無線傳感器網絡安全檢測技術
邁梓工控 / 2021-11-22
無線傳感器網絡安全問題要實現的目標是保持網內通信的認證性、保密性以及數據的完整性。無線傳感器網絡的各種不同類型的攻擊集中利用有限的網絡資源削弱以上三種參數中的一種,攻擊者通過被動竊聽的手段竊取網絡內的通信，因此，節點感知的任何敏感信息將會被監聽方獲取。惡意節點往往通過向網內注入虛假數據包，使其他節點誤以為是真實的信息。被捕獲節點接收到網內數據包后，往往采取選擇性轉發攻擊（selective forwarding attacks）手段，丟棄該數據包，而不是沿著數據包的實際路徑進行轉發。這種攻擊手段往往也會削弱正常數據包的網絡資源。攻擊者也可能會篡改正常數據包的內容，從而破壞網絡的認證性和數據的完整性。
大多數安全算法都運用了加密技術，先將數據進行編碼，然后基站以及節點對數據進行解碼.加密技術充分考慮到了網絡內通信的認證性、安全性以及數據完整性。然而，如果攻擊者也擁有正常節點使用的加密密鑰，那么當一個或多個節點被捕獲時，安全算法的效率往往會降低.因此，如果沒有采取其他的安全措施，惡意節點將不能從正常節點中被鑒別出。各種類型的網絡攻擊利用網絡的漏洞或缺陷對網絡發起攻擊，入侵檢測系統的主要作用就是對網絡攻擊進行檢測，無線傳感器網絡安全引入入侵檢測系統的目的就在于此。
入侵檢測技術可分為特征檢測（misuse detection） 和異常檢測（anomaly detection） 兩種。特征檢測通過一個已知的入侵用戶圖來標記入侵，其優點是能準確和有效地檢測出已知的入侵，缺點是不能檢測新出現的攻擊。異常檢測通過監測明顯異于正常行為的活動來預測入侵。其主要優點是不需要入侵檢測的前期知識，而且可以檢測到新的入侵；最主要的缺點是它不能描述入侵的形式并且可能出現很高的差錯率。概念上，一個入侵檢測模型主要包括兩個單元：一是特征（屬性），用于描述典型活動的特性，例如“錯誤錄入的嘗試次數”,“命令訪問的平均頻率”;二是模型算法，也就是使用特征進行入檢檢測和抑制入侵的算法。
傳感器節點往往部署在開放的環境中，容易受到物理攻擊。一旦獲取了節點的密鑰信息，攻擊者完全可以偽裝成這些節點，向網絡任意注入錯誤的信息。如果節點被捕獲，那么該節點內的所有信息將會泄露。利用被捕獲節點，攻擊者在網絡內發起內部攻擊。基本的加密安全機制，比如認證和完整性保護等，都不能有效防范這些偽裝攻擊。如何解決這個問題，大多數技術對被捕獲節點散布的錯誤信息集中采取的手段是檢測和容忍，但是并不能夠準確查明錯誤信息的源頭和發起者。
目前仍然缺乏準確識別被捕獲節點，并將它們永遠排除在傳感器網絡之外的有效技術。針對被捕獲節點的處理技術，集中體現在以下幾種：
1. 基于報警的異常檢測
這種檢測依賴于特定應用的檢測機制，使傳感器節點能夠監視附近節點的行為。一旦檢測到異常行為，節點會向基站或其他節點發出警報，并由它們來對哪些節點被捕獲做進一步判斷。這類方式稱為基于報警型，傳感器網絡的路由選擇和定位中就會用到這類典型的方式。
節點通過警報能夠查明被捕獲節點，但是如何利用這些警報信息也是一大難題。發出的警報是否可信有時也難以判斷，因為這些警報有可能是被捕獲節點以誤導基站為目的而發出的錯誤警報。被捕獲節點可能會進一步形成一個局部的整體，共同密謀以提升在網絡內的影響力。另外，這種基于報警型的方式針對的是某些特定的應用場合，難以延伸到其他領域。
識別被捕獲節點與可診斷系統中的故障診斷有著某種相似性。實際上，在這些系統中，總是假定故障是永遠存在的，這就意味著一個故障節點在測試中總會失效，因而會被鑒別為無故障節點。有些研究者把故障假定的條件進一步放寬，即故障的存在由永久性變成間斷性，實際上這種改變是假定故障節點以某種概率不能通過測試。這樣的假設在傳感器網絡不能成立，因為被捕獲節點的行為有更大的隨意性。
例如，被捕獲節點有可能發布正確的感知數據，同時也發出錯誤的警報，這樣的惡意行為并不能夠被正常節點觀測到。因此，不能把可自診斷系統所采用的技術直接應用到傳感器網絡的被捕獲節點的識別上。
2. 基于定位的異常檢測
許多無線傳感器網絡采用GPS系統來收集傳感器節點的位置信息。在大型傳感器網絡中，如果每個節點都配備GPS系統，那么網絡運行成本相當昂貴。因此，在實際應用中只給時間信標節點配備GPS 接收器，以降低網絡運行成本。這些信標節點知道自身的位置，其他傳感器節點根據信標節點的位置信息來獲取在網絡的位置信息。
文中闡述了一種檢測惡意信標節點的方式。如果一個信標節點被捕獲，那么它將不可避免地要發送具有錯誤位置信息的信標信號。這是因為，惡意信標節點發送的位置信息和信標信號一定是被篡改的。網絡中的信標節點具有節點ID號以及密鑰，從而能夠與網絡內的其他信標節點（表面看起來仍然是非信標節點）進行通信。惡意信標節點發送的預估位置信息不是以信標信號為依據，所以這些信息與真實值相比是不同的。一旦有效信標節點從惡意信標節點獲取信標信號，那么該被捕獲節點將會被檢測出。由于被捕獲信標節點難以獲取相鄰節點間每次通信的循環時間，因此，如果惡意節點采取基于本地信標信號的重放攻擊（replayed attacks），那么它就會比較容易被發現。
3. 基于網絡/ 鄰居節點穩定性的異常檢測
文獻闡述了一種基于傳感器節點特性（比如固定的相鄰節點信息）的入侵檢測系統。實驗中網絡間的通信采用多對一的方式，也就是說，節點將沿著相對固定的路徑向某個固定節點發送信息。因此，整個網絡運行期間并不需要節點用來識別相鄰節點的HELLO 洪泛數據包。網絡部署后，假設：①不會增加新節點，且節點是固定的；②節點的發送功率不會改變；③網絡內的每個節點能夠識別它的相鄰節點；④每個節點使用相同的硬件以及運行相同的算法，節點上運行的時鐘與其他節點不同步。
根據以上設定的穩定網絡，節點知道能夠從相鄰節點獲得的信息。為了進一步運用這個概念，需要選擇兩個傳感器網絡的運行參數，用來存儲相鄰節點的信息。選取的參數是：
①數據包到達率，即單位時間內到達的數據包；②平均接收功率，單位為dBm.算法定義了一個用來存儲預定數量數據包的緩沖區。這些數據包用來計算數據包到達率以及后續數據包的接收功率這兩個指標的可接受值的范圍。如果這兩個參數的值不在持續更新的范圍之內，那么就認定網絡發生了入侵。入侵檢測系統依靠這些節點來通知其相鄰節點，網絡可能存在入侵者。如果某節點從其固定數量的相鄰節點處獲取入侵者信息，那么該節點將把這個可疑節點標注為被捕獲節點。
4. 基于軟件的面向嵌入式硬件的認證
檢測被捕獲節點的另一種不同方法是根據代碼認證，來驗證運行于傳感器節點的實際程序代碼。還有一種基于硬件的認證方法，這種硬件內含一個安全的協處理器，用來檢測相關嵌入式設備存儲器的內容。介紹了一種基于軟件的認證技術（SoftWare-based ATTestation technique,SWATT），它是通過軟件方式獨立運行代碼認證算法來實現的。
這些技術都是通過某種方式，在外部驗證運行于嵌入式設備的代碼的正確性，檢驗器的可信度是實現目標的關鍵因素。
惡意節點至少有一行代碼與運行于正常節點的預期代碼不同。
檢驗器有未被捕獲傳感器節點存儲器內容的副本。檢驗器向節點發送某種特定信息，作為偽隨機數生成器的輸入，來創建隨機存儲器地址。給設備的每個存儲器地址執行“ 校驗和”檢驗。校驗器在本地運行相同的校驗步驟，計算預期的校驗和值，再將這個預期值與節點返回的值進行比較。
由于被捕獲節點存儲器的內容被改變，所以它必須確定由偽隨機數生成器創建的每個存儲器地址是否已經發生改變。
SWATT 技術目前已在無線傳感器網絡中使用，不過執行檢測和運行驗證步驟均需額外時間。作者在基于AVR studio V4.0的仿真器上進行了實驗，結果表明，計算校驗和的時間差異變得更加突出，這是因為被訪問的存儲器地址的數量在增加。
文中也對網絡做了相同的假設，確定節點是否為被捕獲節點的過程發生了變化。基站被假定為受信方，它在鑒定被捕獲節點時起著很大作用。基站認為存在潛在的被捕獲節點，采用代碼認證方法來確認可能的威脅。SWATT 技術的思想是，一旦節點被捕獲，那么它必將執行與正常節點不同的行為，這種思想在算法設計中是一種重要的概念。
無線傳感器網絡中，任何兩個節點之間均可能發生交互。
如果某個節點提供的信息是錯誤的，或提供的服務不完備，那么其他的一些節點有可能檢測到，并發出相應的負反饋。實際上，傳感器節點之間的交互，受制于傳感器網絡的部署。對于某個節點來說，能夠檢測到它提供的信息或服務的，只是一組固定的節點。因此，對于被捕獲節點來說，容易形成一個局部的整體。
一般來說，大多數分布式系統由自主實體所構成，往往最大化地追求自身效率，需要建立激勵機制來鼓勵實體發布（至少不阻止）其他實體的反饋信息。傳感器網絡本質上是一種分布式系統，由自主性節點構成，傳感器節點之間通過相互協作來共同完成一個任務。因此，有可能設計出鑒別機制，實現既定目標的全局最優化。例如，為了應對錯誤的警報，可以根據警報的發起者和針對的目標來確定被捕獲節點，只要有助于提高整個系統的安全性。
實際上，傳感器網絡獨特的特性既帶來了挑戰，也帶來了機遇，如何利用這些特性是精確識別被捕獲節點的關鍵所在。
