王 波
（廣東原創(chuàng)科技有限公司，廣東 惠州 516003）
0 引 言
隨著無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network，WSN）在多個領(lǐng)域的廣泛應用，如環(huán)境監(jiān)測、健康護理以及工業(yè)自動化，其安全性問題日益凸顯。WSN的開放性和分布式特點使其容易受到各種網(wǎng)絡攻擊，從而威脅到數(shù)據(jù)的保密性、完整性和網(wǎng)絡的可用性。因此，研究和設計有效的安全機制，以保護WSN 免受各種潛在威脅，已成為當前研究的重要課題。
1 無線傳感器網(wǎng)絡概述
1.1 無線傳感器網(wǎng)絡的基本架構(gòu)與組件
WSN 的架構(gòu)設計遵循IEEE 802.15.4 標準，定義了低速無線個人區(qū)域網(wǎng)絡（Low-Rate Wireless Personal Area Networks，LR-WPANs）的協(xié)議。在此架構(gòu)中，每個傳感器節(jié)點通常包括4 個核心組件，即感測單元、處理單元、通信單元以及電源單元。感測單元的主要任務是監(jiān)測如溫度（精度為±0.1 ℃）、濕度（精度為±3% RH）或光照等環(huán)境參數(shù)；處理單元負責數(shù)據(jù)的初步分析和處理，通常達到32 位計算能力，頻率為1 GHz[1]。通信單元遵循ZigBee 協(xié)議，這是一種基于IEEE 802.15.4 標準的高層次通信協(xié)議，有效通信距離可達100 m。電源單元則提供能量支持，一般采用鋰電池，容量可達2 000 mAh，支持節(jié)點連續(xù)工作數(shù)月或數(shù)年。這些節(jié)點不僅能收集數(shù)據(jù)，還能通過無線方式形成自組織、多跳網(wǎng)絡，最終將數(shù)據(jù)傳輸至中央控制節(jié)點。
1.2 無線傳感器網(wǎng)絡的工作原理與數(shù)據(jù)傳輸過程
在WSN 中，數(shù)據(jù)傳輸過程遵循特定的路由協(xié)議，如低功耗有損網(wǎng)絡的IPv6 路由協(xié)議（IPv6 Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks，RPL），這是一種專為低功耗和丟包網(wǎng)絡設計的路由協(xié)議。在數(shù)據(jù)收集階段，傳感器節(jié)點按照預設頻率（如每分鐘一次）收集環(huán)境數(shù)據(jù)，然后通過內(nèi)置的處理單元對數(shù)據(jù)進行初步處理，如數(shù)據(jù)壓縮，壓縮比可達4:1。不同路由協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸性能對比如表1 所示。
表1 不同路由協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸性能對比
在數(shù)據(jù)傳輸過程中，采用多跳傳輸機制，即通過中間節(jié)點逐步傳輸至中央控制節(jié)點。為確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝院涂煽啃�，WSN 采用鏈路質(zhì)量指示（Link Quality Indicator，LQI）和接收信號的強度指示（Received Signal Strength Indicator，RSSI）2 個參數(shù)來評估鏈路質(zhì)量。LQI 值的范圍為0 ～255，RSSI值的范圍為-100 ～0 dBm，這2 個參數(shù)共同決定數(shù)據(jù)傳輸路徑的選擇[2]。此外，為了優(yōu)化能源消耗，WSN 節(jié)點采用低功耗操作模式，如睡眠/喚醒機制，使節(jié)點在非活動期間進入低功耗狀態(tài)。在這種模式下，節(jié)點的功耗可以降低到μW 級。
2 無線傳感器網(wǎng)絡的安全需求分析
2.1 數(shù)據(jù)保密性與隱私保護
在WSN 中，數(shù)據(jù)保密性是最基礎(chǔ)的安全需求之一。由于傳感器網(wǎng)絡廣泛應用于軍事、健康監(jiān)護以及工業(yè)控制等敏感領(lǐng)域，保證傳輸數(shù)據(jù)的保密性至關(guān)重要。例如，在工業(yè)控制系統(tǒng)中，節(jié)點采集的數(shù)據(jù)往往涉及關(guān)鍵的生產(chǎn)流程信息，這些數(shù)據(jù)若被未授權(quán)訪問或竊取，則可能導致嚴重的經(jīng)濟損失或安全事故。因此，WSN 需要采用強大的加密技術(shù)來保護數(shù)據(jù)。在實際應用中，高級加密標準（Advanced Encryption Standard，AES）算法常被用于加密數(shù)據(jù)，其密鑰長度通常為128 bits，能有效防止大多數(shù)的暴力破解嘗試。此外，隱私保護也是一個重要方面。在醫(yī)療健康監(jiān)測系統(tǒng)中，傳感器收集的健康數(shù)據(jù)可能包含個人敏感信息，這些信息若泄露將直接威脅個人隱私安全。
2.2 數(shù)據(jù)完整性與驗證
數(shù)據(jù)完整性是確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中不被篡改。在WSN 中，由于無線通信信道容易受到干擾和攻擊，數(shù)據(jù)在傳輸過程中面臨著被修改或損壞的風險。例如，在智能交通系統(tǒng)中，交通流量數(shù)據(jù)的準確性對于交通指揮和控制至關(guān)重要。若這些數(shù)據(jù)被篡改，可能導致交通管理決策失誤，引發(fā)交通擁堵甚至事故[3]。因此，WSN 需要采用數(shù)據(jù)校驗機制，如采用數(shù)字簽名或消息認證碼（Message Authentication Code，MAC），以確保數(shù)據(jù)的完整性。這些機制可以通過對每個數(shù)據(jù)包附加一個校驗值來實現(xiàn)，校驗值的生成基于共享密鑰，確保只有授權(quán)節(jié)點能驗證數(shù)據(jù)的完整性。
2.3 網(wǎng)絡可用性與抗攻擊性
網(wǎng)絡可用性保證網(wǎng)絡能夠抵御各種攻擊，持續(xù)穩(wěn)定運行。WSN 由于其開放的無線通信特性，容易受到不同類型的攻擊，如拒絕服務攻擊（Denial of Service，DoS）和分布式拒絕服務攻擊（Distribution Denial of Service，DDoS）。這些攻擊可能導致網(wǎng)絡通信中斷，影響網(wǎng)絡的正常功能。例如，在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，如果網(wǎng)絡遭受DoS 攻擊，則可能導致關(guān)鍵環(huán)境數(shù)據(jù)無法及時傳輸，從而影響對環(huán)境狀況的判斷和應對。為了保證網(wǎng)絡的可用性，需要設計有效的網(wǎng)絡管理和監(jiān)控機制，確保能夠及時檢測網(wǎng)絡攻擊并采取相應的防御措施。
3.1 密鑰管理和分發(fā)
在WSN 中，密鑰管理和分發(fā)是保障網(wǎng)絡安全的基礎(chǔ)。這一過程嚴格遵循國際加密標準，如NIST SP 800-57，推薦使用的密鑰長度至少為128 bits，以滿足AES 加密標準。為了適應WSN 的資源限制環(huán)境，密鑰生成采用基于ANSI X9.31 標準的偽隨機數(shù)生成器（Pseudo Random Number Generator，PRNG）， 此標準確保生成的密鑰具有高隨機性和不可預測性。在密鑰分發(fā)過程中，利用基于橢圓曲線加密（Elliptic Curves Cryptography，ECC）的Diffie-Hellman 密鑰交換算法，此算法提供比傳統(tǒng)RSA 算法更高的安全性，同時在計算和存儲上更加高效[4]。ECC 的關(guān)鍵參數(shù)曲線類型選擇secp256r1，這是因為該曲線在保證安全性的同時降低了計算復雜度。無線傳感器網(wǎng)絡密鑰管理和分發(fā)的關(guān)鍵參數(shù)如表2 所示。
表2 無線傳感器網(wǎng)絡密鑰管理和分發(fā)的關(guān)鍵參數(shù)
為了應對密鑰泄露或過時的風險，在網(wǎng)絡中實施動態(tài)的密鑰更新機制。這一機制確保每個節(jié)點的密鑰每隔一定時間自動更新，通常設置為30 d。更新過程采用安全多播機制，結(jié)合時間同步技術(shù)，確保所有節(jié)點能夠在預定時間窗口內(nèi)同時完成密鑰更新。更新過程中的數(shù)據(jù)傳輸采用臨時密鑰進行加密，臨時密鑰由中央控制節(jié)點隨機生成，并通過安全的單向通信通道發(fā)送給各節(jié)點。
3.2 數(shù)據(jù)加密
數(shù)據(jù)加密是WSN 中保護傳輸和存儲數(shù)據(jù)安全的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)當前的安全標準，選擇AES-128 作為主要加密算法，其在保證高安全性的同時，對資源受限的傳感器節(jié)點的計算和存儲需求較低。加密操作在數(shù)據(jù)產(chǎn)生的瞬間執(zhí)行，以確保數(shù)據(jù)從源頭到目的地的整個傳輸鏈路中始終處于加密狀態(tài)。為優(yōu)化性能，加密過程的處理延遲控制在10 ms 以內(nèi)，保證網(wǎng)絡的實時性。在存儲方面，所有節(jié)點中的數(shù)據(jù)在存儲前都必須加密，以防止數(shù)據(jù)在物理攻擊下的泄露。為了提高存儲數(shù)據(jù)的安全性，存儲加密使用與通信加密不同的密鑰。此外，為應對長期的安全挑戰(zhàn)，網(wǎng)絡中實施了加密算法的動態(tài)升級機制，每當出現(xiàn)新的或更安全的加密算法時，系統(tǒng)能夠在不中斷服務的情況下切換到新算法。目前正考慮未來升級到AES-256 算法，以適應更高安全需求的場景。
3.3 身份認證和授權(quán)
身份認證過程依賴于公鑰基礎(chǔ)設施（Public Key Infrastructure，PKI），每個節(jié)點都配備由中心授權(quán)機構(gòu)簽發(fā)的數(shù)字證書。這些證書遵循X.509 標準，其中公鑰的推薦長度為2 048 bits，以確保足夠的安全性。身份認證過程采用RSA 簽名算法，其中簽名驗證的平均處理時間保持在50 ms 以內(nèi)，以滿足網(wǎng)絡的實時性需求。授權(quán)機制基于角色的訪問控制（Role-Based Access Control，RBAC）模型。在該模型中，每個節(jié)點被分配一個特定的角色，每個角色定義了一組訪問權(quán)限[5]。例如，數(shù)據(jù)收集節(jié)點可能被授予發(fā)送傳感數(shù)據(jù)的權(quán)限，而沒有訪問網(wǎng)絡配置信息的權(quán)限。授權(quán)過程中，中心節(jié)點根據(jù)角色數(shù)據(jù)庫來驗證請求訪問的節(jié)點是否具有相應的權(quán)限，數(shù)據(jù)庫的更新周期設為24 h，以適應網(wǎng)絡角色變化。為了保護認證和授權(quán)過程不受到中間人攻擊，所有的認證和授權(quán)通信都通過加密通道進行。
3.4 入侵檢測系統(tǒng)
入侵檢測系統(tǒng)（Intrusion Detection Systems，IDS）在WSN 中的設計注重實時監(jiān)控和快速響應。IDS 綜合使用基于模式的檢測和基于異常的檢測策略�；谀Ｊ降臋z測依賴于已知攻擊的簽名數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫每周更新一次，以包含最新的威脅信息。異常檢測則基于網(wǎng)絡行為分析。例如，正常情況下，節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸頻率為每分鐘一次，若發(fā)現(xiàn)頻率異常增高，則可能表明網(wǎng)絡受到攻擊。IDS 的處理延遲對于網(wǎng)絡安全至關(guān)重要，其設計要求能在30 ms 內(nèi)識別并響應潛在的安全威脅。此外，系統(tǒng)采用自適應算法，能根據(jù)網(wǎng)絡狀態(tài)動態(tài)調(diào)整檢測參數(shù)，如在網(wǎng)絡流量高峰時自動調(diào)整檢測閾值。在檢測到攻擊時，IDS 能自動觸發(fā)防御機制，如隔離惡意節(jié)點，其隔離操作應在100 ms內(nèi)完成。IDS還整合了數(shù)據(jù)挖掘和機器學習技術(shù)，以提高對新型攻擊和復雜攻擊的檢測能力。通過分析歷史安全事件和流量模式，系統(tǒng)能自主學習并適應網(wǎng)絡行為的變化。
3.5 安全路由協(xié)議
在WSN 中，安全路由協(xié)議的設計至關(guān)重要，它需要確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全性和路由的正確性。根據(jù)最新的網(wǎng)絡安全標準，如IETF RFC 4944，安全路由協(xié)議應支持端到端的加密和認證機制。這要求協(xié)議不僅能驗證數(shù)據(jù)包的來源，還要保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中未被篡改。安全路由協(xié)議設計采用基于證書的方法來驗證節(jié)點間的通信[6]。每個節(jié)點持有由中心授權(quán)機構(gòu)簽發(fā)的數(shù)字證書，證書遵循X.509 標準，有效期限設置為一年，以確保證書的更新與網(wǎng)絡安全態(tài)勢相匹配。路由信息的交換采用RSA 簽名，其中公鑰長度至少為2 048 bits，以適應當前的加密標準。在路由決策過程中，每個數(shù)據(jù)包都經(jīng)過基于Hash 的消息認證碼（Hash-Based Message Authentication Code，HMAC）驗證，使用SHA-256 算法，確保信息在多跳傳輸過程中的完整性和真實性。為了提高網(wǎng)絡的抗攻擊能力，安全路由協(xié)議設計包括了對常見網(wǎng)絡攻擊類型的防御機制，如蠕蟲攻擊和偽裝路由信息攻擊。在檢測到此類攻擊時，路由協(xié)議能夠迅速隔離受影響的節(jié)點，并重新計算安全的路由路徑。
4 結(jié) 論
文章系統(tǒng)地研究了WSN 的安全機制設計，提供了一種全面且深入的安全框架。從密鑰管理到數(shù)據(jù)加密，再到身份認證、入侵檢測以及安全路由協(xié)議，每個方面都緊密結(jié)合WSN的特點，確保了數(shù)據(jù)的保密性、完整性以及網(wǎng)絡的可用性。特別是對動態(tài)密鑰管理和自適應入侵檢測系統(tǒng)的討論，展示了安全策略在面對不斷演變的安全威脅時的靈活性和有效性。該研究為WSN安全領(lǐng)域提供了寶貴的參考，對于設計更加安全、高效的WSN 系統(tǒng)具有重要意義。
