无线传感器网络安全协议及运用实践

袁玉珠

摘 要

近年来，无线传感器在全球范围内大量出现，此类传感器具有能耗低、成本低、功能多等特点，由其组成的传感器网络可以进行实时的监测和数据信息采集。由于无线传感器网络经常需要在较为恶劣的环境下工作，加之网络本身所具有的脆弱性，使得网络安全成为了业界关注的重点。基于此点，本文首先简要阐述了无线传感器网络及其特点，在此基础上对无线传感器网络安全协议的运用进行论述。

【关键词】无线传感器 网络 安全通信协议

1 无线传感器网络及其特点

1.1 无线传感器网络结构

无线传感器网络简称WSN，其归属于网络系统的范畴，具体是指应由部署在监测区域范围内的若干个传感器节点组成，以无线通信作为传输方式所形成的具有多跳性特点的自组织网络。在WSN中，传感器节点是基本构成单位，每一个传感器节点均是一个独立的小型嵌入式系统，图1为传感器节点的结构示意图。

WSN中除了包含大量的传感器节点之外，还包括数据汇聚、数据处理中心等节点和设施。汇聚节点是一个经过增强的传感器节点，它具有提供能量和处理数据信息的能力；数据处理中心则主要负责对网络进行配置与管理，并发布相关的数据采集指令，同时完成数据的接收。

1.2 WSN的特点

WSN与传统网络相比，不仅对通信能力、存储能力、节点能量供应有着极高要求，而且还具备自身应用特点，具体表现在以下方面：

1.2.1 规模大

需要在占地面积广阔的监测区域布置数量多的传感器节点。

1.2.2 自行管理

传感器节点通过飞机播撒等方式进行放置，放置位置带有随机性，需要WSN自行管理，并具备较强的网络配置能力。

1.2.3 动态拓扑

在WSN工作状态下根据监测环境的变化进行不断变化。

1.2.4 专门设计

由于WSN需要在千差万别的监测环境中采集不同的信息，所以必须根据具体应用，优化设计网络结构和网络协议。

1.2.5 以数据为中心

观测者向WSN下达事件监测命令，感知节点根据命令收集、处理监测区域内的数据，将其反馈给观测者。在WSN工作过程中，数据是网络运行的核心，观测者不关心网络本身的运行状态以及数据源于哪一节点，而只是对最终获取的数据感兴趣。

2 无线传感器网络安全协议的运用

2.1 WSN的安全需求分析

为保证信息安全，WSN的安全需求体现在以下方面：

2.1.1 机密性

要求WSN节点之间的消息传输安全，对消息进行加密，防止攻击者非法获取信息，只有授权者才能获取真实的信息内容，解密出正确的明文。

2.1.2 完整性

要求数据在整个传输过程中不能被篡改，利用消息认证机制保证消息内容的完整性。

2.1.3 可认证性

信息接收者要对网络传输中的数据进行认证，识别注入网络的虚假信息包，在确认信息来源于合法的节点后才可准许接收。WSN主要包括点到点认证与组播广播认证两种方式，前者要求节点接收信息的同时对信息来源和对方身份进行确认，后者则是针对单个节点向多个节点发送同一消息的情况进行安全认证。

2.2 安全通信协议设计与实现

在充分考虑WSN安全需求的基础上，本次设计采用了层次型拓扑结构的网络模型，为使描述过程更加方便，假定整个网络只有两层结构，即WSN被分解为多个簇，每个簇有一个簇头结点和多个簇成员节点组成。同时，假设WSN中全部传感器节点均为相同，并且这些节点在最初加入网络时所拥有的能量也是相同的，网络中所有簇头的选择全都由基站来完成，并假定基站具有永久可信任性，所有对网络的攻击均来自于外部。

2.2.1 分配密钥

当传感器节点加入到安全体系当中之后，基站便会将通信周期的密钥Kt发送给节点，随着Kt的加入，节点的加密密钥与认证密钥会发生周期性的变化，同时，基站的广播也可以密文的方式进行信息传送，上述措施的应用，使WSN的安全性获得了进一步增强。

2.2.2 加入安全体系

在网络运行中，各基站会不时地发送各类信息，这就要求节点具备消息识别能力，能够有效判断消息是否来源于授权的基站，与基站建立起信任关系。为此，必须将节点纳入到网络安全体系建设中，对基站的广播包进行认证。只有在安全体系涵盖所有传感器节点之后，才能实现对基站所发送信息数据的安全控制。

2.2.3 建立网络拓扑结构

簇头在层次型拓扑结构网络的建立中具有非常重要的作用，而涉及簇头的危害则具有一定的破坏性，鉴于此，在网络拓扑结构的建立中，必须对簇头进行身份认证。为实现这一目标，本次设计中对LEACH协议算法进行适当地改進，当基站接收到簇头节点信息后，会按照簇头的ID号与认证密钥对其进行身份认证，由此能够剔除掉非法簇头节点的假冒信息，并将剩余的合法信息以广播的方式发送出去。设计中还应用了SPINS安全协议框架中的μTESLA广播认证协议，由此实现了传感器节点对基站广播包的认证。由于簇头需要进行定期的选举，也就是簇头并非一成不变的，因此，拓扑结构也需要随之定期进行更新。

2.3 网络安全通信协议的运用

拓扑结构是安全通信体系的基本框架，在稳定通信的状态下，网络通信包括以下两种方式：一种方式为簇内成员节点与簇头节点之间的通信，通过计算通信周期内的加密密钥和认证密钥，对数据进行加密，对重放攻击进行有效遏制，保证信息传输安全；另一种方式为簇头节点与基站通信，由簇头节点接收合并信息，将其传输给基站进行认证。

3 结论

综上所述，本文在简要阐述无线传感器网络结构和特点的基础上，分析了无线传感器网络的安全需求，随后采用层次型拓扑结构网络模型及LEACH协议改进算法，对安全通信协议进行了设计，并介绍了该协议的具体运用。期望通过本文的研究能够对无线传感器网络安全的提升有一定帮助。

参考文献

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作者单位

济宁市技师学院 山东省济宁市 272000