無線傳感器網(wǎng)絡面臨的攻擊與對策*

馬親民，王曉春，戴光智

（1.華中師范大學，湖北 武漢 430079;2.深圳職業(yè)技術學院，廣東深圳 518055）

無線傳感器網(wǎng)絡（wireless sensor networks，WSNs）借助于節(jié)點中內置的形式多樣的傳感器測量所在周邊環(huán)境中的熱、紅外、聲納、雷達和地震波等信號，從而探測包括溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等眾多的物質現(xiàn)象［1］。也正由于WSNs自身的特點:節(jié)點分布隨意，拓撲結構變化快，節(jié)點能量、體積、計算能力受限等，造成了它極容易受到各種形式的攻擊。

按照安全需求，這些攻擊可以分成如下幾類［2］:

1）針對加密與認證的攻擊:這類攻擊有竊聽、數(shù)據(jù)包重傳、數(shù)據(jù)包篡改和欺騙等，標準的加密方式就能保證通信信道的安全和認證，從而防止諸如此類的攻擊。

2）針對網(wǎng)絡可見性的攻擊:這類攻擊常常就是指DoS攻擊，它可以針對傳感器網(wǎng)絡的任何一層進行攻擊。

3）對服務完整性的秘密攻擊:攻擊者的目標是讓網(wǎng)絡接收錯誤的數(shù)據(jù)。例如:攻擊者劫持了一個節(jié)點，從而可以通過它向網(wǎng)絡上注入錯誤的數(shù)據(jù)。

這種日益凸顯的弱點，已經(jīng)成為阻礙WSNs應用發(fā)展的主要障礙。本文結合WSNs的特點，系統(tǒng)地分析了WSNs物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層容易受到的各類攻擊:物理層受到的電波干擾攻擊，鏈路層的數(shù)據(jù)碰撞攻擊并由此引發(fā)的能量衰竭，網(wǎng)絡層中針對路由的攻擊如偽造篡改地址、重發(fā)路由、蟲洞攻擊、Sinkhole攻擊等，傳輸層的泛洪攻擊。本文在分析這些攻擊的機制的基礎上，給出了目前針對這些攻擊的一些有效的對策。

1 物理層的攻擊及其對策

WSNs的物理層負責信道的選擇、載波的產(chǎn)生、信號的探測、調制、數(shù)據(jù)加密等。由于涉及到無線波媒介，無線傳感器網(wǎng)絡一定可能存在著電波干擾。而且，節(jié)點很有可能被安置在惡劣的、不安全的環(huán)境中，這樣極易被攻擊者物理接觸，這就是物理層面臨的2種最有可能的攻擊。

1.1 電波干擾

直接對網(wǎng)絡節(jié)點使用的無線頻率進行干擾就是電波干擾［3］。這種干擾源如果功率很大，足可以破壞整個網(wǎng)絡的通信，即使功率很小，只能影響網(wǎng)絡的很小一部分，但是很多這種小功率的干擾源被隨機地分布在網(wǎng)絡中，也可以阻礙整個網(wǎng)絡的通信。

采用各種形式的擴頻技術就可以有效地應對這種攻擊，尤其以跳頻最為有效，但是擴頻技術的使用為設計帶來更大的復雜度，同時在使用過程中勢必帶來更多的能耗。但是以廉價、低功耗為目標的WSNs，往往采用單一頻率進行通信，因而極易成為此類攻擊的犧牲品。其次，也可以采用低占空比的方式運行，網(wǎng)絡中的節(jié)點絕大部分時間是在休眠的，這樣攻擊者持續(xù)的大功率的電波干擾將以大能耗為代價，很有可能還沒有破壞網(wǎng)絡，它自己就已經(jīng)把能量耗盡［4］。

1.2 物理截獲

WSNs一般有成百上千個傳感節(jié)點，很難對每個節(jié)點進行監(jiān)控和保護，因而，每個節(jié)點都是一個潛在的攻擊點，都能被攻擊者進行物理和邏輯攻擊。另外，傳感器通常部署在無人維護的環(huán)境當中，這更加方便了攻擊者捕獲傳感節(jié)點。當攻擊者截獲了某個節(jié)點，就可以提取出諸如加密密碼之類的敏感數(shù)據(jù)，進而，攻擊者可以篡改該節(jié)點甚至干脆換一個完全受其控制的傀儡節(jié)點［5］。

2 鏈路層的攻擊與對策

數(shù)據(jù)鏈路層負責多路數(shù)據(jù)流的復用、數(shù)據(jù)幀的檢測、媒介訪問控制、錯誤控制等，從而對提供點對點、點對多點提供可靠的通信。這一層的攻擊包括訪問沖突、資源耗竭、不公平等。

2.1 碰 撞

當2個節(jié)點在相同頻率同時進行數(shù)據(jù)發(fā)送的時候，就會發(fā)生碰撞，數(shù)據(jù)包就會出錯，導致接收端的校驗和不匹配，接收端于是把該這些無效的數(shù)據(jù)包丟棄。攻擊者可能有意通過產(chǎn)生一些諸如ACK控制消息之類的數(shù)據(jù)包碰撞，于是，在某些MAC協(xié)議中，將導致指數(shù)級的退避。

典型的抗碰撞的方法是采用糾錯碼（error-correcting codes，ECC）。大多數(shù)的糾錯碼都只能處理低級別的碰撞，比如:環(huán)境或概率誤差。而且，這種編碼方式會給節(jié)點帶來計算上和通信商的額外的開銷。一旦攻擊者破壞的數(shù)據(jù)數(shù)目超過這些編碼能夠糾正的數(shù)據(jù)，這些額外的開銷將變得徒勞。雖然有辦法去檢測這些惡意的碰撞，但是目前為止，尚無完備的對策［6］。

2.2 資源耗竭

攻擊者使用持續(xù)的碰撞將導致節(jié)點能量很快枯竭。以一個簡單鏈路層協(xié)議實體為例，當它發(fā)現(xiàn)發(fā)送出去的數(shù)據(jù)包被破壞的時候，就會重傳，而這些重傳出來數(shù)據(jù)包又會與攻擊者的數(shù)據(jù)包發(fā)生碰撞，而作為接收端的附近節(jié)點會不斷去接收這些被破壞的數(shù)據(jù)，然后進行校驗，于是繼續(xù)重傳、碰撞，周而復始，直至自身和附近節(jié)點的能量儲備被耗盡為止，除非這種毫無希望的重傳被發(fā)現(xiàn)并且被阻止［7］。

一種可能的應對方案是對MAC的數(shù)據(jù)傳輸速率進行限制，這樣就鏈路層就可以忽略額外的數(shù)據(jù)發(fā)送請求，從而阻止由于持續(xù)的重傳導致的能量枯竭［8］。

另一種應對方案是采用時分復用技術，每個節(jié)點只能在自己的時隙中才能傳輸數(shù)據(jù)，這樣有序的安排可以免去對每幀數(shù)據(jù)進行判斷［9，10］。

2.3 不公平

攻擊者間隔地使用上述的鏈路層攻擊，將會導致網(wǎng)絡中的不公平，這也可以看做是一種弱型DoS攻擊。

3 網(wǎng)絡層的攻擊與對策

網(wǎng)絡與路由層通常按照如下的原則進行設計:

1）因節(jié)點能量有限，因此，能效是要考慮的首要問題，所有的設計工作必須考慮能效;

2）網(wǎng)絡以數(shù)據(jù)為中心;

3）傳感器網(wǎng)絡是基于屬性進行尋址的（attribute-based addressing），不必像傳統(tǒng)網(wǎng)絡都有一個唯一的標識（ID）。

這一層的攻擊包含如下一些種類。

3.1 捏造、修改和重傳路由信息

針對路由協(xié)議最直接的攻擊就是以正在節(jié)點間交換的路由信息為目標。攻擊者可能會捏造、篡改或者重傳路由信息，以破壞網(wǎng)絡中正常的通信，包括創(chuàng)建路由回環(huán)、引誘或排斥來自某些節(jié)點的數(shù)據(jù)、擴展或縮短網(wǎng)絡源路由、產(chǎn)生偽造錯誤信息、分割網(wǎng)絡、增加端對端的傳輸時延等［11］。

相應的對策是在發(fā)送的消息后面附加上一個消息驗證碼（message authentication code，MAC）。這樣接收端就會通過該MAC以確認數(shù)據(jù)是否在傳輸過程被改動過。通過向數(shù)據(jù)中加入計數(shù)器或者時間戳，可以應對重傳路由的問題。

3.2 選擇性轉發(fā)

在多跳網(wǎng)絡中，通常假設所有的節(jié)點都是準確無誤地轉發(fā)接收到的數(shù)據(jù)。于是攻擊者就會創(chuàng)建惡意節(jié)點，它們不是轉發(fā)所有的數(shù)據(jù)，而是選擇性轉發(fā)一些，其他的數(shù)據(jù)直接丟棄。黑洞攻擊就是這種形式的實例，因為該惡意節(jié)點把所有接收到的數(shù)據(jù)全部丟棄，沒有任何數(shù)據(jù)出來，猶如網(wǎng)絡中的黑洞一般。

一種應對措施是使用多種路徑來多次傳輸數(shù)據(jù)，這個顯然增大了通信量和能耗，但可以盡量避免數(shù)據(jù)經(jīng)過這些惡意節(jié)點而被無端丟棄。另一種措施是檢測出存在的惡意節(jié)點，并視其為無效節(jié)點，或者尋找另外的路由避免數(shù)據(jù)經(jīng)由惡意節(jié)點。

3.3 Sinkhole攻擊

在Sinkhole攻擊中，攻擊者通過偽造路由信息，使得被劫持的節(jié)點在周圍節(jié)點看起來能夠提供非常好的路由。于是周圍的節(jié)點都選擇被劫持節(jié)點來轉發(fā)自己的數(shù)據(jù)包。因為網(wǎng)絡中的大面積范圍內的數(shù)據(jù)都將流向這個對手的節(jié)點，這種攻擊非常容易實現(xiàn)選擇性轉發(fā)。

3.4 Sybil攻擊

Sybil攻擊是一個對WSNs非常有害的攻擊方式，Sybil攻擊就是指一個惡意的設備或節(jié)點違法地以多個身份出現(xiàn)，通常把這個設備或節(jié)點的這些多余的身份稱為Sybil設備或節(jié)點［12，13］。由于多個身份的出現(xiàn)，相關的協(xié)議和算法都會受到影響，如容錯機制、分布式存儲、網(wǎng)絡拓撲維持等。以分布式存儲為例，假設某算法是利用同樣一份數(shù)據(jù)在3個不同地方即節(jié)點存放拷貝的方式來取得一定級別的數(shù)據(jù)冗余，一旦當中有節(jié)點偽裝成為2個節(jié)點，算法就會錯誤地認為已經(jīng)有足夠的冗余度了，可是事實卻絕非如此，于是埋下了隱藏的網(wǎng)絡漏洞。

3.5 蟲洞攻擊

蟲洞（wormhole）攻擊在2個惡意節(jié)點間建立一條隧道，攻擊者在隧道的一端記錄接收到的數(shù)據(jù)包，通過此隧道將數(shù)據(jù)包傳遞到隧道的另一端，然后再重放。對選擇最短路徑的路由協(xié)議來說，蟲洞將吸引較大的網(wǎng)絡流量。因為在一般情況下，隧道的長度大于一跳距離，但在路由上卻表現(xiàn)為一跳距離，這樣，節(jié)點在選擇路由時肯定傾向于蟲洞所在的路徑。更重要的是，蟲洞攻擊如果成功，攻擊者就能夠以此進行更多的攻擊。例如:攻擊者可以主動丟包或者改變數(shù)據(jù)包內容。

對于蟲洞攻擊，目前已經(jīng)提出了一些檢測和防御的方法，其中最常用的就是包束縛，就是在每個數(shù)據(jù)包中添加束縛信息以限定包的傳輸距離。束縛信息有2種:一種是地理束縛，發(fā)送方將其位置信息和發(fā)送時間添加到包中，接收方根據(jù)自身位置和接收時間估算出發(fā)送方到接收方的最大距離，如果估算出的最大距離超過單跳傳輸距離，則丟棄該數(shù)據(jù)包;另一種是時間束縛，這種方法假設無線電信號的最大傳輸速率等于光速，因此，數(shù)據(jù)包的生存期可以使用最大傳輸距離和光速計算得到。發(fā)送方將包的生存期加入到包中，接收方根據(jù)接收時間檢查包是否超時。

3.6 Hello洪水攻擊

很多的路由協(xié)議，都通過HEELO報文來確定鄰居關系:當一個節(jié)點能收到HELLO報文的時候，就認為該報文源節(jié)點在自己的無線電波范圍以內，即是自己的鄰居節(jié)點。攻擊者就會使用一個大功率的發(fā)送器的惡意節(jié)點去發(fā)送HELLO報文，使得一個很大范圍內的節(jié)點都誤以為這個惡意節(jié)點是自己的鄰居。

3.7 確認欺騙

WSNs中的路由協(xié)議大都要求使用確認機制。攻擊節(jié)點就會在竊聽到發(fā)往別處的數(shù)據(jù)包后，發(fā)出欺騙的確認消息，從而造成源節(jié)點對網(wǎng)絡的誤讀。例如:節(jié)點（由于某種原因）已經(jīng)失效，應該沒有回應，也就沒有確認消息，可是確認的消息會讓源節(jié)點誤認為該節(jié)點依然工作正常。

4 傳輸層的攻擊與對策

傳輸層負責管理端對端的連接，這一層的主要攻擊有:泛洪（flooding）和去同步（desynchronization）。

4.1 泛洪攻擊

只要傳輸層的協(xié)議需要在連接的兩端維持狀態(tài)，那么，該協(xié)議就容易受到泛洪攻擊而導致內存耗盡。攻擊者通過不斷地連接請求，不斷地消耗接收端節(jié)點的內存和增加連接數(shù)，最終將使其內存耗盡或者使得其到達最大允許連接數(shù)。于是，后來的合法連接請求也會被忽略［14］。

一種應對措施是，對每個建立的連接進行限制，從而降低連續(xù)發(fā)起無用連接請求的速度，自然也就不會耗盡節(jié)點的資源。

4.2 去同步

去同步實際就是破壞已經(jīng)建立好的連接。當某節(jié)點正在等待數(shù)據(jù)時，攻擊者故意發(fā)出一些虛假數(shù)據(jù)給它，該節(jié)點收到后發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有錯，會誤認為數(shù)據(jù)傳輸過程中發(fā)生錯誤，一方面會去糾錯，另一方面可能要求源節(jié)點重發(fā)該數(shù)據(jù)。如果這種攻擊的時機切入很好的話，很可疑就會降低甚至會完全阻止已經(jīng)建立好連接的端對端的數(shù)據(jù)傳輸，因為這些節(jié)點會消耗寶貴的能量試圖去糾正原本不存在的錯誤［15］。

最好的應對措施就是要求端對端的所有數(shù)據(jù)包都要求進行驗證，這樣可以避免那些虛假的、捏造的數(shù)據(jù)傳輸。很顯然，這種應對措施是用復雜的計算和能量消耗換來的。

5 結束語

本文采用分層模式將WSNs各層所面臨的安全威脅和可能受到的攻擊進行了分析，并且根據(jù)發(fā)生的原理，給了相應的對策。WSNs以其低功耗、低復雜度、低成本等優(yōu)點越來越多的被用在各個監(jiān)控領域，但是也是這些特點導致了WSNs很容易受到各種各樣的擊，如物理層的電磁波干擾將直接導致信息無法正常傳輸，在數(shù)據(jù)鏈路層的由于數(shù)據(jù)包碰撞將會導致節(jié)點不斷重發(fā)數(shù)據(jù)導致能量的快速衰竭，在網(wǎng)絡層面臨的更多的各種欺騙導致網(wǎng)絡結構的混亂，在傳輸層的洪水攻擊也會最終使得節(jié)點的能夠耗盡。所有這些種種攻擊在設計網(wǎng)絡的時候就要多加分析，加以防范，才能使得WSNs更加健壯。

［1］任豐原，黃海寧，林 闖.無線傳感器網(wǎng)絡［J］.軟件學報，2003，14（7）:1282 －1291.

［2］Akyildiz I F，Su W，Sankarasubramaniam Y，et al.Wireless sensor networks:A survey［J］.Computer Networks，Elsevier Science，2002，38（4）:393 －422.

［3］朱政堅，譚慶平.無線傳感器網(wǎng)絡安全研究綜述［J］.計算機工程與科學，2008，30（4）:101 －105.

［4］Mpitziopoulos A，Gavalas D，Konstantopoulos C，et al.A survey on jamming attacks and countermeasures in WSNs［J］.Communications Surveys＆ Tutorials，IEEE，2009，11（4）:42 －56.

［5］Wang Yong，Garhan A，Byrav R.A survey of security issues in wireless sensor networks［J］.Communications Surveys ＆ Tutorials，IEEE，2006，8（2）:2 －23.

［6］Xiao Yang，Chen Hsiao-hwa ，Sun Bo，et al.MAC security and security overhead analysis in the IEEE 802.15.4 wireless sensor networks［J］.EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking，2006（2）:1 －12.

［7］Wood A D，Stankovic J A.Denial of service in sensor networks［J］.IEEE Computer，2002（8）:54 －62.

［8］Aymond R D R，Midkiff S F.Denial of service in wireless sensor networks:Attacks and defences［J］.IEEE Security and Privacy，2008，7（1）:74 －81.

［9］Pelechrinis M I K，Krishnamurthy S V.Denial of service attacks in wireless networks:The case of jammers［J］.IEEE Communications Surveys＆ Tutorials，2011（2）:1 －13.

［10］廖傳書，韓 屏.無線傳感網(wǎng)絡的沖突感知MAC協(xié)議研究［J］.計算機應用，2007（7）:1572－1575.

［11］Karlof C，Wagner D.Secure routing in wireless sensor networks:Attacks and countermeasures［J］.Ad Hoc Networks，2003，1（2－3）:293－315.

［12］余 群，張建明.無線傳感器網(wǎng)絡中的Sybil攻擊檢測.［J］.計算機應用，2006（12）:2897－2902.

［13］Ssu K F，Wang W T.Detecting sybil attacks in wireless sensor networks using neighboring information［J］.Computer Networks，2009，53（18）:3042 －3056.

［14］Marsh D W，Baldwin R O.A security policy language for wireless sensor networks［J］.Journal of Systems and Software，2009，82（1）:101－111.

［15］Shon T，Koo B，Choi Hyohyun，et al.Security architecture for IEEE 802.15.4-based wireless sensor networks［C］//Proceedings of the 4th International Conference on Wireless Pervasive Computing，2009:294 －298.