无线传感器网络安全性及节点可靠性分析

董慧妍

(苏州建设交通高等职业技术学校,江苏苏州 215104)

无线传感器网络安全性及节点可靠性分析

董慧妍

(苏州建设交通高等职业技术学校,江苏苏州 215104)

分析了对无线传感器网络造成安全威胁的攻击类型,提出采用数字签名、提高路由安全以及改进LEACH的方法,以提高无线传感器网络节点可靠性。

无线传感器;网络安全性;节点可靠性;攻击类型;路由监测

1 导言

随着微处理器和无线通信领域技术的日益革新,低功耗多功能传感器发展迅速。这种传感器将信息的收集、数据的处理以及无线通信等技术集成起来,由安放在检测范围内的微型传感器节点构成,根据无线通信的传输方法构成多跳自组织的一种网络系统[1]45-47。

在节点计算速度等有限的前提下,利用安全机制的设计为无线传感器网络提供比较安全的工作环境,是一个关系到传感器网络能否应用到实际中的非常重要的问题。

无线传感器网络目标是通过监测以获得有效的信息,并且将采集的信息传送至监测者。能源的限制和糟糕的环境将导致无线传感器网络的一些节点会出现失效的状况。另外,传感器网络也会受到人为的破坏。这都会影响到整个传感器网络的安全可靠性[2]1248-1251。

无线传感器网络的可靠性是衡量无线传感器网络性能的重要标杆,因此对于无线传感器网络的可靠性研究显得尤为必要,特别是研究通信节点和链路异常工作而引起的网络的性能变化更为重要。

本文介绍了无线传感器网络的安全需求和节点可靠性,对无线传感器网络可能受到的各种攻击类型进行了分析,并给出了传感器网络安全方案。

2 无线传感器网络安全浅析

2.1 无线传感器网络受到安全威胁的攻击类型

目前,无线传感器网络受到的攻击类型主要有以下几类：拒绝服务(DoS)攻击、Sybil攻击、虫洞攻击(Wormhole)、HELLO洪泛攻击和针对传输信息的攻击,下面介绍其中两种：

(1)Sybil攻击：攻击节点有着多重身份,使之更容易被其他节点作为下一跳的目标,为传输信息的攻击提供了条件。该攻击方式使得分布式存储路由和多路径路由等具有容错功能的路由方案降低了容错效果,并威胁到了地理路由协议[3]1203-1209。

(2)对传输信息的攻击：因为无线通信比较容易受到窃听,攻击者能够利用监控网络通信过程来修改和丢弃正在传输的数据分组。尤其是当传感器节点的通信范围比较小,且资源很有限的时候,这就使得能量高和通信范围大的攻击者可以对多个节点进行同时攻击,破坏正在传输的信息[4]108-110。

2.2 对策

2.2.1 数字签名。数字签名即附在消息上的某些数据使得消息的接收者可以确认消息的来源与完整性等信息,防止被攻击者伪造。数字签名具有不可替代性。数字签名采用公钥加密领域的技术,即由信息的发送方通过秘密钥匙加密给接收方发送信息和签名,接收方使用发送方公钥解密来鉴别其签名的真实性。

2.2.2 提高无线传感器网络路由的安全性。要提高无线传感器网络路由的安全性,可以采取一些措施,如双向连接确认、多路径路由行程和链路层加密认证等。但是这些措施只有在路由协议设计好之前加入协议才能起到抵御攻击的效果。

3 改进LEACH以提高无线传感器网络节点可靠性

无线传感器网络中的传感器节点,比较容易因为能量的消失殆尽而失效,该情况在簇网络中表现尤为显著。

低功耗自适应集簇分层型协议LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)是一种自组织和适应的簇协议,LEACH每次都会随机选择一些节点作为簇头节点。正是由于随机性,所以各个节点轮流地成为簇头节点,这样就保证了整个无线传感器网络的能量均衡性。无线网络传感器节点将数据发送至簇头,由簇头进行数据的重组和处理。见下图1的无线传感器节点结构图所示。

图1 无线传感器节点结构图

3.1 LEACH在节能方面的弊病

LEACH在节能方面有三大弊病：

(1)簇头比一般节点承担更多的工作,体现在它们既要接收簇内节点的数据和信息进行整合,又需发送数据至基站节点。

(2)距离基站较远的簇头须采用远距离的传输方式将数据和信息发送至基站,这样会导致这些簇头的提早衰亡。

(3)由于簇大小不对称,会导致有着过多簇内节点的簇头超能量负荷。

以上三个弊病将造成一些传感器节点的提早衰亡[5]211-215。

3.2 改进方法及分析

对于以上阐述的弊病,一种新的节能且有着可靠拓扑性的簇网络算法ERCTNA(Energy-efficient and ReliableCluster Algorithm for Topology)产生。该算法是在簇内放置一种特殊的节点,称为簇头辅助节点。其既增强了无线传感器网络的可靠性,又节约了能量。

3.3 ERCTNA具有的特点

(1)当一些簇过大时,簇头辅助节点分担簇头部分收集簇内数据的工作。

(2)簇头辅助节点取代了头,因而承担了大多数的数据传输工作。

(3)对于离基站较远的簇头,簇头辅助节点通过多跳传输方式转发数据,从而避免了远距离通信造成的过多能量损耗[6]89-93。

4 小结

本文对无线传感器网络安全性及节点可靠性进行了分析,分别对无线传感器网络安全性中涉及到的攻击类型及对策进行了详细的介绍。另外,又对无线传感器网络节点可靠性中的改进方法LEACH做了阐述。

[1] 任新辉,徐勇军,别荣芳,李晓维.无线传感器网络的通信安全[J].上海师范大学学报,2005(5).

[2] 陈国龙,张德运,王晓东.通信网络可靠性评估的一种算法[J].小型微型计算机系统,2000(12).

[3] 于海斌,曾鹏,尚志军.分布式无线传感器网络管理机制研究[J].仪器仪表学报,2005(11).

[4] 马祖长,乔晖,孙怡宁.一种无线传感器网络的设计[J].仪表技术与传感器,2003(11).

[5] 石军锋,钟先信,陈帅,邵小良.无线传感器网络结构及特点分析[J].重庆大学学报：自然科学版,2005 (02).

[6] 李凤保,李凌.无线传感器网络技术综述[J].仪器仪表学报,2005(S2).

责任编辑：为 恒

TP212

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1671-8275(2014)01-0117-02

2013-10-23

董慧妍(1981-),女,江苏苏州人,苏州建设交通高等职业技术学校讲师。研究方向：弱电控制。