文/楊鋼

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全概述

因?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的在生活中的各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景，所以在生活受到了人們的關(guān)注。在現(xiàn)在的軍事等一些對(duì)數(shù)據(jù)的保密性要求很高的領(lǐng)域中也使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在這些領(lǐng)域中，收集處理的數(shù)據(jù)需要保密，不能讓不相關(guān)的人員也收集到這些數(shù)據(jù)，比如說軍事戰(zhàn)爭(zhēng)中，如果信息數(shù)據(jù)被敵方知道，可能就導(dǎo)致一場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng)的失敗。因此對(duì)于這些領(lǐng)域WSN是否安全對(duì)于整個(gè)應(yīng)用都是很重要的。但是由于網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)大量的部署、節(jié)點(diǎn)之間通過無(wú)線的方式通信和傳感器節(jié)點(diǎn)的一些限制，使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)極易受到外人的攻擊，因此，對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性的研究和探索一直是現(xiàn)在科研領(lǐng)域中的一個(gè)熱點(diǎn)。

2 系統(tǒng)模型

2.1 攻擊模型

如圖1所示是本章考慮的攻擊場(chǎng)景，就是攻擊者向網(wǎng)絡(luò)發(fā)起虛假數(shù)據(jù)注入的攻擊。惡意節(jié)點(diǎn)就是攻擊者用來攻擊網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，惡意節(jié)點(diǎn)向匯聚節(jié)點(diǎn)上發(fā)送很多虛假的數(shù)據(jù)包。在虛假數(shù)據(jù)包傳輸?shù)穆窂缴嫌幸粋€(gè)合謀節(jié)點(diǎn)，此節(jié)點(diǎn)就是為了隱藏惡意節(jié)點(diǎn)，合謀惡意節(jié)點(diǎn)使對(duì)網(wǎng)絡(luò)的攻擊達(dá)到最大化，所以被稱為合謀節(jié)點(diǎn)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)模型

假設(shè)匯聚節(jié)點(diǎn)是一個(gè)資源無(wú)限大，能力無(wú)限強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中有的節(jié)點(diǎn)是可信的，被用來對(duì)其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和處理，這個(gè)節(jié)點(diǎn)就是因?yàn)樘摷贁?shù)據(jù)注入而受到傷害的。在本文中，我們假定節(jié)點(diǎn)在布置后就不再移動(dòng)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)周圍發(fā)生一些事件時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)這個(gè)事件生成一個(gè)表現(xiàn)事件的數(shù)據(jù)包，并通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)包傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)。

網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)有擁有一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的ID，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都用密鑰加密數(shù)據(jù)和產(chǎn)生一個(gè)自己的匿名ID，在匯聚節(jié)點(diǎn)中有一個(gè)用來查找匿名ID到節(jié)點(diǎn)ID的查找表。

3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于層次式標(biāo)記的惡意節(jié)點(diǎn)追蹤方法

3.1 層次式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如圖2所示為系統(tǒng)層次式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。先把整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的所有區(qū)域以一條平行的線和一條垂直的線等分成四分，同時(shí)對(duì)被均分的四份進(jìn)行編號(hào)，左上的為00，右上的為01，左下的為10，右下的為11。然后繼續(xù)把每個(gè)部分再以此方法等分成四份，繼續(xù)編號(hào)，并以此方法繼續(xù)運(yùn)行，直到每個(gè)區(qū)域中最后有一個(gè)節(jié)點(diǎn)后停止運(yùn)行，在運(yùn)行結(jié)束后每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都擁有一個(gè)與別的節(jié)點(diǎn)不同的區(qū)域編號(hào)。例在圖2中所示的節(jié)點(diǎn)L的區(qū)域編碼為001111。然后對(duì)節(jié)點(diǎn)所在的最小的區(qū)域成為第0層，第0層的上一層節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)區(qū)域稱之為第1層，以此類推，相當(dāng)于域位串樹結(jié)構(gòu)一樣，第0層相當(dāng)于葉子節(jié)點(diǎn)。如圖3所示。

3.2 標(biāo)記方法

數(shù)據(jù)包所在的層次：當(dāng)數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)，當(dāng)前數(shù)據(jù)包所在的節(jié)點(diǎn)所在的區(qū)域的層次。

Fi(N):指i節(jié)點(diǎn)用其獨(dú)有的密鑰對(duì)數(shù)據(jù)N進(jìn)行加密處理。

層次式標(biāo)記方法數(shù)據(jù)包格式如下：

N j Q|FQ(N) Q|FP(N)

其中N代表的是原始數(shù)據(jù)的內(nèi)容，數(shù)據(jù)包前所在的層次用j表示，Q代表的當(dāng)前所在層次中第一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)此數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)，P代表的是j-1層中第一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)此數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)。其中第三個(gè)域和第四個(gè)域中的初始值是0。

圖1：虛假數(shù)據(jù)注入攻擊示意圖

節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)周圍的數(shù)據(jù)加工成一個(gè)數(shù)據(jù)包，當(dāng)數(shù)據(jù)包發(fā)送之前，令j等于0，然后節(jié)點(diǎn)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，并把節(jié)點(diǎn)自己的域位串和加密過的數(shù)據(jù)一起填寫在第三個(gè)域中，同時(shí)不改變第四個(gè)域中的值。然后數(shù)據(jù)包繼續(xù)傳輸，當(dāng)節(jié)點(diǎn)i收到上一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸過來的數(shù)據(jù)包時(shí)，節(jié)點(diǎn)i先計(jì)算數(shù)據(jù)包當(dāng)前所在的層次，當(dāng)所在的層次與上一個(gè)節(jié)點(diǎn)所在的層次相同時(shí)，節(jié)點(diǎn)i不對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，直接轉(zhuǎn)發(fā)包；如果不處在同一個(gè)層次，節(jié)點(diǎn)將利用算法計(jì)算層次同時(shí)把層次填寫到j(luò)域中，然后把數(shù)據(jù)包中的Q|FQ(N)域中的數(shù)據(jù)覆蓋到P|FP(N)中，然后節(jié)點(diǎn)計(jì)算自己的i|Fi(N)，并把i|Fi(N)填寫在Q|FQ(N)域中。通過這種標(biāo)記方法可以把數(shù)據(jù)包傳輸?shù)拿恳粚又械谝粋€(gè)轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)和上一層第一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)標(biāo)記在包頭中。

圖2：層次式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3：層次式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的域位串樹

3.3 安全性分析

惡意節(jié)點(diǎn)發(fā)動(dòng)的攻擊可以分為以下五種情況：

（1）惡意節(jié)點(diǎn)按照正常的標(biāo)記方法來填寫各個(gè)域中的數(shù)據(jù)；

（2）惡意節(jié)點(diǎn)隨意的填寫各個(gè)域中的數(shù)據(jù)；

（3）惡意節(jié)點(diǎn)對(duì)j中的值填寫一個(gè)非0的值，其他域中的數(shù)據(jù)正常填寫；

（4）惡意節(jié)點(diǎn)對(duì)j中的值填寫一個(gè)非0的值，同時(shí)正常填寫Q|FQ(N)域中的數(shù)據(jù)并加工創(chuàng)造P|FP(N)域中的數(shù)據(jù)；

（5）惡意節(jié)點(diǎn)對(duì)j中的值填寫一個(gè)非0的值，在Q|FQ(N)域和P|FP(N)域中添加一些經(jīng)過加工的數(shù)據(jù)。

針對(duì)上面的五種情況，層次式追蹤方案有著以下的處理方案：

（1）當(dāng)惡意節(jié)點(diǎn)正常填寫域中的數(shù)據(jù)時(shí)，追蹤程序就按照溯源追蹤方案一樣一層層追蹤下去，當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)在層次1中同時(shí)追蹤的數(shù)據(jù)包中的j為0時(shí)，將惡意節(jié)點(diǎn)定位到轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的一步鄰居節(jié)點(diǎn)中；

（2）如果惡意節(jié)點(diǎn)隨意填寫域中的數(shù)據(jù)時(shí)，在層次1中的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)時(shí)，Q|FQ(N)域中將出錯(cuò)，因此將惡意節(jié)點(diǎn)定位到轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的一步鄰居節(jié)點(diǎn)中；

（3）如果惡意節(jié)點(diǎn)對(duì)j隨意設(shè)置，而其他兩個(gè)域中數(shù)據(jù)正常填寫時(shí)，當(dāng)層次1中的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)時(shí)，Q|FQ(N)域中不會(huì)出錯(cuò)，但是檢測(cè)到P|FP(N)域中的數(shù)據(jù)不為初始值，但是j不等于0，所以惡意節(jié)點(diǎn)就為節(jié)點(diǎn)Q；

（4）如果出現(xiàn)第四種情況，當(dāng)層次1中的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)時(shí)，Q|FQ(N)域中的數(shù)據(jù)是正確的，但是P|FP(N)域檢測(cè)出錯(cuò)，所以將惡意節(jié)點(diǎn)定位到轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的一步鄰居節(jié)點(diǎn)中；

（5）如果出現(xiàn)第五種情況，當(dāng)層次1中的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)時(shí)，Q|FQ(N)域中的數(shù)據(jù)檢測(cè)會(huì)出錯(cuò)，所以將惡意節(jié)點(diǎn)定位到轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的一步鄰居節(jié)點(diǎn)中。

4 結(jié)語(yǔ)

近些年來，國(guó)內(nèi)外提出了很多關(guān)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位算法，每一種算法都有其各自的特點(diǎn)。對(duì)于精度比較高的算法，通信開銷和收斂速度等方面可能就會(huì)有所下降，采用硬件測(cè)距可以提高定位精度，但同時(shí)會(huì)增加傳感器節(jié)點(diǎn)的成本，根據(jù)具體業(yè)務(wù)的需要定位算法的條件和要求會(huì)有所不同。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中距離無(wú)關(guān)的分布式定位算法可滿足大多數(shù)應(yīng)用的要求，是目前重點(diǎn)關(guān)注的定位機(jī)制。本文介紹了利用交疊換思想定位節(jié)點(diǎn)的分布式定位算法ROCRSSI，和N-hop multilateration算法以及Robust positioning算法。