曹曉梅，沈何陽(yáng)

(1.南京郵電大學(xué)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，南京210003;2.南京郵電大學(xué)信息安全，南京210003)

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中的感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者[1]。WSN被廣泛應(yīng)用于軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)、健康護(hù)理、智能家居、建筑物狀態(tài)監(jiān)控以及城市交通等領(lǐng)域。由于WSN節(jié)點(diǎn)通常被部署在無(wú)人監(jiān)管的環(huán)境中，很容易受到惡意攻擊，尤其當(dāng)WSN被應(yīng)用于軍事、經(jīng)濟(jì)等存在敵我博弈的場(chǎng)景中時(shí)，安全問(wèn)題尤為重要。數(shù)據(jù)融合技術(shù)是WSN的重要支撐技術(shù)，避免了大量冗余信息的傳輸，但融合節(jié)點(diǎn)往往承載著重要的數(shù)據(jù)信息，如果融合節(jié)點(diǎn)遭到攻擊，那么得到的信息可能無(wú)效，甚至有害[2]。因此，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合過(guò)程中的數(shù)據(jù)安全，同時(shí)減少節(jié)點(diǎn)的能量損耗，是數(shù)據(jù)融合要研究的重點(diǎn)。

Joao Girao等人最先提出了一種適用于WSN的基于同態(tài)加密的數(shù)據(jù)融合方案—CDA[3]，該方案利用同態(tài)加密算法實(shí)現(xiàn)端到端的數(shù)據(jù)傳送，提供了較高的數(shù)據(jù)保密性。研究者在此基礎(chǔ)上提出了多種基于同態(tài)加密的算法方案[4－5]，這些文中所提出的算法都是相對(duì)較成熟的，并且能提供較高的可靠性。但是，同態(tài)加密給節(jié)點(diǎn)的計(jì)算帶來(lái)了很大的開(kāi)銷(xiāo)，因而，增加了網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)銷(xiāo)。Cam等人提出了基于模式碼的數(shù)據(jù)融合協(xié)議ESPDA[6]，該方案采用基于模式碼的比較實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合，有效的降低了網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí)由于融合階段傳送的模式碼，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的機(jī)密性。OSDA[7]，SRDA[8]，COER[9]等協(xié)議都旨在減少網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)銷(xiāo)，但是入手點(diǎn)卻不盡相同，前者通過(guò)傳送無(wú)實(shí)際物理意義的模式碼代替原始數(shù)據(jù)，SRDA則通過(guò)傳送比較差值來(lái)減少數(shù)據(jù)的冗余，而COER則是利用網(wǎng)絡(luò)編碼來(lái)減少網(wǎng)絡(luò)能耗。另外，現(xiàn)有的基于完整性的數(shù)據(jù)融合協(xié)議，如:Secure DAV[10]以及蔣君杰等提出的基于多貼近度的可靠性融合方案[11]，它們的計(jì)算存儲(chǔ)量要求大，帶來(lái)了很大的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，并且節(jié)點(diǎn)的復(fù)制能力差，可能導(dǎo)致DOS攻擊。

綜上，李建明等人提出了一種可擴(kuò)展性好的安全數(shù)據(jù)融合協(xié)議SSDAA[12]。該方案采用逐步認(rèn)證μTESLA密鑰，在匯聚階段采用傳送模式碼形式，有效的保證了機(jī)密性，認(rèn)證也不必等到匯聚完成，而是采用的兩跳延遲認(rèn)證，減少了時(shí)延，該方案最大的優(yōu)點(diǎn)是采用公鑰認(rèn)證，利用兩跳延遲來(lái)公布認(rèn)證密鑰，以達(dá)到認(rèn)證的有效性。但是該方案當(dāng)遇到節(jié)點(diǎn)被捕獲時(shí)，尤其是中間節(jié)點(diǎn)被捕獲，在認(rèn)證階段只能發(fā)現(xiàn)敵人發(fā)送了虛假數(shù)據(jù)，但該協(xié)議并不清楚具體被捕獲的是孩子還是孫子節(jié)點(diǎn)，尤其是同時(shí)捕獲孩子和孫子節(jié)點(diǎn)，敵人就可以任意的修改以孩子節(jié)點(diǎn)為根的子樹(shù)，這種情況下，只能丟棄以孩子節(jié)點(diǎn)為根的整個(gè)子樹(shù)，許多有用的信息將會(huì)丟失。Miloud Bagga等人在2009年提出了一種安全高效的協(xié)議SEDAN[13]，該協(xié)議針對(duì)上述的問(wèn)題，有了很好的解答，協(xié)議中每個(gè)節(jié)點(diǎn)保存4個(gè)密鑰，分別是與父親節(jié)點(diǎn)、祖父節(jié)點(diǎn)、孩子節(jié)點(diǎn)、孫子節(jié)點(diǎn)的共享密鑰。傳送的時(shí)候采用兩個(gè)消息鑒別碼，一旦某個(gè)節(jié)點(diǎn)被攻擊，節(jié)點(diǎn)可以準(zhǔn)確的知道是自己的孩子節(jié)點(diǎn)還是孫子節(jié)點(diǎn)被妥協(xié)，并且只丟棄相應(yīng)的被攻擊了的節(jié)點(diǎn)。另外，相較于SSDAA協(xié)議的認(rèn)證方案，由于采用的不同于TESLA的密鑰分配，能耗比較小。但是沒(méi)有考慮整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量均衡等因素，仍有不足之處。

針對(duì)上述的不足，本文提出的SPDAA方案采用基于兩跳的認(rèn)證技術(shù)，可避免節(jié)點(diǎn)因盲目拒絕而造成重要數(shù)據(jù)丟失，并且密鑰的分配能耗小，同時(shí)優(yōu)化節(jié)點(diǎn)處的選擇，可以均衡全網(wǎng)的能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期。

1 基于模式碼比較的數(shù)據(jù)融合和認(rèn)證協(xié)議

本文針對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用中的需求和目前安全數(shù)據(jù)融合協(xié)議存在的問(wèn)題，提出了一種安全數(shù)據(jù)融合方案SPDAA。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，并且節(jié)點(diǎn)的分布較為密集，節(jié)點(diǎn)的位置較固定。下面用圖1來(lái)描述SPDAA協(xié)議在一輪會(huì)話(huà)中的過(guò)程。

圖1 SPDAA的流程圖

如圖1所示，SPDAA方案的步驟如下:

步驟1 感應(yīng)節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，利用差值比較算法選擇是否參加本輪的會(huì)話(huà)，執(zhí)行模式生成算法，生成模式碼PC并向上層節(jié)點(diǎn)發(fā)送，節(jié)點(diǎn)在發(fā)送模式碼的同時(shí)，把自己的剩余能量和初始能量的百分比一起發(fā)送給上層節(jié)點(diǎn)，以便上層節(jié)點(diǎn)根據(jù)能量選擇通信節(jié)點(diǎn)，以均衡網(wǎng)絡(luò)能量;

步驟2 各級(jí)的中間融合節(jié)點(diǎn)在接受到數(shù)據(jù)后，對(duì)其中的模式碼做比較，并根據(jù)模式生成算法，確定冗余集合。中間節(jié)點(diǎn)在接受融合模式碼的同時(shí)，可以對(duì)消息中包含的兩個(gè)MAC值(一跳消息認(rèn)證碼(OHM)，兩跳消息認(rèn)證碼(THM)。)進(jìn)行認(rèn)證，根據(jù)認(rèn)證的結(jié)果來(lái)確定是否接受還是拒絕匯聚結(jié)果;

步驟3 若是接受消息，則依據(jù)融合節(jié)點(diǎn)處融合算法將數(shù)據(jù)融合后向上層節(jié)點(diǎn)匯聚，直到基站，然后基站反饋被選中的節(jié)點(diǎn)。若是被拒絕，則發(fā)出警告，表明其孩子或者孫子節(jié)點(diǎn)已經(jīng)被攻擊;

步驟4 被選中的節(jié)點(diǎn)根據(jù)一定的加密算法安全的發(fā)送原始感應(yīng)數(shù)據(jù)。一輪會(huì)話(huà)結(jié)束。

傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)周期性的感應(yīng)過(guò)程，其他周期重復(fù)上面的步驟。

2 算法分析

2.1 安全融合算法

我們假設(shè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境相對(duì)安全，運(yùn)用一種新型的密鑰分布方案SEDAN，該方案中每個(gè)節(jié)點(diǎn)分別保存兩跳內(nèi)的會(huì)話(huà)密鑰，每個(gè)節(jié)點(diǎn)保存四個(gè)密鑰，分別是與孩子、孫子、父親、祖父之間的共享密鑰。

設(shè)j為節(jié)點(diǎn)i的父節(jié)點(diǎn)，k為i的祖父節(jié)點(diǎn);l為i的孩子節(jié)點(diǎn)，m為i的孫子節(jié)點(diǎn)，并且有融合函數(shù)f(d1，d2，d3，d4，d5)=f(d1，(d2，d3，d4)，d5)成立，以下是各種符號(hào)的簡(jiǎn)介:

A→B:節(jié)點(diǎn)A發(fā)送消息給節(jié)點(diǎn)B。

Ki，j:節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間的密鑰對(duì)。

IDi:節(jié)點(diǎn)i的唯一地址身份標(biāo)識(shí)符。

Er/Em:節(jié)點(diǎn)剩余能量和初始能量之間的百分比。

PCi:節(jié)點(diǎn)i的模式碼。

MAC(K，M):用密鑰K加密的消息認(rèn)證碼。

F(PC1，PC2):中間節(jié)點(diǎn)融合函數(shù)。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)在確定其部署位置之后，分別保存上述的四個(gè)密鑰即與其孫子，孩子，父親，祖父之間的密鑰對(duì)。這個(gè)密鑰只建立一次，建立后不更換。圖2是一個(gè)簡(jiǎn)化的傳感器層次網(wǎng)絡(luò)模型:假設(shè)只有葉子節(jié)點(diǎn)A、B、C、D感應(yīng)數(shù)據(jù)。

圖2 節(jié)點(diǎn)層次簡(jiǎn)化圖

在SPDAA算法中，節(jié)點(diǎn)的傳送數(shù)據(jù)模式如下:

步驟1 節(jié)點(diǎn)A向其父親節(jié)點(diǎn)E發(fā)送數(shù)據(jù):

A→E:IDA，NA，PCA，Era/Ema，

上述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為節(jié)點(diǎn)A發(fā)送給其父節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，其中包括節(jié)點(diǎn)A的ID，隨機(jī)數(shù)據(jù)nonce，節(jié)點(diǎn)生成的模式碼，剩余能量與初始能量的百分比，以及兩個(gè)消息認(rèn)證碼。其中第一個(gè)是用節(jié)點(diǎn)A與其父節(jié)點(diǎn)E之間共享密鑰加密的消息認(rèn)證碼，被稱(chēng)作一跳消息認(rèn)證碼——One Hop MAC(OHM)。第二個(gè)消息認(rèn)證碼是用與其祖父節(jié)點(diǎn)G之間共享密鑰加密的消息認(rèn)證碼，被稱(chēng)作兩跳消息認(rèn)證碼——Two Hop MAC(THM)。這兩個(gè)消息認(rèn)證碼實(shí)現(xiàn)父節(jié)點(diǎn)、祖父節(jié)點(diǎn)分別認(rèn)證消息來(lái)源。

步驟2 節(jié)點(diǎn)B類(lèi)似的發(fā)送消息給中間節(jié)點(diǎn)E，E根據(jù)與孩子節(jié)點(diǎn)A，B之間共享的密鑰，來(lái)認(rèn)證是否是A，B節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的消息(詳解見(jiàn)認(rèn)證算法描述)，然后，節(jié)點(diǎn)E根據(jù)融合算法融合其接收到的數(shù)據(jù)。并發(fā)送如下消息給其上層節(jié)點(diǎn):

這樣節(jié)點(diǎn)G利用THM就可以根據(jù)E發(fā)來(lái)的消息，直接認(rèn)證A，B節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的源數(shù)據(jù)，同時(shí)利用OHM來(lái)認(rèn)節(jié)點(diǎn)E是否有篡改融合數(shù)據(jù)。

節(jié)點(diǎn)F的數(shù)據(jù)處理過(guò)程類(lèi)似于節(jié)點(diǎn)E。

步驟3 同理，節(jié)點(diǎn)G認(rèn)證通過(guò)后，向基站發(fā)送數(shù)據(jù)，基站可以通過(guò)驗(yàn)證THM來(lái)證實(shí)節(jié)點(diǎn)G是否有篡改數(shù)據(jù)。

這樣基站收到來(lái)自G以及其他的分支的消息之后，根據(jù)模式碼計(jì)算其融合值，并確定最終的被選節(jié)點(diǎn)的集合，然后反饋被選節(jié)點(diǎn)給網(wǎng)絡(luò)。被選節(jié)點(diǎn)再根據(jù)一定的加密算法，安全的傳送原始感應(yīng)數(shù)據(jù)給基站，而中間節(jié)點(diǎn)不需要對(duì)接受到的消息進(jìn)行解密，直接向上轉(zhuǎn)發(fā)。

2.2 認(rèn)證算法

還是利用圖2來(lái)描述，當(dāng)節(jié)點(diǎn)G接受到節(jié)點(diǎn)E發(fā)來(lái)的消息后，它可以根據(jù)E發(fā)來(lái)的消息，分別認(rèn)證其孩子節(jié)點(diǎn)，以及孫子節(jié)點(diǎn)。以確認(rèn)其子孫節(jié)點(diǎn)是否篡改消息:

首先，利用KG，A來(lái)計(jì)算MAC，并將結(jié)果與E發(fā)過(guò)來(lái)的 MAC(KA，G，PCA‖NA)作對(duì)比，如果相等，則認(rèn)證了節(jié)點(diǎn)A。同理利用KG，B驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)B。其次，利用KG，E來(lái)計(jì)算G的一跳OHM值，并將結(jié)果與E發(fā)過(guò)來(lái)的 MAC(KE，G，NE‖f(PCA，PCB))，若相等，則說(shuō)明節(jié)點(diǎn)E沒(méi)有篡改消息。

同理，類(lèi)似的可以驗(yàn)證F。一旦認(rèn)證不通過(guò)，節(jié)點(diǎn)可以清楚的知道是其孩子節(jié)點(diǎn)，還是孫子節(jié)點(diǎn)被妥協(xié)了，并且可以清楚的知道具體是哪一個(gè)節(jié)點(diǎn)被俘，一旦監(jiān)測(cè)出異常，就會(huì)全網(wǎng)通知該節(jié)點(diǎn)已經(jīng)被捕獲，并且自動(dòng)的刪除與該節(jié)點(diǎn)之間的共享密鑰。若是中間節(jié)點(diǎn)被俘，如F，在刪除了F之后，節(jié)點(diǎn)由于跟其孫子節(jié)點(diǎn)有共享密鑰，這樣不影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連通性，可擴(kuò)展性比較好。

3 性能分析

SSDAA以及SPDAA協(xié)議都是實(shí)施在TinyOS環(huán)境下的，以下所有的仿真都是通過(guò) TOSSIM(TinyOS mote simulator)仿真工具實(shí)現(xiàn)的。TOSSIM是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)常用的一種仿真工具，它能直接從TinyOS應(yīng)用的組建表編譯仿真程序。最后我們通過(guò)MATlab繪制仿真圖形。

3.1 安全性分析

由于SPDAA協(xié)議采用的是基于兩跳的認(rèn)證方案。由上述認(rèn)證過(guò)程的分析可知，SPDAA協(xié)議可以有效的防止假冒攻擊，減少甚至避免因針對(duì)攻擊時(shí)的盲目拒絕而導(dǎo)致重要數(shù)據(jù)的丟失。

圖3顯示了由于盲目拒絕而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失和攻擊者位置與基站距離之間的變化關(guān)系，有圖可見(jiàn)，SPDAA方案所采用的加密算法在處理盲目拒絕時(shí)相比于SSDAA方案有明顯的優(yōu)勢(shì)，數(shù)據(jù)的丟失率較小。在SSDAA中由于認(rèn)證算法采用的是延遲公布認(rèn)證密鑰的方法，在遇到節(jié)點(diǎn)被攻擊妥協(xié)的情況下，節(jié)點(diǎn)并不能具體指出是哪個(gè)子節(jié)點(diǎn)受到攻擊，只能檢測(cè)出B或者A節(jié)點(diǎn)被妥協(xié)了，因而，采取的是丟棄以B節(jié)點(diǎn)為根的整個(gè)子樹(shù)節(jié)點(diǎn)，這樣數(shù)據(jù)的丟失比較多，甚至可以注意到，數(shù)據(jù)的丟失率是100%。而SPDAA方案使用的兩跳密鑰對(duì)共享方案，中間節(jié)點(diǎn)分別與孩子孫子節(jié)點(diǎn)之間共享密鑰對(duì)，一旦某個(gè)節(jié)點(diǎn)被捕獲，中間節(jié)點(diǎn)可以準(zhǔn)確的判斷被捕獲的節(jié)點(diǎn)，并移除被捕獲的節(jié)點(diǎn)，而不是采取丟失子樹(shù)。相較與協(xié)議SSDAA而言，由于越靠近基站，節(jié)點(diǎn)融合的信息越多，當(dāng)攻擊者的位置越靠近基站時(shí)，該協(xié)議的優(yōu)勢(shì)可以越加凸顯，從而減少有效數(shù)據(jù)的丟失。

圖3 入侵者位置與數(shù)據(jù)丟失率的關(guān)系圖

3.2 能量消耗分析

本文提出的SPDAA協(xié)議在在感知節(jié)點(diǎn)處設(shè)置了差值比較算法，對(duì)減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的冗余度有很顯著的功效。還是利用圖2做比較，其中A、B、C、D節(jié)點(diǎn)中，若是節(jié)點(diǎn)A和C分別計(jì)算到的差值都是小于閾值的，那么它們就直接進(jìn)入休眠狀態(tài)。只有節(jié)點(diǎn)C和D參加本輪的會(huì)話(huà)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模比較大的時(shí)候，優(yōu)勢(shì)就很明顯，所以該方案在節(jié)點(diǎn)分布密集的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下很有優(yōu)勢(shì)。最重要的是可以減少上層節(jié)點(diǎn)的通信量。

SPDAA協(xié)議同時(shí)還考慮了節(jié)點(diǎn)的剩余能量的情況，圖4顯示了沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)能量因素的協(xié)議和SPDAA協(xié)議中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的衰竭率的比較。由于SPDAA協(xié)議中提出了一個(gè)節(jié)點(diǎn)剩余能量和初始能量百分比的因子Er/Em，例如在基站進(jìn)行選擇的時(shí)候，A和C具有相同的模式碼，基站選擇的時(shí)候，通過(guò)比較每個(gè)節(jié)點(diǎn)參加會(huì)話(huà)的頻率的大小，來(lái)確定本輪會(huì)話(huà)選哪個(gè)節(jié)點(diǎn)，盡量減少節(jié)點(diǎn)頻繁發(fā)送消息而導(dǎo)致能量衰竭的情況，有效地延長(zhǎng)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

圖4 網(wǎng)絡(luò)的會(huì)話(huà)輪數(shù)和節(jié)點(diǎn)衰竭比較

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全數(shù)據(jù)融合協(xié)議SPDAA。與SSDAA協(xié)議類(lèi)似，融合操作都是基于無(wú)物理意義的模式碼，從而保證融合過(guò)程中的數(shù)據(jù)保密。SSDAA協(xié)議在解決節(jié)點(diǎn)攻擊問(wèn)題時(shí)往往采用盲目拒絕方式，造成大量有效數(shù)據(jù)丟失。相比較而言，SPDAA協(xié)議采用的是基于兩跳的加密認(rèn)證算法，與SSDAA采用的延遲公布密鑰的認(rèn)證算法相比較，在解決節(jié)點(diǎn)攻擊問(wèn)題方面更有優(yōu)勢(shì)。另外，SPDAA協(xié)議在節(jié)能方面提出了兩點(diǎn)改進(jìn)，可以有效的減少節(jié)點(diǎn)的衰竭度，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。同時(shí)該協(xié)議采用的基于密鑰對(duì)的加密認(rèn)證，不同于SSDAA采用的μTESLA密鑰鏈。在密鑰的管理上相對(duì)簡(jiǎn)單，能耗小。

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