无线传感器网络中的安全机制设计

王 波

（广东原创科技有限公司，广东 惠州 516003）

0 引 言

随着无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）在多个领域的广泛应用，如环境监测、健康护理以及工业自动化，其安全性问题日益凸显。WSN的开放性和分布式特点使其容易受到各种网络攻击，从而威胁到数据的保密性、完整性和网络的可用性。因此，研究和设计有效的安全机制，以保护WSN 免受各种潜在威胁，已成为当前研究的重要课题。

1 无线传感器网络概述

1.1 无线传感器网络的基本架构与组件

WSN 的架构设计遵循IEEE 802.15.4 标准，定义了低速无线个人区域网络（Low-Rate Wireless Personal Area Networks，LR-WPANs）的协议。在此架构中，每个传感器节点通常包括4 个核心组件，即感测单元、处理单元、通信单元以及电源单元。感测单元的主要任务是监测如温度（精度为±0.1 ℃）、湿度（精度为±3% RH）或光照等环境参数；处理单元负责数据的初步分析和处理，通常达到32 位计算能力，频率为1 GHz[1]。通信单元遵循ZigBee 协议，这是一种基于IEEE 802.15.4 标准的高层次通信协议，有效通信距离可达100 m。电源单元则提供能量支持，一般采用锂电池，容量可达2 000 mAh，支持节点连续工作数月或数年。这些节点不仅能收集数据，还能通过无线方式形成自组织、多跳网络，最终将数据传输至中央控制节点。

1.2 无线传感器网络的工作原理与数据传输过程

在WSN 中，数据传输过程遵循特定的路由协议，如低功耗有损网络的IPv6 路由协议（IPv6 Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks，RPL），这是一种专为低功耗和丢包网络设计的路由协议。在数据收集阶段，传感器节点按照预设频率（如每分钟一次）收集环境数据，然后通过内置的处理单元对数据进行初步处理，如数据压缩，压缩比可达4:1。不同路由协议的无线传感器网络数据传输性能对比如表1 所示。

表1 不同路由协议的无线传感器网络数据传输性能对比

在数据传输过程中，采用多跳传输机制，即通过中间节点逐步传输至中央控制节点。为确保数据传输的高效性和可靠性，WSN 采用链路质量指示（Link Quality Indicator，LQI）和接收信号的强度指示（Received Signal Strength Indicator，RSSI）2 个参数来评估链路质量。LQI 值的范围为0 ～255，RSSI值的范围为-100 ～0 dBm，这2 个参数共同决定数据传输路径的选择[2]。此外，为了优化能源消耗，WSN 节点采用低功耗操作模式，如睡眠/唤醒机制，使节点在非活动期间进入低功耗状态。在这种模式下，节点的功耗可以降低到μW 级。

2 无线传感器网络的安全需求分析

2.1 数据保密性与隐私保护

在WSN 中，数据保密性是最基础的安全需求之一。由于传感器网络广泛应用于军事、健康监护以及工业控制等敏感领域，保证传输数据的保密性至关重要。例如，在工业控制系统中，节点采集的数据往往涉及关键的生产流程信息，这些数据若被未授权访问或窃取，则可能导致严重的经济损失或安全事故。因此，WSN 需要采用强大的加密技术来保护数据。在实际应用中，高级加密标准（Advanced Encryption Standard，AES）算法常被用于加密数据，其密钥长度通常为128 bits，能有效防止大多数的暴力破解尝试。此外，隐私保护也是一个重要方面。在医疗健康监测系统中，传感器收集的健康数据可能包含个人敏感信息，这些信息若泄露将直接威胁个人隐私安全。

2.2 数据完整性与验证

数据完整性是确保数据在传输过程中不被篡改。在WSN 中，由于无线通信信道容易受到干扰和攻击，数据在传输过程中面临着被修改或损坏的风险。例如，在智能交通系统中，交通流量数据的准确性对于交通指挥和控制至关重要。若这些数据被篡改，可能导致交通管理决策失误，引发交通拥堵甚至事故[3]。因此，WSN 需要采用数据校验机制，如采用数字签名或消息认证码（Message Authentication Code，MAC），以确保数据的完整性。这些机制可以通过对每个数据包附加一个校验值来实现，校验值的生成基于共享密钥，确保只有授权节点能验证数据的完整性。

2.3 网络可用性与抗攻击性

网络可用性保证网络能够抵御各种攻击，持续稳定运行。WSN 由于其开放的无线通信特性，容易受到不同类型的攻击，如拒绝服务攻击（Denial of Service，DoS）和分布式拒绝服务攻击（Distribution Denial of Service，DDoS）。这些攻击可能导致网络通信中断，影响网络的正常功能。例如，在环境监测系统中，如果网络遭受DoS 攻击，则可能导致关键环境数据无法及时传输，从而影响对环境状况的判断和应对。为了保证网络的可用性，需要设计有效的网络管理和监控机制，确保能够及时检测网络攻击并采取相应的防御措施。

3 无线传感器网络安全机制的具体设计

3.1 密钥管理和分发

在WSN 中，密钥管理和分发是保障网络安全的基础。这一过程严格遵循国际加密标准，如NIST SP 800-57，推荐使用的密钥长度至少为128 bits，以满足AES 加密标准。为了适应WSN 的资源限制环境，密钥生成采用基于ANSI X9.31 标准的伪随机数生成器（Pseudo Random Number Generator，PRNG）， 此标准确保生成的密钥具有高随机性和不可预测性。在密钥分发过程中，利用基于椭圆曲线加密（Elliptic Curves Cryptography，ECC）的Diffie-Hellman 密钥交换算法，此算法提供比传统RSA 算法更高的安全性，同时在计算和存储上更加高效[4]。ECC 的关键参数曲线类型选择secp256r1，这是因为该曲线在保证安全性的同时降低了计算复杂度。无线传感器网络密钥管理和分发的关键参数如表2 所示。

表2 无线传感器网络密钥管理和分发的关键参数

为了应对密钥泄露或过时的风险，在网络中实施动态的密钥更新机制。这一机制确保每个节点的密钥每隔一定时间自动更新，通常设置为30 d。更新过程采用安全多播机制，结合时间同步技术，确保所有节点能够在预定时间窗口内同时完成密钥更新。更新过程中的数据传输采用临时密钥进行加密，临时密钥由中央控制节点随机生成，并通过安全的单向通信通道发送给各节点。

3.2 数据加密

数据加密是WSN 中保护传输和存储数据安全的重要环节。根据当前的安全标准，选择AES-128 作为主要加密算法，其在保证高安全性的同时，对资源受限的传感器节点的计算和存储需求较低。加密操作在数据产生的瞬间执行，以确保数据从源头到目的地的整个传输链路中始终处于加密状态。为优化性能，加密过程的处理延迟控制在10 ms 以内，保证网络的实时性。在存储方面，所有节点中的数据在存储前都必须加密，以防止数据在物理攻击下的泄露。为了提高存储数据的安全性，存储加密使用与通信加密不同的密钥。此外，为应对长期的安全挑战，网络中实施了加密算法的动态升级机制，每当出现新的或更安全的加密算法时，系统能够在不中断服务的情况下切换到新算法。目前正考虑未来升级到AES-256 算法，以适应更高安全需求的场景。

3.3 身份认证和授权

身份认证过程依赖于公钥基础设施（Public Key Infrastructure，PKI），每个节点都配备由中心授权机构签发的数字证书。这些证书遵循X.509 标准，其中公钥的推荐长度为2 048 bits，以确保足够的安全性。身份认证过程采用RSA 签名算法，其中签名验证的平均处理时间保持在50 ms 以内，以满足网络的实时性需求。授权机制基于角色的访问控制（Role-Based Access Control，RBAC）模型。在该模型中，每个节点被分配一个特定的角色，每个角色定义了一组访问权限[5]。例如，数据收集节点可能被授予发送传感数据的权限，而没有访问网络配置信息的权限。授权过程中，中心节点根据角色数据库来验证请求访问的节点是否具有相应的权限，数据库的更新周期设为24 h，以适应网络角色变化。为了保护认证和授权过程不受到中间人攻击，所有的认证和授权通信都通过加密通道进行。

3.4 入侵检测系统

入侵检测系统（Intrusion Detection Systems，IDS）在WSN 中的设计注重实时监控和快速响应。IDS 综合使用基于模式的检测和基于异常的检测策略。基于模式的检测依赖于已知攻击的签名数据库，该数据库每周更新一次，以包含最新的威胁信息。异常检测则基于网络行为分析。例如，正常情况下，节点的数据传输频率为每分钟一次，若发现频率异常增高，则可能表明网络受到攻击。IDS 的处理延迟对于网络安全至关重要，其设计要求能在30 ms 内识别并响应潜在的安全威胁。此外，系统采用自适应算法，能根据网络状态动态调整检测参数，如在网络流量高峰时自动调整检测阈值。在检测到攻击时，IDS 能自动触发防御机制，如隔离恶意节点，其隔离操作应在100 ms内完成。IDS还整合了数据挖掘和机器学习技术，以提高对新型攻击和复杂攻击的检测能力。通过分析历史安全事件和流量模式，系统能自主学习并适应网络行为的变化。

3.5 安全路由协议

在WSN 中，安全路由协议的设计至关重要，它需要确保数据在传输过程中的安全性和路由的正确性。根据最新的网络安全标准，如IETF RFC 4944，安全路由协议应支持端到端的加密和认证机制。这要求协议不仅能验证数据包的来源，还要保证数据在传输过程中未被篡改。安全路由协议设计采用基于证书的方法来验证节点间的通信[6]。每个节点持有由中心授权机构签发的数字证书，证书遵循X.509 标准，有效期限设置为一年，以确保证书的更新与网络安全态势相匹配。路由信息的交换采用RSA 签名，其中公钥长度至少为2 048 bits，以适应当前的加密标准。在路由决策过程中，每个数据包都经过基于Hash 的消息认证码（Hash-Based Message Authentication Code，HMAC）验证，使用SHA-256 算法，确保信息在多跳传输过程中的完整性和真实性。为了提高网络的抗攻击能力，安全路由协议设计包括了对常见网络攻击类型的防御机制，如蠕虫攻击和伪装路由信息攻击。在检测到此类攻击时，路由协议能够迅速隔离受影响的节点，并重新计算安全的路由路径。

4 结 论

文章系统地研究了WSN 的安全机制设计，提供了一种全面且深入的安全框架。从密钥管理到数据加密，再到身份认证、入侵检测以及安全路由协议，每个方面都紧密结合WSN的特点，确保了数据的保密性、完整性以及网络的可用性。特别是对动态密钥管理和自适应入侵检测系统的讨论，展示了安全策略在面对不断演变的安全威胁时的灵活性和有效性。该研究为WSN安全领域提供了宝贵的参考，对于设计更加安全、高效的WSN 系统具有重要意义。