王 波
（廣東原創科技有限公司，廣東 惠州 516003）
0 引 言
隨著無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）在多個領域的廣泛應用，如環境監測、健康護理以及工業自動化，其安全性問題日益凸顯。WSN的開放性和分布式特點使其容易受到各種網絡攻擊，從而威脅到數據的保密性、完整性和網絡的可用性。因此，研究和設計有效的安全機制，以保護WSN 免受各種潛在威脅，已成為當前研究的重要課題。
1 無線傳感器網絡概述
1.1 無線傳感器網絡的基本架構與組件
WSN 的架構設計遵循IEEE 802.15.4 標準，定義了低速無線個人區域網絡（Low-Rate Wireless Personal Area Networks，LR-WPANs）的協議。在此架構中，每個傳感器節點通常包括4 個核心組件，即感測單元、處理單元、通信單元以及電源單元。感測單元的主要任務是監測如溫度（精度為±0.1 ℃）、濕度（精度為±3% RH）或光照等環境參數；處理單元負責數據的初步分析和處理，通常達到32 位計算能力，頻率為1 GHz[1]。通信單元遵循ZigBee 協議，這是一種基于IEEE 802.15.4 標準的高層次通信協議，有效通信距離可達100 m。電源單元則提供能量支持，一般采用鋰電池，容量可達2 000 mAh，支持節點連續工作數月或數年。這些節點不僅能收集數據，還能通過無線方式形成自組織、多跳網絡，最終將數據傳輸至中央控制節點。
1.2 無線傳感器網絡的工作原理與數據傳輸過程
在WSN 中，數據傳輸過程遵循特定的路由協議，如低功耗有損網絡的IPv6 路由協議（IPv6 Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks，RPL），這是一種專為低功耗和丟包網絡設計的路由協議。在數據收集階段，傳感器節點按照預設頻率（如每分鐘一次）收集環境數據，然后通過內置的處理單元對數據進行初步處理，如數據壓縮，壓縮比可達4:1。不同路由協議的無線傳感器網絡數據傳輸性能對比如表1 所示。
表1 不同路由協議的無線傳感器網絡數據傳輸性能對比
在數據傳輸過程中，采用多跳傳輸機制，即通過中間節點逐步傳輸至中央控制節點。為確保數據傳輸的高效性和可靠性，WSN 采用鏈路質量指示（Link Quality Indicator，LQI）和接收信號的強度指示（Received Signal Strength Indicator，RSSI）2 個參數來評估鏈路質量。LQI 值的范圍為0 ～255，RSSI值的范圍為-100 ～0 dBm，這2 個參數共同決定數據傳輸路徑的選擇[2]。此外，為了優化能源消耗，WSN 節點采用低功耗操作模式，如睡眠/喚醒機制，使節點在非活動期間進入低功耗狀態。在這種模式下，節點的功耗可以降低到μW 級。
2 無線傳感器網絡的安全需求分析
2.1 數據保密性與隱私保護
在WSN 中，數據保密性是最基礎的安全需求之一。由于傳感器網絡廣泛應用于軍事、健康監護以及工業控制等敏感領域，保證傳輸數據的保密性至關重要。例如，在工業控制系統中，節點采集的數據往往涉及關鍵的生產流程信息，這些數據若被未授權訪問或竊取，則可能導致嚴重的經濟損失或安全事故。因此，WSN 需要采用強大的加密技術來保護數據。在實際應用中，高級加密標準（Advanced Encryption Standard，AES）算法常被用于加密數據，其密鑰長度通常為128 bits，能有效防止大多數的暴力破解嘗試。此外，隱私保護也是一個重要方面。在醫療健康監測系統中，傳感器收集的健康數據可能包含個人敏感信息，這些信息若泄露將直接威脅個人隱私安全。
2.2 數據完整性與驗證
數據完整性是確保數據在傳輸過程中不被篡改。在WSN 中，由于無線通信信道容易受到干擾和攻擊，數據在傳輸過程中面臨著被修改或損壞的風險。例如，在智能交通系統中，交通流量數據的準確性對于交通指揮和控制至關重要。若這些數據被篡改，可能導致交通管理決策失誤，引發交通擁堵甚至事故[3]。因此，WSN 需要采用數據校驗機制，如采用數字簽名或消息認證碼（Message Authentication Code，MAC），以確保數據的完整性。這些機制可以通過對每個數據包附加一個校驗值來實現，校驗值的生成基于共享密鑰，確保只有授權節點能驗證數據的完整性。
2.3 網絡可用性與抗攻擊性
網絡可用性保證網絡能夠抵御各種攻擊，持續穩定運行。WSN 由于其開放的無線通信特性，容易受到不同類型的攻擊，如拒絕服務攻擊（Denial of Service，DoS）和分布式拒絕服務攻擊（Distribution Denial of Service，DDoS）。這些攻擊可能導致網絡通信中斷，影響網絡的正常功能。例如，在環境監測系統中，如果網絡遭受DoS 攻擊，則可能導致關鍵環境數據無法及時傳輸，從而影響對環境狀況的判斷和應對。為了保證網絡的可用性，需要設計有效的網絡管理和監控機制，確保能夠及時檢測網絡攻擊并采取相應的防御措施。
3 無線傳感器網絡安全機制的具體設計
3.1 密鑰管理和分發
在WSN 中，密鑰管理和分發是保障網絡安全的基礎。這一過程嚴格遵循國際加密標準，如NIST SP 800-57，推薦使用的密鑰長度至少為128 bits，以滿足AES 加密標準。為了適應WSN 的資源限制環境，密鑰生成采用基于ANSI X9.31 標準的偽隨機數生成器（Pseudo Random Number Generator，PRNG）， 此標準確保生成的密鑰具有高隨機性和不可預測性。在密鑰分發過程中，利用基于橢圓曲線加密（Elliptic Curves Cryptography，ECC）的Diffie-Hellman 密鑰交換算法，此算法提供比傳統RSA 算法更高的安全性，同時在計算和存儲上更加高效[4]。ECC 的關鍵參數曲線類型選擇secp256r1，這是因為該曲線在保證安全性的同時降低了計算復雜度。無線傳感器網絡密鑰管理和分發的關鍵參數如表2 所示。
表2 無線傳感器網絡密鑰管理和分發的關鍵參數
為了應對密鑰泄露或過時的風險，在網絡中實施動態的密鑰更新機制。這一機制確保每個節點的密鑰每隔一定時間自動更新，通常設置為30 d。更新過程采用安全多播機制，結合時間同步技術，確保所有節點能夠在預定時間窗口內同時完成密鑰更新。更新過程中的數據傳輸采用臨時密鑰進行加密，臨時密鑰由中央控制節點隨機生成，并通過安全的單向通信通道發送給各節點。
3.2 數據加密
數據加密是WSN 中保護傳輸和存儲數據安全的重要環節。根據當前的安全標準，選擇AES-128 作為主要加密算法，其在保證高安全性的同時，對資源受限的傳感器節點的計算和存儲需求較低。加密操作在數據產生的瞬間執行，以確保數據從源頭到目的地的整個傳輸鏈路中始終處于加密狀態。為優化性能，加密過程的處理延遲控制在10 ms 以內，保證網絡的實時性。在存儲方面，所有節點中的數據在存儲前都必須加密，以防止數據在物理攻擊下的泄露。為了提高存儲數據的安全性，存儲加密使用與通信加密不同的密鑰。此外，為應對長期的安全挑戰，網絡中實施了加密算法的動態升級機制，每當出現新的或更安全的加密算法時，系統能夠在不中斷服務的情況下切換到新算法。目前正考慮未來升級到AES-256 算法，以適應更高安全需求的場景。
3.3 身份認證和授權
身份認證過程依賴于公鑰基礎設施（Public Key Infrastructure，PKI），每個節點都配備由中心授權機構簽發的數字證書。這些證書遵循X.509 標準，其中公鑰的推薦長度為2 048 bits，以確保足夠的安全性。身份認證過程采用RSA 簽名算法，其中簽名驗證的平均處理時間保持在50 ms 以內，以滿足網絡的實時性需求。授權機制基于角色的訪問控制（Role-Based Access Control，RBAC）模型。在該模型中，每個節點被分配一個特定的角色，每個角色定義了一組訪問權限[5]。例如，數據收集節點可能被授予發送傳感數據的權限，而沒有訪問網絡配置信息的權限。授權過程中，中心節點根據角色數據庫來驗證請求訪問的節點是否具有相應的權限，數據庫的更新周期設為24 h，以適應網絡角色變化。為了保護認證和授權過程不受到中間人攻擊，所有的認證和授權通信都通過加密通道進行。
3.4 入侵檢測系統
入侵檢測系統（Intrusion Detection Systems，IDS）在WSN 中的設計注重實時監控和快速響應。IDS 綜合使用基于模式的檢測和基于異常的檢測策略。基于模式的檢測依賴于已知攻擊的簽名數據庫，該數據庫每周更新一次，以包含最新的威脅信息。異常檢測則基于網絡行為分析。例如，正常情況下，節點的數據傳輸頻率為每分鐘一次，若發現頻率異常增高，則可能表明網絡受到攻擊。IDS 的處理延遲對于網絡安全至關重要，其設計要求能在30 ms 內識別并響應潛在的安全威脅。此外，系統采用自適應算法，能根據網絡狀態動態調整檢測參數，如在網絡流量高峰時自動調整檢測閾值。在檢測到攻擊時，IDS 能自動觸發防御機制，如隔離惡意節點，其隔離操作應在100 ms內完成。IDS還整合了數據挖掘和機器學習技術，以提高對新型攻擊和復雜攻擊的檢測能力。通過分析歷史安全事件和流量模式，系統能自主學習并適應網絡行為的變化。
3.5 安全路由協議
在WSN 中，安全路由協議的設計至關重要，它需要確保數據在傳輸過程中的安全性和路由的正確性。根據最新的網絡安全標準，如IETF RFC 4944，安全路由協議應支持端到端的加密和認證機制。這要求協議不僅能驗證數據包的來源，還要保證數據在傳輸過程中未被篡改。安全路由協議設計采用基于證書的方法來驗證節點間的通信[6]。每個節點持有由中心授權機構簽發的數字證書，證書遵循X.509 標準，有效期限設置為一年，以確保證書的更新與網絡安全態勢相匹配。路由信息的交換采用RSA 簽名，其中公鑰長度至少為2 048 bits，以適應當前的加密標準。在路由決策過程中，每個數據包都經過基于Hash 的消息認證碼（Hash-Based Message Authentication Code，HMAC）驗證，使用SHA-256 算法，確保信息在多跳傳輸過程中的完整性和真實性。為了提高網絡的抗攻擊能力，安全路由協議設計包括了對常見網絡攻擊類型的防御機制，如蠕蟲攻擊和偽裝路由信息攻擊。在檢測到此類攻擊時，路由協議能夠迅速隔離受影響的節點，并重新計算安全的路由路徑。
4 結 論
文章系統地研究了WSN 的安全機制設計，提供了一種全面且深入的安全框架。從密鑰管理到數據加密，再到身份認證、入侵檢測以及安全路由協議，每個方面都緊密結合WSN的特點，確保了數據的保密性、完整性以及網絡的可用性。特別是對動態密鑰管理和自適應入侵檢測系統的討論，展示了安全策略在面對不斷演變的安全威脅時的靈活性和有效性。該研究為WSN安全領域提供了寶貴的參考，對于設計更加安全、高效的WSN 系統具有重要意義。
