2024傳感器網(wǎng)絡(luò)安全網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)及其安全威脅分析

傳感器網(wǎng)絡(luò)安全網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)及其安全威脅分析一、什么是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)2無(wú)線網(wǎng)絡(luò)有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)移動(dòng)Adhoc網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)3有基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)需要固定基站,如使用的手機(jī)，屬于無(wú)線蜂窩網(wǎng)，需要高大的天線和大功率基站來(lái)支持，基站就是最重要的基礎(chǔ)設(shè)施（有中心）；使用無(wú)線網(wǎng)卡上網(wǎng)的無(wú)線局域網(wǎng)，由于采用了接入點(diǎn)這種固定設(shè)備，也屬于有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)。4無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)-無(wú)線Adhoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是分布式的，沒(méi)有專門(mén)的固定基站。無(wú)線Adhoc網(wǎng)絡(luò)分為兩類(lèi):一類(lèi)是移動(dòng)Adhoc網(wǎng)絡(luò)(MobileAdhocNetwork,簡(jiǎn)稱MANET)，終端是快速移動(dòng)的。

（AdHoc源自于拉丁語(yǔ)，意思是“forthis”引申為“forthispurposeonly”，即“為某種目的設(shè)置的，特別的”意思。）另一類(lèi)就是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),節(jié)點(diǎn)是靜止的或者移動(dòng)很慢。5

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是大量的靜止或移動(dòng)的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，目的是協(xié)作地采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地域內(nèi)感知對(duì)象的監(jiān)測(cè)信息，并報(bào)告給用戶。“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”術(shù)語(yǔ)的標(biāo)準(zhǔn)定義6傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)物示例7WSN典型應(yīng)用場(chǎng)景示意圖8槍聲定位反恐系統(tǒng)9

美軍“沙地直線”項(xiàng)目無(wú)線鏈路目標(biāo)探測(cè)、分類(lèi)和跟蹤傳感器節(jié)點(diǎn)傳感器節(jié)點(diǎn)10傳感器網(wǎng)絡(luò)的常用邏輯結(jié)構(gòu)圖傳感器1傳感器2傳感器N無(wú)線鏈路無(wú)線接口模塊…監(jiān)控主機(jī)11分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；傳感器節(jié)點(diǎn)主要由傳感器、數(shù)據(jù)處理、通信和電源4部件構(gòu)成；傳感器一般都是資源十分受限的系統(tǒng)，典型的傳感器節(jié)點(diǎn)通常只有幾兆赫茲或十幾兆赫茲的處理能力及是幾千字的存儲(chǔ)空間，通信速度、帶寬也十分有限。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成12傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)13

根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的多少，傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)可以分為平面結(jié)構(gòu)和分級(jí)結(jié)構(gòu)。如果網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模較小，一般采用平面結(jié)構(gòu)。如果網(wǎng)絡(luò)規(guī)模很大，則必須采用分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)14(1)平面結(jié)構(gòu)

平面結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)比較簡(jiǎn)單，所有節(jié)點(diǎn)的地位平等，又稱為對(duì)等式結(jié)構(gòu)。源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間一般存在多條路經(jīng)，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷由這些路徑共同承擔(dān)，一般情況下不存在瓶頸，網(wǎng)絡(luò)比較健壯。15平面結(jié)構(gòu)的不足

平面型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在節(jié)點(diǎn)的組織、路由建立、控制與維持的報(bào)文開(kāi)銷(xiāo)上都存在問(wèn)題；這些開(kāi)銷(xiāo)會(huì)占用很大的帶寬，影響網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸速率；整個(gè)系統(tǒng)在宏觀上將損耗很大的能量；可擴(kuò)充性差。16(2)分層結(jié)構(gòu)17分層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

傳感器網(wǎng)絡(luò)被劃分為多個(gè)簇；每個(gè)簇由一個(gè)簇頭和多個(gè)簇成員組成。這些簇頭形成了高一級(jí)的網(wǎng)絡(luò)。簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)簇間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，簇成員只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集。大大減少了網(wǎng)絡(luò)中路由控制信息的數(shù)量；具有很好的可擴(kuò)充性。18分層結(jié)構(gòu)的不足

簇頭的能量消耗問(wèn)題較大，簇頭發(fā)送和接收?qǐng)?bào)文的頻率要高出普通節(jié)點(diǎn)幾倍或十幾倍；在簇內(nèi)運(yùn)行簇頭選擇程序來(lái)更換簇頭。19二、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特性與問(wèn)題分析20作為感知設(shè)備的各種傳感器，為了部署于各種環(huán)境中同時(shí)能對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，傳感器的數(shù)量、位置對(duì)于不同的環(huán)境、應(yīng)用系統(tǒng)而言都是不固定的，單個(gè)傳感器的能量有限，監(jiān)測(cè)和通信的范圍都有限，這就要求應(yīng)用系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)環(huán)境中具有多個(gè)傳感器相互協(xié)作，以完成對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，以及把數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)在千里之外的應(yīng)用系統(tǒng)中。1、組網(wǎng)特點(diǎn)21自組織網(wǎng)絡(luò)和動(dòng)態(tài)路由為了滿足應(yīng)用系統(tǒng)多個(gè)傳感器相互協(xié)作的需要，傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)及動(dòng)態(tài)路由。1.自組織網(wǎng)絡(luò)，就是應(yīng)用系統(tǒng)的傳感器能夠發(fā)現(xiàn)鄰近的其他傳感器，并進(jìn)行通信。2.動(dòng)態(tài)路由，就是傳感器與后臺(tái)應(yīng)用系統(tǒng)的通信路徑是動(dòng)態(tài)的，不是固定的。不可靠的通信無(wú)線通信方式固有的不可靠性會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失及易受到干擾沖突和延遲在一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)中，可能有成百上千的傳感器進(jìn)行協(xié)同工作，而同時(shí)可以有幾十個(gè)或者上百個(gè)傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)包，那么將導(dǎo)致數(shù)據(jù)通信沖突和延遲22傳感器常部署在公共場(chǎng)合或惡劣的環(huán)境中，而為了適應(yīng)商業(yè)低成本的要求，傳感器設(shè)備的外殼等材質(zhì)并不能防止外界對(duì)設(shè)備的損壞。（1）無(wú)人值守環(huán)境：傳感器常部署于無(wú)人值守環(huán)境，難免會(huì)受到認(rèn)為破壞，也不可避免地受到惡劣天氣或者自然災(zāi)害（如臺(tái)風(fēng)、地震等）的影響。（2）遠(yuǎn)程監(jiān)控：坐在監(jiān)控室里的管理人員通過(guò)有線或無(wú)線方式對(duì)遠(yuǎn)在千里之外的成百上千個(gè)傳感器進(jìn)行監(jiān)控，難以發(fā)現(xiàn)傳感器的物理?yè)p壞，也不能夠及時(shí)給傳感器更換電池。2、物理特點(diǎn)233、傳感器節(jié)點(diǎn)的限制條件傳感器節(jié)點(diǎn)在實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，存在一些限制和約束。24（1）電源能量有限

耗能模塊包括傳感器模塊、處理器模塊和無(wú)線通信模塊。

隨著集成電路工藝的進(jìn)步，處理器和傳感器模塊的功耗變得很低，絕大部分能量主要消耗在無(wú)線通信模塊上。

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傳感器節(jié)點(diǎn)的絕大部分能量消耗在無(wú)線通信模塊。傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸信息時(shí)要比執(zhí)行計(jì)算時(shí)更消耗電能；傳輸l比特信息100m距離需要的能量大約相當(dāng)于執(zhí)行3000條計(jì)算指令所消耗的能量。26（2）通信能力受限

通常無(wú)線通信的能量消耗與通信距離的關(guān)系符合如下規(guī)律：

n滿足關(guān)系2<n<4。n的取值與很多因素有關(guān)，如傳感器節(jié)點(diǎn)部署貼近地面時(shí)，障礙物多、干擾大，n取值就大；天線質(zhì)量對(duì)信號(hào)發(fā)射質(zhì)量影響也很大。

通常取n為3，假定通信能耗與距離三次方成正比。27

隨著通信距離的增加，能耗會(huì)急劇增加；在滿足通信連通性的前提下應(yīng)盡量減少單跳的通信距離；一般而言，傳感器節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信半徑在100m以內(nèi)比較合適。28（3）計(jì)算和存儲(chǔ)能力受限

節(jié)點(diǎn)是微型嵌入式設(shè)備，價(jià)格低、功耗小，導(dǎo)致其攜帶的處理器能力比較弱，存儲(chǔ)器容量比較小。節(jié)點(diǎn)需要完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的管理和處理、應(yīng)答匯聚節(jié)點(diǎn)的任務(wù)請(qǐng)求和節(jié)點(diǎn)控制等多種工作。如何利用有限的計(jì)算和存儲(chǔ)資源完成諸多協(xié)同任務(wù)成為傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)所需要考慮的問(wèn)題。2930三、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全威脅分析31傳感器網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)網(wǎng)關(guān)、可以充當(dāng)通信基站的設(shè)備（如個(gè)人計(jì)算機(jī)）及后臺(tái)系統(tǒng)組成。通信鏈路存在于傳感器與傳感器之間、傳感器與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與后臺(tái)系統(tǒng)（或通信基站）之間。對(duì)于攻擊者來(lái)說(shuō)，這些設(shè)備和通信鏈路都有可能成為攻擊的對(duì)象。32傳感器網(wǎng)絡(luò)的攻擊模型傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全威脅主要有以下四種類(lèi)型：干擾干擾就是使正常的通信信息丟失或者不可用。傳感器大多數(shù)使用無(wú)線通信方式，只要在通信范圍之內(nèi)，便可以使用干擾設(shè)備對(duì)通信信號(hào)進(jìn)行干擾。也可以在傳感器節(jié)點(diǎn)中注入病毒（惡意代碼或指令）。截取截取就是攻擊人員使用專門(mén)設(shè)備獲取傳感器節(jié)點(diǎn)或者簇中的基站、網(wǎng)關(guān)、后臺(tái)系統(tǒng)等重要信息。篡改篡改就是非授權(quán)人沒(méi)有獲得操作傳感器節(jié)點(diǎn)的能力，但是可以對(duì)傳感器系統(tǒng)的正常數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，或者，使用非法設(shè)備發(fā)送大量假的數(shù)據(jù)包到通信系統(tǒng)中，把正常數(shù)據(jù)淹沒(méi)在這種假數(shù)據(jù)“洪水”中，使本來(lái)數(shù)據(jù)處理能力就不高的感知設(shè)備節(jié)點(diǎn)無(wú)法為正常數(shù)據(jù)提供服務(wù)。假冒假冒就是使用非法設(shè)備假冒正常設(shè)備，進(jìn)入到傳感器網(wǎng)絡(luò)中，參與正常通信，獲取信息。使用假冒的數(shù)據(jù)包參與網(wǎng)絡(luò)通信，使正常通信延遲，或者誘導(dǎo)正常數(shù)據(jù)，獲取敏感信息。33竊聽(tīng)竊聽(tīng)是一種被動(dòng)的信息收集方式。攻擊者隱藏在感知網(wǎng)絡(luò)通信范圍內(nèi)，使用專門(mén)設(shè)備收集來(lái)自感知設(shè)備的信息，無(wú)論這些信息是否加密。偽造攻擊者使用竊聽(tīng)到的信息，仿制具有相同信號(hào)的傳感器節(jié)點(diǎn)，使用偽造的傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)備在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中使用。重放重放也成為回放攻擊，攻擊者用特殊裝置截取合法數(shù)據(jù)，然后使用非法設(shè)備該數(shù)據(jù)加入重發(fā)，使非法設(shè)備合法化，或者誘導(dǎo)其他設(shè)備進(jìn)行特定數(shù)據(jù)傳輸，獲取敏感數(shù)據(jù)。拒絕服務(wù)攻擊只有在感知網(wǎng)絡(luò)中注入大量的偽造數(shù)據(jù)包，占用數(shù)據(jù)帶寬，淹沒(méi)真實(shí)數(shù)據(jù)，浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)中感知設(shè)備有限的數(shù)據(jù)能力，從而使真正的數(shù)據(jù)得不到服務(wù)。通信數(shù)據(jù)流分析攻擊攻擊者使用特殊設(shè)備分析系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的通信數(shù)據(jù)流，對(duì)信息收集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行攻擊，使節(jié)點(diǎn)癱瘓，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)局部或者整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓。物理攻擊傳感器設(shè)備大多數(shù)部署在無(wú)人值守員，容易受到拆卸、損壞等物理方面的攻擊。其他發(fā)射攻擊，預(yù)言攻擊，交叉攻擊，代數(shù)攻擊等。傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全威脅的主要幾種攻擊手段如下：34常見(jiàn)攻擊（1）DoS（DenialofService）攻擊（2）Sybil攻擊（3）Sinkhole攻擊（4）Wormhole攻擊（5）Hello泛洪攻擊（6）選擇轉(zhuǎn)發(fā)攻擊35攻擊與威脅（1）DoS（DenialofService）攻擊

許多網(wǎng)絡(luò)都存在著拒絕服務(wù)攻擊，傳感器網(wǎng)絡(luò)也不例外。一些傳感器網(wǎng)絡(luò)的配置對(duì)于功能強(qiáng)大的攻擊者來(lái)說(shuō)是相當(dāng)脆弱的。DoS攻擊是指任何能夠削弱或消除傳感器網(wǎng)絡(luò)正常工作能力的行為或事件，硬件失效、軟件漏洞、資源耗盡、環(huán)境干擾及這些因素之間的相互作用都有可能導(dǎo)致DOS攻擊。36攻擊與威脅（2）Sybil攻擊SybilAttack可譯作女巫攻擊。Sybil攻擊即在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，單一節(jié)點(diǎn)具有多個(gè)身份標(biāo)識(shí)，通過(guò)控制系統(tǒng)的大部分節(jié)點(diǎn)來(lái)削弱冗余備份的作用。Sybil攻擊對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的破壞性：攻擊通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò)中的大部分節(jié)點(diǎn)來(lái)削弱分布式存儲(chǔ)算法中冗余備份的作用，攻擊破壞無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的路由算法，攻擊破壞數(shù)據(jù)融合機(jī)制，攻擊破壞投票機(jī)制，攻擊破壞公平資源分配機(jī)制，攻擊破壞非法行為檢測(cè)機(jī)制。37攻擊與威脅（3）Sinkhole攻擊在Sinkhole攻擊中，攻擊者的目標(biāo)是吸引所有的數(shù)據(jù)流通過(guò)攻擊者所控制的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸，從而形成一個(gè)以攻擊者為中心的黑洞。Sinkhole攻擊通常使用功能強(qiáng)大的處理器來(lái)代替受控節(jié)點(diǎn)，使其傳輸功率、通信能力和路由質(zhì)量大大提高，進(jìn)而使得通過(guò)它路由到基站的可靠性大大提高，以此吸引其他節(jié)點(diǎn)選擇通過(guò)它的路由。對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在的Sinkhole攻擊，目前一般通過(guò)對(duì)路由協(xié)議進(jìn)行精心的安全設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行有效的防止。38攻擊與威脅（4）Wormhole攻擊在Wormhole攻擊中，攻擊者將在一部分網(wǎng)絡(luò)上接收的消息通過(guò)低時(shí)延的信道進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各簇進(jìn)行重放。Wormhole攻擊最為常見(jiàn)的形式是兩個(gè)相距較遠(yuǎn)的惡意節(jié)點(diǎn)相互串通，合謀進(jìn)行攻擊。一般情況下，一個(gè)惡意節(jié)點(diǎn)位于基站附近，另一個(gè)惡意節(jié)點(diǎn)離基站較遠(yuǎn)，較遠(yuǎn)的那個(gè)節(jié)點(diǎn)聲稱自己和基站附近的節(jié)點(diǎn)可以建立低時(shí)延、高帶寬的鏈路，從而吸引周?chē)?jié)點(diǎn)將其數(shù)據(jù)包發(fā)到它這里。在這種情況下，遠(yuǎn)離基站的那個(gè)惡意節(jié)點(diǎn)其實(shí)也是一個(gè)Sinkhole。Wormhole攻擊可以和其他攻擊（如選擇轉(zhuǎn)發(fā)、Sybil攻擊等）結(jié)合使用。39攻擊與威脅（5）Hello泛洪攻擊

Hello泛洪攻擊是針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的鄰近節(jié)點(diǎn)攻擊，由于許多協(xié)議要求節(jié)點(diǎn)廣播Hello數(shù)據(jù)包來(lái)發(fā)現(xiàn)其鄰近節(jié)點(diǎn)，收到該包的節(jié)點(diǎn)將確信它在發(fā)送者的傳輸范圍內(nèi)。假如攻擊者使用大功率無(wú)線設(shè)備來(lái)廣播、路由，它能夠使網(wǎng)絡(luò)中的部分甚至全部節(jié)點(diǎn)確信它是鄰近節(jié)點(diǎn)。攻擊者就可以與鄰近節(jié)點(diǎn)建立安全連接，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都試圖使用這條路由與基站進(jìn)行通信，但一部分節(jié)點(diǎn)離它相當(dāng)遠(yuǎn)，加上傳輸能力有限，發(fā)送的消息根本不可能被攻擊者接收而造成數(shù)據(jù)包丟失，從而使網(wǎng)絡(luò)陷入一種混亂狀態(tài)。40攻擊與威脅（6）選擇轉(zhuǎn)發(fā)攻擊多跳傳感器網(wǎng)絡(luò)通常是基于參與節(jié)點(diǎn)可靠地轉(zhuǎn)發(fā)其收到信息這一假設(shè)的。在選擇轉(zhuǎn)發(fā)攻擊中，惡意節(jié)點(diǎn)可能拒絕轉(zhuǎn)發(fā)特定的消息并將其丟棄，以使得這些數(shù)據(jù)包不再進(jìn)行任何傳播。然而，這種攻擊者冒著鄰近節(jié)點(diǎn)可能發(fā)現(xiàn)這條路由失敗并尋找新路由的危險(xiǎn)。另一種表現(xiàn)形式是攻擊者修改節(jié)點(diǎn)傳送來(lái)的