪泛攻擊可以采用雙向認(rèn)證的方法，使用驗(yàn)證簽名和發(fā)送加密消息的節(jié)點(diǎn),在驗(yàn)證簽名和加密消息時(shí)需要謹(jǐn)慎使用加密處理。應(yīng)對(duì)選擇性轉(zhuǎn)發(fā)攻擊可以通過不相交路徑對(duì)相同消息進(jìn)行多路徑路由，或者從一組候選者中動(dòng)態(tài)選擇下一跳。

通過對(duì)主要RPL攻擊的總結(jié)比較，對(duì)每種攻擊有了充分的認(rèn)識(shí)，然后針對(duì)幾種典型的應(yīng)對(duì)攻擊方法，從類型、典型方法、可防御攻擊類型、缺陷等方面進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析和比較，如表2所示。

3 安全RPL協(xié)議

針對(duì)RPL中的安全問題，最早在RPL提出之時(shí)就考慮到了一些安全機(jī)制[26]，例如RPL instance，可以在節(jié)點(diǎn)中預(yù)先加入密鑰的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證。將基礎(chǔ)的AES(Advanced Encryption Standard)-128作為底層的密碼算法，并在第二層中預(yù)留有安全報(bào)頭部分以供后續(xù)改進(jìn)，同時(shí)也可以通過全局修復(fù)和本地修復(fù)的策略來(lái)實(shí)現(xiàn)RPL的正常工作。但是這些都還不足以滿足日益增長(zhǎng)的安全需求。因此，經(jīng)過近年研究人員的努力，基本形成了以信任、密碼算法、層次結(jié)構(gòu)、特定攻擊等核心安全策略為基礎(chǔ)的改進(jìn)RPL協(xié)議，在不同方面上提高了協(xié)議的安全性，這些協(xié)議可以分為以下幾類。

表1 攻擊威脅總結(jié)Tab. 1 Summary of attack threat

3.1 基于信任的RPL安全協(xié)議

文獻(xiàn)[53-54]中提出了一種基于信任度量的Trust-based-RPL安全協(xié)議，通過在RPL節(jié)點(diǎn)建立和維護(hù)路由，能夠排除被惡意節(jié)點(diǎn)感染的節(jié)點(diǎn)，主要提出了基于度量的安全可靠的RPL方案(Metric-based RPL Trustworthiness Scheme, MRTS)來(lái)提高路由的安全性，MRTS在構(gòu)建和維護(hù)每個(gè)點(diǎn)到邊界路由器(Border Router)的路由過程中解決信任問題。為了解決這個(gè)問題，引入一個(gè)新的基于信任的度量標(biāo)準(zhǔn)即擴(kuò)展RPL節(jié)點(diǎn)可信度(Extended RPL Node Trustworthiness, ERNT)和一個(gè)新的信任目標(biāo)函數(shù)(Trust Objective Function, TOF)。事實(shí)上，ERNT代表網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的信任值，其中包含直接可信度量和間接可信度量，直接可信度量是依據(jù)誠(chéng)實(shí)、能量、無(wú)私等三個(gè)信任相關(guān)的權(quán)重來(lái)計(jì)算，而間接可信度量是根據(jù)相鄰節(jié)點(diǎn)的協(xié)作來(lái)計(jì)算的。TOF就是把信任值映射到路徑選擇上，在MRTS中所有節(jié)點(diǎn)都考慮節(jié)點(diǎn)行為來(lái)計(jì)算ERNT，最后通過擴(kuò)展分布式的Bellman-Ford算法來(lái)實(shí)現(xiàn)信任模型的；而且MRST只考慮可信節(jié)點(diǎn)，能夠允許處于信任狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)自組織網(wǎng)絡(luò)。但是只是通過擴(kuò)展DIO來(lái)增加額外的計(jì)算和通信開銷，并沒有解決像黑洞攻擊、Rank攻擊、女巫攻擊等已知攻擊。

文獻(xiàn)[55]中提出了一種基于RPL建立的可信平臺(tái)的和密鑰交換方法，該模塊在經(jīng)認(rèn)證的節(jié)點(diǎn)間提供密鑰以安全模式來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可用性和完整性，防止篡改數(shù)據(jù)包來(lái)抵御攻擊。通過使用可信平臺(tái)模塊(Trusted Platform Module, TPM)來(lái)實(shí)現(xiàn)在不安全的環(huán)境中提供精確的數(shù)據(jù)，同時(shí)保證接收到消息的完整性和真實(shí)性，能夠減少處理器上的負(fù)載。但是該方案在很大程度上取決于TPM，并不能完全通用，而且還在受限的節(jié)點(diǎn)上額外增加了加密處理，造成了更多的損耗。

文獻(xiàn)[56]中提出一種基于跨層信任的鄰居不可達(dá)檢測(cè)(Neighbor Unreachable Detection, NUD)機(jī)制，該方案通過使用信任管理系統(tǒng)指定來(lái)自鄰居的請(qǐng)求，能在一定程度上提高可靠性和可用性。針對(duì)RPL中不可達(dá)的鄰居檢測(cè)，需要一種非常低通信開銷的外部機(jī)制，這就排除了保持活動(dòng)消息的主動(dòng)機(jī)制。相反，在RPL中使用的IPv6的NUD，這是一種維護(hù)觸發(fā)控制消息的定時(shí)器反應(yīng)機(jī)制。但是，當(dāng)使用固定的超時(shí)間隔時(shí)，NUD會(huì)遭受頻繁的超時(shí)，并且開銷很大。通過利用鏈路層上的監(jiān)聽機(jī)制，使用分組統(tǒng)計(jì)，然后基于已經(jīng)存在的網(wǎng)絡(luò)流量調(diào)整其超時(shí)間隔，而且不需要節(jié)點(diǎn)間過多協(xié)調(diào)。但是也存在沒有針對(duì)特定的攻擊進(jìn)行檢測(cè)，及網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化而信任參數(shù)不能適應(yīng)性調(diào)整等問題。

表2 幾種典型應(yīng)對(duì)方法比較Tab. 2 Comparison of several typical coping methods

文獻(xiàn)[57]中提出了一個(gè)基于信任的節(jié)點(diǎn)評(píng)估閾值機(jī)制的安全路由協(xié)議，能夠通過選擇安全的父節(jié)點(diǎn)來(lái)應(yīng)對(duì)Rank攻擊。RPL是基于樹的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此攻擊節(jié)點(diǎn)可能錯(cuò)誤地申明對(duì)周圍鄰居節(jié)點(diǎn)的排名，以便被它們選為父節(jié)點(diǎn)，從而攻擊目標(biāo)。在基于信任節(jié)點(diǎn)評(píng)估閾值中，若每個(gè)節(jié)點(diǎn)存在多個(gè)父節(jié)點(diǎn)候選項(xiàng)時(shí)，依據(jù)攻擊點(diǎn)錯(cuò)誤聲稱比合法節(jié)點(diǎn)Rank低的情況，能夠計(jì)算周圍節(jié)點(diǎn)最大的和平均的Rank值來(lái)判斷它的鄰居節(jié)點(diǎn)是否是惡意節(jié)點(diǎn)。閾值是通過Rave(鄰居節(jié)點(diǎn)Rank值)減去周圍鄰居Rank值的最大值(Rmax)的K倍，以此來(lái)作為信任評(píng)價(jià)的閾值。該方法能夠應(yīng)對(duì)Rank攻擊，但是無(wú)法解決女巫攻擊和黑洞攻擊。

文獻(xiàn)[58]中提出了基于鏈接可靠和信任的路由協(xié)議(Link reliable and Trustaware RPL, LT-RPL)，主要包含信息收集、信任合成、信任數(shù)據(jù)庫(kù)、信任應(yīng)用等四個(gè)階段，如圖4所示。通過該四個(gè)階段來(lái)實(shí)現(xiàn):1)能夠有效為維護(hù)網(wǎng)絡(luò)路由拓?fù)涮峁┓?wù)質(zhì)量保證;2)同時(shí)能夠有效防止惡意節(jié)點(diǎn)的黑洞攻擊。

文獻(xiàn)[59]中總結(jié)了基于信任的路由框架。文獻(xiàn)[60]提出了一個(gè)受信任的RPL協(xié)議實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[13，61]提出了基于時(shí)間信任的安全RPL協(xié)議(SecTrust-RPL),該安全協(xié)議主要是將安全信任系統(tǒng)嵌入到RPL協(xié)議中，能夠有效地檢測(cè)和隔離攻擊。節(jié)點(diǎn)的可依賴性是基于節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中對(duì)其鄰居的行為或服務(wù)來(lái)評(píng)價(jià)，因此可以從可靠性、可信度、完整性和可信任性等方面來(lái)進(jìn)行量化，并且累計(jì)起來(lái)作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的信任等級(jí)。該安全協(xié)議是由信任值計(jì)算、信任監(jiān)控和更新、檢測(cè)惡意節(jié)點(diǎn)、信任值備份和恢復(fù)、信任評(píng)級(jí)等過程來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的基于信任的安全RPL協(xié)議，最后利用SecTrust引擎來(lái)實(shí)現(xiàn)安全路由和一致性維護(hù)；同現(xiàn)有的RPL協(xié)議相比，SecTrust-RPL對(duì)Rank攻擊和女巫攻擊有較好的防御效果，同時(shí)也考慮了低電量的節(jié)點(diǎn)可以降低安全損耗，從而獲得更大的效益。

圖4 信任模型[58]Fig. 4 Trust model[58]

3.2 基于密鑰認(rèn)證的RPL安全協(xié)議

文獻(xiàn)[62]中提出了基于認(rèn)證和加密的身份驗(yàn)證機(jī)制，主要通過使用基于標(biāo)識(shí)的密碼體系(Identity-Based Cryptography, IBC)生成密鑰并在節(jié)點(diǎn)間利用AES-128和SHA(Secure Hash Algorithm)-256對(duì)控制消息加密，同時(shí)密鑰是配對(duì)管理的，可以確保節(jié)點(diǎn)能進(jìn)行身份驗(yàn)證，而且所有節(jié)點(diǎn)預(yù)先就設(shè)置有密鑰，從而攻擊者無(wú)法竊取，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)完整性和真實(shí)性，能夠降低污水池攻擊、蟲洞攻擊、防止欺騙攻擊等造成的影響；但是會(huì)造成一定的開銷，而且必須預(yù)先設(shè)置密鑰，缺乏通用性。

文獻(xiàn)[63]在基于RPL協(xié)議的適配層安全機(jī)制的研究中提出通過控制報(bào)文實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證與密鑰管理，通過調(diào)用AES-128和SHA-1來(lái)進(jìn)行加密，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)是在全網(wǎng)完成所有節(jié)點(diǎn)的初始身份認(rèn)證之前網(wǎng)絡(luò)處于一個(gè)相對(duì)安全環(huán)境，進(jìn)行全網(wǎng)初始化公共密鑰，以此來(lái)進(jìn)行身份認(rèn)證和密鑰管理。通過初始分配標(biāo)識(shí)和密鑰、組網(wǎng)階段、密鑰分配與輪換解讀，最后形成完整的安全機(jī)制。但是該機(jī)制對(duì)于初始化階段不存在惡意節(jié)點(diǎn)要求比較苛刻，適用面較窄。

文獻(xiàn)[30]中提出的VeRA主要是通過認(rèn)證的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)抵御節(jié)點(diǎn)版本攻擊和Rank攻擊。VeRA主要是在初始階段中通過DODAG根中使用隨機(jī)數(shù)來(lái)生成版本號(hào)哈希列，然后基于該隨機(jī)數(shù)生成Rank哈希鏈，通過生成的這兩者在每次版本號(hào)變動(dòng)時(shí)進(jìn)行認(rèn)證，從而實(shí)現(xiàn)了解決版本攻擊，但是同時(shí)也增加了開銷問題。

3.3 基于層次結(jié)構(gòu)的RPL安全協(xié)議

文獻(xiàn)[64]中提出了一種基于分層多簇的安全路由協(xié)議(Multi-RPL)，采用了多路徑路由策略，保證了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸。該協(xié)議主要是通過將路由分層：最高層為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信；第二層為簇頭節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)簇內(nèi)組網(wǎng)、信息轉(zhuǎn)發(fā)；而最下層為普通節(jié)點(diǎn)。在每個(gè)普通節(jié)點(diǎn)建立路由被分配到某一簇時(shí)，同時(shí)建立一條到另一個(gè)簇的備份路徑，在節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，能夠提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的多跳路徑，通過增加冗余來(lái)提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目蛇_(dá)性，增加了額外開銷，在應(yīng)對(duì)黑洞攻擊、蟲洞攻擊方面有一定的效果。

文獻(xiàn)[65]中提出了一種基于分層DODAG的RPL(Hierarchical DODAG based RPL, H-RPL),其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址對(duì)應(yīng)于在分層網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的位置。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)按層次進(jìn)行初始化，候選的子節(jié)點(diǎn)使用臨時(shí)地址對(duì)選定的候選父節(jié)點(diǎn)作出響應(yīng)，而候選父節(jié)點(diǎn)確認(rèn)選擇并在傳輸過程中將子節(jié)點(diǎn)的分層地址傳送到臨時(shí)地址，子節(jié)點(diǎn)將自身地址改為來(lái)自父節(jié)點(diǎn)的分層地址。當(dāng)發(fā)生改變父節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，先向原父節(jié)點(diǎn)解除，后用臨時(shí)地址向新父節(jié)點(diǎn)發(fā)送申請(qǐng)。

文獻(xiàn)[32]中提出了一種基于分簇的IDS檢測(cè)方法，主要是應(yīng)對(duì)Rank攻擊、鄰居攻擊等。通過將合法的協(xié)議狀態(tài)、傳輸過程和統(tǒng)計(jì)安全信息轉(zhuǎn)換為一組入侵檢測(cè)的規(guī)則，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中以簇頭的方式來(lái)傳播，各個(gè)簇成員只能將自己和鄰居信息發(fā)送給簇頭，而不是通過廣播的方式讓所有的簇頭都知道。然后,某個(gè)成員的信息將由簇頭進(jìn)行交叉檢查，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)在每個(gè)監(jiān)控的節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行惡意檢測(cè)，對(duì)路由操作進(jìn)行檢測(cè)，建立一套入侵檢測(cè)系統(tǒng)，只消耗了合理的開銷；但是存在檢測(cè)節(jié)點(diǎn)容易發(fā)生虛假警報(bào)的誤報(bào)行為，簇頭頭可能受到惡意攻擊危害。通過仿真發(fā)現(xiàn)該方法雖然增加了負(fù)載，但是具有一定的有效性。

3.4 基于特定攻擊的RPL安全協(xié)議

文獻(xiàn)[14]中提出一種新的安全路由協(xié)議(Secure-RPL, SRPL),主要目的是防止非正常的斷點(diǎn)和惡意節(jié)點(diǎn)通過更改控制消息來(lái)創(chuàng)建一個(gè)虛假拓?fù)鋪?lái)擾亂網(wǎng)絡(luò)。引入了Rank閾值和哈希散列鏈認(rèn)證技術(shù)來(lái)解決內(nèi)部的攻擊問題，該方案并不能阻止節(jié)點(diǎn)通過DODAG移動(dòng)，但是抑制惡意節(jié)點(diǎn)利用該機(jī)制來(lái)進(jìn)行Rank攻擊。當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，SRPL需要在通過DODAG時(shí)進(jìn)行基于散列值的身份驗(yàn)證，對(duì)部分超過閾值的進(jìn)行干預(yù)，從而丟棄過多的Rank變更請(qǐng)求。該方案能在一定程度上能夠應(yīng)對(duì)天坑、黑洞等攻擊，但是如果丟失的流量過大，或者節(jié)點(diǎn)數(shù)過少時(shí)，則干預(yù)可能會(huì)出現(xiàn)過多或者較小的情況，因此SRPL在較密集的情況下更為適用。

文獻(xiàn)[43]中提出了一種安全監(jiān)控策略來(lái)應(yīng)對(duì)RPL中的版本攻擊，主要通過分布式的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)收集檢測(cè)信息，然后匯總到根節(jié)點(diǎn)執(zhí)行檢測(cè)。該策略主要是用來(lái)應(yīng)對(duì)RPL中廣播版本號(hào)帶來(lái)的版本攻擊，這種攻擊可能會(huì)導(dǎo)致拓?fù)渲貥?gòu)，對(duì)節(jié)點(diǎn)的能源、數(shù)據(jù)包丟失、以及通信開銷帶來(lái)影響，而且很難在本地檢測(cè)出來(lái)。該分布式的監(jiān)控方法中包含正常執(zhí)行路由的被監(jiān)控節(jié)點(diǎn)和更高級(jí)一些的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，由監(jiān)控節(jié)點(diǎn)來(lái)執(zhí)行檢測(cè)功能，而且不會(huì)影響它們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)中的路由信息能力，但是可以攔截和分析被監(jiān)控節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)包，并記錄相關(guān)信息。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)只能檢測(cè)其鄰域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，這些監(jiān)控節(jié)點(diǎn)定期把監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)發(fā)送給接收器或者服務(wù)器，由這些監(jiān)控節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)稱為監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。但是該方法會(huì)增加系統(tǒng)的額外開銷，增加延遲。

TRAIL[29]主要是一種拓?fù)渎窂秸J(rèn)證解決方案，完全依賴于兩種RPL基礎(chǔ)，首先是利用根節(jié)點(diǎn)是充當(dāng)可信錨，然后每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是層次化結(jié)構(gòu)的一部分并且連接到根節(jié)點(diǎn)。TRAIL中主要是利用往返消息來(lái)驗(yàn)證到DODAG的上行鏈路，節(jié)點(diǎn)可以利用遞歸來(lái)計(jì)算Rank值，并幾乎沒有使用加密，主要加密工作是由根節(jié)點(diǎn)來(lái)完成，而不需要像在VeRA中是利用節(jié)點(diǎn)哈希列來(lái)認(rèn)證。雖然增加了根節(jié)點(diǎn)的工作強(qiáng)度，但是降低了其他節(jié)點(diǎn)的消耗。通過仿真測(cè)試能夠?qū)Π姹竟粲斜容^好的效果。

文獻(xiàn)[66]基于攻擊圖的漏洞檢測(cè)思路，可以檢測(cè)到Rank的弱點(diǎn)，通過模擬不同的攻擊如Rank攻擊、選擇轉(zhuǎn)發(fā)攻擊等來(lái)對(duì)研究攻擊網(wǎng)絡(luò)性能、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜途W(wǎng)絡(luò)資源，在研究中發(fā)現(xiàn)在攻擊進(jìn)行中會(huì)消耗很多不必要的資源。

3.5 各類安全協(xié)議比較

通過前面內(nèi)容對(duì)現(xiàn)有主流的安全RPL協(xié)議進(jìn)行了分類介紹和簡(jiǎn)單分析，在此基礎(chǔ)上，對(duì)以上的各類協(xié)議進(jìn)行比較分析，從而更加具體地了解不同的差異，如表3所示，按照協(xié)議類別、典型協(xié)議、可抵御攻擊，以及主要缺陷等進(jìn)行了綜合比較。

4 RPL安全路由研究發(fā)展方向

隨著IPv6網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷推進(jìn)，相關(guān)研究迅猛增長(zhǎng)；同時(shí)，路由安全需求也在逐漸增長(zhǎng)，研究與設(shè)計(jì)安全路由協(xié)議越來(lái)越重要，除了協(xié)議基本標(biāo)準(zhǔn)和要求之外，還需要考慮機(jī)密性、完整性、可用性等安全策略。因此，根據(jù)所研究?jī)?nèi)容，提出以下一些問題與發(fā)展趨勢(shì)。

1)RPL原有的路由存在各種安全威脅，因此需要不斷的改進(jìn)與研究才能增強(qiáng)路由安全。比如文獻(xiàn)[67]中提出的改進(jìn)Trickle算法，能夠提高公平性和服務(wù)質(zhì)量。文獻(xiàn)[68]中提出了一種基于輕量級(jí)信任的RPL安全算法，稱為TmRPL++，并且實(shí)現(xiàn)了TmRPL++路由協(xié)議，并將其集成到6LoWPAN/RPL協(xié)議棧中，通過大量的仿真驗(yàn)證了它的功能。RPL安全路由協(xié)議改進(jìn)需要保證在安全前提下輕量化設(shè)計(jì)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)低開銷的安全措施，更安全的鄰居發(fā)現(xiàn)算法、更輕量化端到端、點(diǎn)到點(diǎn)的加密與認(rèn)證等。只有提高從節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)浇K點(diǎn)完整過程的可信與抗欺騙能力，才能更好地應(yīng)對(duì)安全威脅。

2)RPL的安全研究也需要同低能耗、高可用性、以及低復(fù)雜性結(jié)合，同時(shí)將能量約束[69]以及提高服務(wù)質(zhì)量等情況綜合考慮，形成更加完備的路由安全體系，健全安全路由機(jī)制。也可以考慮結(jié)合一些新技術(shù)和新方法來(lái)增強(qiáng)RPL安全，例如，結(jié)合模糊邏輯原理[70]的改進(jìn)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)降低延遲和低丟包率來(lái)提高服務(wù)質(zhì)量。通過同新技術(shù)的融合與突破，不斷促進(jìn)原有路由協(xié)議發(fā)展進(jìn)化。

3)目前RPL安全研究都是基于某一種同構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)形態(tài)，并沒有考慮異構(gòu)的情況。同一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)需要跟不同的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行安全通信，而在自身能力受限的情況下，難以滿足通信質(zhì)量、細(xì)粒度控制需求，需要有保障多種類型的異構(gòu)網(wǎng)轉(zhuǎn)換安全的新路由機(jī)制，文獻(xiàn)[71]中提出了一種C-RPL(Cooperative-RPL)能在不同節(jié)點(diǎn)之間有一定的合作策略。

4)對(duì)于安全路由協(xié)議大部分都是基于仿真模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證該協(xié)議的可用性與有效性，具有一定的特異性，例如針對(duì)DAG攻擊[38]、蟲洞[50]等，在實(shí)用性和兼容性方面稍顯不足。因此，需要考慮各種安全路由機(jī)制在應(yīng)用性、通用性、兼容性等有機(jī)結(jié)合，形成相對(duì)完整、適用范圍較為廣泛的安全路由協(xié)議。

5)針對(duì)RPL的自組織操作安全性、通信通道和節(jié)點(diǎn)資源的可用性和有限的物理安全性等問題都需要不斷創(chuàng)新的研究來(lái)滿足日益增長(zhǎng)的安全需要。

表3 RPL安全協(xié)議比較Tab. 3 Comparison of RPL security protocols

5 結(jié)語(yǔ)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的智能節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)，各種路由安全問題層出不窮，通過控制僵尸網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)大范圍分布式拒接服務(wù)攻擊的例子也越來(lái)越多，路由安全威脅已成為亟待解決的重要問題之一。LLN中RPL更重要在于安全機(jī)制的完備性和整體性。因此，本文總結(jié)了RPL協(xié)議可能受到的攻擊和應(yīng)對(duì)方法，分析和比較了現(xiàn)有RPL安全協(xié)議，提出了一些問題和發(fā)展趨勢(shì)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，RPL安全性也會(huì)不斷增強(qiáng)，該領(lǐng)域的研究也將不斷地深入下去。