無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全事件及邊界檢測(cè)研究

疏國(guó)會(huì)， 金鑫， 陳偉

1．安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院圖文信息中心，安徽 安慶 246008；2．安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心，安徽 安慶 246008

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是無線自組織網(wǎng)絡(luò)的形式之一，其無固定基礎(chǔ)設(shè)施、無中心、終端路由合一、自動(dòng)多跳、移動(dòng)分散部署的典型特征，在軍事偵察、生態(tài)環(huán)境感知、搶險(xiǎn)救援、傳感醫(yī)療、智慧交通及智能管家等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1].然而，由其自身特征所引發(fā)的信息安全也對(duì)其有效應(yīng)用帶來嚴(yán)重挑戰(zhàn).

1 無線自組織網(wǎng)絡(luò)與傳感器網(wǎng)絡(luò)

1.1 無線自組織網(wǎng)絡(luò)

以有無固定基礎(chǔ)設(shè)施為分類標(biāo)準(zhǔn)，無線網(wǎng)絡(luò)分為蜂窩式網(wǎng)絡(luò)和無線自組織網(wǎng)絡(luò).蜂窩式網(wǎng)絡(luò)建有固定基礎(chǔ)設(shè)施，終端節(jié)點(diǎn)可以移動(dòng)，它通過無線鏈路接入到基礎(chǔ)設(shè)施，基礎(chǔ)設(shè)施中的節(jié)點(diǎn)在源點(diǎn)和目的地之間傳送數(shù)據(jù)，終端節(jié)點(diǎn)不從其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，且節(jié)點(diǎn)在基礎(chǔ)設(shè)施中是固定的.在無線自組織網(wǎng)絡(luò)中，沒有固定的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，數(shù)據(jù)包通過路由算法自主實(shí)現(xiàn)多次跳轉(zhuǎn)到達(dá)目的地，傳感器節(jié)點(diǎn)(Sensor Node，以下簡(jiǎn)稱為節(jié)點(diǎn))的作用既可以是主機(jī)，也可以是路由器，能通過其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)可能會(huì)移動(dòng)，其不固定性就可能導(dǎo)致傳輸路由的不確定性，從而使得自組織網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有可變性[2].

在無線自組織網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)可以自由移動(dòng)，并不局限在某一固定的地理范圍，它能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男枰?，自主?shí)現(xiàn)主機(jī)和路由器兩種角色的轉(zhuǎn)換，所以無線自組織網(wǎng)絡(luò)及其節(jié)點(diǎn)具有自形成、自配置和自愈算法的明顯特征[3].這些特征，使得無線自組織網(wǎng)絡(luò)在軍事通信中得到廣泛應(yīng)用[4].此外，它還在臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)緊急部署、健康狀況監(jiān)測(cè)、環(huán)境控制等智能自治網(wǎng)領(lǐng)域也具有明顯優(yōu)勢(shì).

1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)部署在特定被觀察事物內(nèi)或接近某事物的無線自組織網(wǎng)絡(luò)，具有無線自組織網(wǎng)絡(luò)的所有特征.傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的位置無需預(yù)先設(shè)計(jì)和確定，可以在預(yù)定目標(biāo)內(nèi)或其邊緣進(jìn)行隨機(jī)部署，它的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法具有自組織能力[5].

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都配有一個(gè)板載處理器(On-board Processor),節(jié)點(diǎn)利用其處理能力進(jìn)行本地簡(jiǎn)單計(jì)算和節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作.傳感器節(jié)點(diǎn)可以感知現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組建，并最終將數(shù)據(jù)傳送出來，其間若部署有執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)(Actuator Node)的話，可以控制執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)來執(zhí)行某設(shè)備的開關(guān)指令，則威力更為巨大.其分布結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
Fig.1 Topological Structure of Wireless Sensor Network and Actuator Network

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)典型應(yīng)用

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)可以通過撒播的方式在指定事件范圍內(nèi)或其外圍邊緣進(jìn)行隨機(jī)部署，在復(fù)雜系統(tǒng)的安全、監(jiān)測(cè)、控制和驅(qū)動(dòng)以及室內(nèi)外環(huán)境的細(xì)粒度監(jiān)控等方面具有廣闊的潛在應(yīng)用.

在軍事應(yīng)用方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是軍事指揮、控制、通信、計(jì)算機(jī)、情報(bào)、監(jiān)測(cè)、偵察和目標(biāo)捕獲(Command，Control，Communications，Computers，Intelligence，Surveillance，Reconnaissance and Targeting，C4ISRT)系統(tǒng)的主要部分[6]，常用于盟軍追蹤、戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、偵查、目標(biāo)捕獲、戰(zhàn)斗損傷評(píng)估和化學(xué)、生物、放射和核(Chemical，Biological，Radiological and Nuclear，CBRN)檢測(cè).

在環(huán)境應(yīng)用方面，可以使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行棲息地監(jiān)測(cè)跟蹤物種的移動(dòng)、農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)環(huán)境感知控制、大規(guī)模土地監(jiān)測(cè)和生化檢測(cè)等.

在商業(yè)應(yīng)用方面，可以在庫(kù)存管理、生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)測(cè)、身體健康監(jiān)控、材料(部件)疲勞監(jiān)測(cè)、智能樓宇環(huán)境控制等領(lǐng)域發(fā)揮作用.在醫(yī)療領(lǐng)域，可以將無線傳感器植入人體，利用其通信能力，完成人體指標(biāo)持續(xù)檢測(cè)、人工免疫系統(tǒng)建立以及癱瘓肌肉持續(xù)刺激等多種目的，其相關(guān)應(yīng)用和安全體系研究正成為熱點(diǎn).

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全事件分析

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用的同時(shí)，干擾其有效應(yīng)用的安全事件也給人們帶來巨大挑戰(zhàn)：無線媒介的載荷能力和差錯(cuò)控制、傳輸信號(hào)的碰撞和干擾、節(jié)點(diǎn)故障的拓?fù)渚S護(hù)、節(jié)點(diǎn)定位和時(shí)鐘同步、生產(chǎn)成本、功耗、可擴(kuò)展性，特別是在防御各種自然或人為攻擊所帶來的信息安全事件上，必須能做到快速檢測(cè)和界定，以避免由于誤判可能帶來的嚴(yán)重后果[7].

安全攻擊是破壞他人擁有信息的安全性嘗試，技術(shù)的有效應(yīng)用必須能夠通過安全服務(wù)來防御攻擊，以保證信息安全.安全服務(wù)可分為通信安全和計(jì)算機(jī)安全兩大類(圖2).通信安全服務(wù)能防御經(jīng)由通信鏈路或無意發(fā)射的被動(dòng)或主動(dòng)攻擊，以確保通信業(yè)務(wù)的持續(xù)質(zhì)量，確保秘密數(shù)據(jù)或信息不被未授權(quán)節(jié)點(diǎn)截獲.計(jì)算機(jī)安全服務(wù)用來保證計(jì)算機(jī)軟硬件安全，探測(cè)節(jié)點(diǎn)或主機(jī)的安全威脅，能自動(dòng)從攻擊中恢復(fù)特定節(jié)點(diǎn)或主機(jī)[8].

按照安全攻擊的方式來劃分，安全攻擊可分為被動(dòng)攻擊方式和主動(dòng)攻擊方式[9].被動(dòng)攻擊方式是以獲取機(jī)密數(shù)據(jù)為目的，敵方并沒有進(jìn)行主動(dòng)干擾正常通信的行為；主動(dòng)攻擊方式是敵方實(shí)施了惡意破壞的行為，影響數(shù)據(jù)的機(jī)密性和完整性，以未經(jīng)授權(quán)訪問或干擾成功通信為目標(biāo)[10].在被動(dòng)攻擊中，攻擊者進(jìn)行偽裝或隱藏，實(shí)施線路竊聽來收集數(shù)據(jù)，通過流量分析來發(fā)現(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn).被動(dòng)攻擊行為如圖3所示.

圖2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息安全因素
Fig.2 Factors of wireless sensor network information security

圖3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被動(dòng)攻擊行為
Fig.3 Presentations of wireless sensor network when it is attacked

在主動(dòng)攻擊中，敵方的行為直接影響到受攻擊網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)轉(zhuǎn)，可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)服務(wù)下降或中斷.與被動(dòng)攻擊不同的是，主動(dòng)攻擊的目的通常能通過技術(shù)手段加以檢測(cè).主動(dòng)攻擊行為如圖4所示.

圖4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主動(dòng)攻擊行為
Fig.4 Presentations of wireless sensor network when it attack actively

4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全事件的邊界檢測(cè)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是分布有大量無線傳感器節(jié)點(diǎn)的自組織網(wǎng)絡(luò)，其目的是為后方管理控制人員提供盡可能準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài).由于敵方大量安全攻擊事件的存在，系統(tǒng)必須具有快速檢測(cè)判斷出安全事件的能力.實(shí)際上，安全事件一旦發(fā)生，受影響的往往不是單個(gè)的節(jié)點(diǎn)，而是會(huì)影響到一片區(qū)域或特定空間，該區(qū)域或空間內(nèi)的節(jié)點(diǎn)均受事件影響，能檢測(cè)出相同的事件[11].因此，要判斷一個(gè)安全事件的發(fā)生，需要依靠多個(gè)節(jié)點(diǎn)的共同協(xié)作來完成[12].例如：一次化學(xué)攻擊可以污染大片區(qū)域，使得該區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出不同于未污染區(qū)域的明顯特征；一次輻射攻擊可以使以攻擊點(diǎn)為中心的特定半徑內(nèi)的節(jié)點(diǎn)工作異常.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在工作時(shí)必須能夠清晰地識(shí)別所受影響的區(qū)域或空間，確定該區(qū)域或空間的邊界，這就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全事件的邊界檢測(cè)[13].

基于區(qū)域的概念，我們用二維歐幾里得平面R2來表示.如圖5所示.

圖5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平面分布
Fig.5 Horizontal distribution of wireless sensor network

假設(shè)：在平面R2里，n個(gè)節(jié)點(diǎn)分布較為均勻.

定義：

(1)E表示的事件，是R2的子集；

(2)當(dāng)以x為中心的任意面均包含了E內(nèi)和E外的點(diǎn)，且x∈R2時(shí)，稱x在E的邊界里.

根據(jù)以上分析可知，一個(gè)感受到安全事件的傳感器的測(cè)量值特征應(yīng)不是孤立的，與其附近的事件具有相關(guān)性.反過來說，這些事件也能被邊界里的其他節(jié)點(diǎn)檢測(cè)出來[14].但由于應(yīng)用場(chǎng)景復(fù)雜，不排除個(gè)別傳感器因其自身原因，導(dǎo)致讀數(shù)異常，這些節(jié)點(diǎn)我們稱之為錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)，如果不加以排除，勢(shì)必會(huì)影響到安全邊界的準(zhǔn)確檢測(cè)，從而影響決策.因此，當(dāng)一個(gè)事件發(fā)生后，要能準(zhǔn)確地檢測(cè)出事件發(fā)生的邊界，應(yīng)分為兩個(gè)步驟：第一步是進(jìn)行錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)檢測(cè)并將其剔除；第二步是事件邊界節(jié)點(diǎn)檢測(cè)，求得邊界集[15].

4.1 錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)剔除

設(shè)

(1)Si是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的某一傳感器，xi為Si的讀數(shù)；

(2)Nei(Si)表示傳感器Si附近鄰居的集合，假設(shè)鄰居的數(shù)量為k，其讀數(shù)分別用xi1,xi2,…,xik表示；medi為{xi1,xi2,…,xik}的中位數(shù)；di為xi和{xi1,xi2,…,xik}的中位數(shù)的差值.

所以有di=xi-medi.

根據(jù)中位數(shù)的定義與算法，medi是過濾出極值的{xi1,xi2,…,xik}樣本中心的魯棒估計(jì)值.計(jì)算時(shí)先將{xi1,xi2,…,xik}按有序排列，取值計(jì)算及條件偽代碼如(1)式所示.

(1)

為方便計(jì)算和比較di的值，設(shè)平面R2內(nèi)傳感器的總個(gè)數(shù)為n，集合為S，記為S={S1,…,Si,…,Sn}，如圖6所示，則有：

S?R2Nei(Si)?SS?Nei(S1)∪…∪Nei(Si)∪…∪Nei(Sn)

圖6中，分別計(jì)算出集合S中各傳感器{S1,…,Si,…,Sn}的差值，用集合D表示，記為D={d1,…,di,……,dn}.

檢測(cè)節(jié)點(diǎn)Si是否為錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)，判斷依據(jù)是比較其差值di與集合S中其附近的n-1個(gè)傳感器的差值d是否過大.

圖6 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)鄰居集
Fig.6 Neighbor set of wireless sensor network

根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，應(yīng)求出集合D的均值μ和標(biāo)準(zhǔn)方差σ[7]

(2)

(3)

設(shè)節(jié)點(diǎn)Si的標(biāo)準(zhǔn)化差值為yi1，則有：

(4)

根據(jù)(2)式、(3)式、(4)式求出集合S中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化差值，記為集合Y，有Y={y11,…,yi1,…,yn1}.在無線傳感器實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，設(shè)門限值為θ1，可以認(rèn)為當(dāng)|yi1|≥θ1時(shí)，認(rèn)為Si是錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)，反之即為正常節(jié)點(diǎn).從上述判斷關(guān)系可以看出，θ1值是一個(gè)關(guān)鍵值，若設(shè)置過低，正常節(jié)點(diǎn)也可能被判斷為錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)，反之若設(shè)置過高，有些錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)就有可能不被發(fā)現(xiàn)，從而影響到安全事件邊界的判斷.在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下，θ1值是不一樣的，建議開發(fā)者通過仿真或現(xiàn)場(chǎng)部署檢測(cè)，加以訓(xùn)練來獲得θ1經(jīng)驗(yàn)值.

4.2 事件邊界節(jié)點(diǎn)檢測(cè)

在上一節(jié)中，通過對(duì)集合S中各傳感器節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)其中的錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)，設(shè)錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)的集合為M1，那么正確節(jié)點(diǎn)的集合即為S-M1.在正確節(jié)點(diǎn)集合S-M1中，節(jié)點(diǎn)Si的鄰域就有可能不再是Nei(Si)，應(yīng)是一個(gè)不大于Nei(Si)的集合.為方便描述，我們記S-M1中的節(jié)點(diǎn)為Sj，設(shè)其鄰域?yàn)镹ei(Sj)，為求得事件的邊界，需要使用上節(jié)的方法計(jì)算Sj在新鄰域Nei(Sj)中的dj.

對(duì)于節(jié)點(diǎn)Sj而言，要判斷它是不是事件邊界節(jié)點(diǎn)，可以以Sj為中心，將其鄰域Nei(Sj)分割為三個(gè)120°的扇區(qū)，如圖4所示.假設(shè)Sj是安全事件的邊界節(jié)點(diǎn)，則Sj能感受到事件的發(fā)生，且Sj的鄰域Nei(Sj)中落在扇區(qū)C中的節(jié)點(diǎn)也能檢測(cè)到事件發(fā)生，扇區(qū)A和扇區(qū)B的節(jié)點(diǎn)則不受安全事件的影響.這樣，節(jié)點(diǎn)Sj與扇區(qū)A內(nèi)節(jié)點(diǎn)的差值djA、與扇區(qū)B內(nèi)節(jié)點(diǎn)的差值djB會(huì)比與扇區(qū)C內(nèi)節(jié)點(diǎn)的差值djC大.符合此特性的，可以判斷節(jié)點(diǎn)Sj是事件邊界節(jié)點(diǎn)，反之則不是.

根據(jù)以上分析，可以設(shè)計(jì)安全事件邊界節(jié)

圖7 鄰域分割與事件邊界
Fig.7 Neighborhood segmentation and event boundary

點(diǎn)的算法偽代碼如下

Si∈S;

M1=φ;

for (i=1;i<=n;i++);

if(Si為錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn))//判斷方法詳見4.1

M1=M1+Si;

Sj∈S-M1;

θ2賦值;//θ2為根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景訓(xùn)練所得的經(jīng)驗(yàn)值

M2=?;

for(j=1;i<=k;j++)//k為非錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)數(shù)量

{

求得Sj的鄰域Nei(Sj);

將Nei(Sj)分割成三個(gè)120°的扇區(qū)；

計(jì)算每個(gè)扇區(qū)的差值djA、djB和djC;

dj=max(djA,djB,djC);

求得均值μ、標(biāo)準(zhǔn)方差σ和yj;//計(jì)算方法詳見4.1

if (|yj|>=θ2)

M2=M2+Sj;

}

//M2即為邊界節(jié)點(diǎn)集合

4.3 事件邊界節(jié)點(diǎn)清洗

在4.2算法中，求解結(jié)果M2即為安全事件邊界節(jié)點(diǎn)的集合.但在實(shí)際應(yīng)用中，在4.1中剔除的錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)有可能就是邊界節(jié)點(diǎn)，由于它被事先排除，所以這些節(jié)點(diǎn)就不可能進(jìn)入M2，反而靠近它的界內(nèi)界外的非邊界節(jié)點(diǎn)有可能進(jìn)入M2，形成偏差.根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的建設(shè)需求，如果需要進(jìn)一步提高分辨精度，可以提供如下思路：作為安全事件的邊界節(jié)點(diǎn)，一定是一個(gè)閉環(huán)形態(tài)，而不會(huì)是孤立點(diǎn)，根據(jù)這個(gè)邏輯推斷，一個(gè)邊界節(jié)點(diǎn)的一定距離內(nèi)一定至少會(huì)有一個(gè)其他邊界節(jié)點(diǎn).也就是說，如果在4.2中被判定為邊界節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)在指定的距離內(nèi)有其他邊界節(jié)點(diǎn)存在，則該節(jié)點(diǎn)是真邊界節(jié)點(diǎn).在4.2算法的基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步進(jìn)行清洗操作.

Sp∈M2;

Sq=M2;

θ3賦值;//θ3為根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景訓(xùn)練所得的經(jīng)驗(yàn)值

M3=?

for(p=1;p<=w;p++)//w為M2中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量

{

for(diff=0,q=1;q<=w;q++)

{

計(jì)算dpq; //dpq為Sp和Sq兩節(jié)點(diǎn)間的距離

if(p<>q&& diff>dpq)

diff=dpq;

}

if(diff<=θ3)

M3=M3+Sp;

}

//M3即為校準(zhǔn)后的邊界節(jié)點(diǎn)集合

5 結(jié)束語(yǔ)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所具有的散點(diǎn)式、自組織，且與場(chǎng)景結(jié)構(gòu)和地形弱關(guān)聯(lián)的特性，使其節(jié)點(diǎn)可以快速、大規(guī)模部署，在軍事通信、敵情偵察、抗災(zāi)救災(zāi)、臨時(shí)應(yīng)急組網(wǎng)等方面具有廣闊的應(yīng)用空間.但其彈性路由和無線媒介的功能和實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)如果被敵方所利用或被突發(fā)事件破壞，所帶來的后果和損失也將是不可估量的.因此，在實(shí)際應(yīng)用中，如果無線傳感器網(wǎng)絡(luò)遭到攻擊或破壞等安全事件，應(yīng)能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)和探測(cè)，移除錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)，避免在決策時(shí)受其干擾；準(zhǔn)確界定所發(fā)生安全事件的區(qū)域和邊界，評(píng)估所影響的深度和范圍，進(jìn)而推測(cè)敵方的活動(dòng)區(qū)域和攻擊手段，為我方有效利用網(wǎng)絡(luò)提供決策保障.未來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù)的互促下得到更廣泛的應(yīng)用，其安全問題也將會(huì)同生共長(zhǎng)，給我們帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，在安全事件檢測(cè)的方法和手段上也必須進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化，數(shù)據(jù)傳輸和算法效率均有待研究和提高.