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传感器网络的安全分析


由于传感器网络自身的一些特性,使其在各个协议层都容易遭受到各种形式的攻击。下面着重分析对网络传输底层的攻击形式。


1　物理层的攻击和防御


物理层中安全的主要问题就是如何建立有效的数据加密机制,由于传感器节点的限制,其有限计算能力和存储空间使基于公钥的密码体制难以应用于无线传感器网络中。为了节省传感器网络的能量开销和提供整体性能,也尽量要采用轻量级的对称加密算法。


对称加密算法在无线传感器网络中的负载,在多种嵌入式平台构架上分别测试了RC4、RC5和IDEA等5 种常用的对称加密算法的计算开销。测试表明在无线传感器平台上性能较优的对称加密算法是RC4,而不是目前传感器网络中所使用的RC5。


由于对称加密算法的局限性,不能方便地进行数字签名和身份认证,给无线传感器网络安全机制的设计带来了较大的困难。因此高效的公钥算法是无线传感器网络安全亟待解决的问题。
2　链路层的攻击和防御


数据链路层或介质访问控制层为邻居节点提供可靠的通信通道,在MAC协议中,节点通过监测邻居节点是否发送数据来确定自身是否能访问通信信道。这种载波监听方式特别容易遭到拒绝服务攻击也就是DOS。在某些MAC层协议中使用载波监听的方法来与相邻节点协调使用信道。当发生信道冲突时,节点使用二进制值指数倒退算法来确定重新发送数据的时机,攻击者只需要产生一个字节的冲突就可以破坏整个数据包的发送。因为只要部分数据的冲突就会导致接收者对数据包的校验和不匹配。导致接收者会发送数据冲突的应答控制信息ACK使发送节点根据二进制指数倒退算法重新选择发送时机。这样经过反复冲突,使节点不断倒退,从而导致信道阻塞。恶意节点有计划地重复占用信道比长期阻塞信道要花更少的能量,而且相对于节点载波监听的开销,攻击者所消耗的能量非常的小,对于能量有限的节点,这种攻击能很快耗尽节点有限的能量。所以,载波冲突是一种有效的DOS攻击方法。


虽然纠错码提供了消息容错的机制,但是纠错码只能处理信道偶然错误,而一个恶意节点可以破坏比纠错码所能恢复的错误更多的信息。纠错码本身也导致了额外的处理和通信开销。目前来看,这种利用载波冲突对DOS的攻击还没有有效的防范方法。


解决的方法就是对MAC的准入控制进行限速,网络自动忽略过多的请求,从而不必对于每个请求都应答,节省了通信的开销。但是采用时分多路算法的MAC协议通常系统开销比较大,不利于传感器节点节省能量。


3　网络层的攻击和防御


通常,在无线传感器网络中,大量的传感器节点密集地分布在一个区域里,消息可能需要经过若干节点才能到达目的地,而且由于传感器网络的动态性,因此没有固定的基础结构,所以每个节点都需要具有路由的功能。由于每个节点都是潜在的路由节点,因此更易于受到攻击。无线传感器网络的主要攻击种类较多,简单介绍如下。
3. 1　虚假路由信息


通过欺骗,更改和重发路由信息,攻击者可以创建路由环,吸引或者拒绝网络信息流通量,延长或者缩短路由路径,形成虚假的错误消息,分割网络,增加端到端的时延。
3. 2　选择性的转发


3. 3　污水池( sinkhole)攻击


3. 4　Sybil攻击

在这种攻击中,单个节点以多个身份出现在网络中的其他节点面前,使之具有更高概率被其他节点选作路由路径中的节点,然后和其他攻击方法结合使用,达到攻击的目的。它降低具有容错功能的路由方案的容错效果,并对地理路由协议产生重大威胁女巫。


3. 5　蠕虫洞(wormholes)攻击


攻击者通过低延时链路将某个网络分区中的消息发往网络的另一分区重放。常见的形式是两个恶意节点相互串通,合谋进行攻击。
3. 6　Hello洪泛攻击


很多路由协议需要传感器节点定时地发送HELLO包,以声明自己是其他节点的邻居节点。而收到该Hello报文的节点则会假定自身处于发送者正常无线传输范围内。而事实上,该节点离恶意节点距离较远,以普通的发射功率传输的数据包根本到不了目的地。网络层路由协议为整个无线传感器网络提供了关键的路由服务。如受到攻击后果非常严重。

无线传感器网络的特点


1、 无线传感器网络包括了大面积的空间分布


比如在军事应用方面，可以将无线传感器网络部署在战场上跟踪敌人的军事行动，智能化的终端可以被大量地装在宣传品、子弹或炮弹壳中，在目标地点撒落下去，形成大面积的监视网络。


2、 能源受限制


网络中每个节点的电源是有限的，网络大多工作在无人区或者对人体有伤害的恶劣环境中，更换电源几乎是不可能的事，这势必要求网络功耗要小以延长网络的寿命，而且要尽较大可能的节省电源消耗。


3、 网络自动配置，自动识别节点


这包括自动组网、对入网的终端进行身份验证、防止非法用户入侵。相对于那些布置在预先*地点的传感器网络而言，无线传感器网络可以借鉴ad hoc方式来配置，当然前提是要有一套合适的通信协议保证网络在无人干预情况下自动运行。


4、 网络的自动管理和高度协作性


在无线传感器网络中，数据处理由节点自身完成，这样做的目的是减少无线链路中传送的数据量，只有与其他节点相关的信息才在链路中传送。以数据为中心的特性是无线传感器网络的又一个特点，由于节点不是预先计划的，而且节点位置也不是预先确定的，这样就有一些节点由于发生较多错误或者不能执行*任务而被中止运行。为了在网络中监视目标对象，配置冗余节点是必要的，节点之间可以通信和协作，共享数据，这样可以保证获得被监视对象比较全面的数据。


对用户来说，向所有位于观测区内的传感器发送一个数据请求，然后将采集的数据送到*节点处理，可以用一个多播路由协议把消息送到相关节点，这需要一个一的地址表，对于用户而言，不需要知道每个传感器的具体身份号，所以可以用以数据为中心的组网方式。


5、与移动ad hoc网络的区别


无线传感器网络作为一种分布式传感器网络，和移动ad hoc网络有相似点，但又有很多不同。移动ad hoc网络可以用于没有无线基础设施存在或出于费用和安全方面的考虑不方便设置无线基础设施的场合，而传感器很多时候被布置在近地环境中，地波吸收现象不能被忽视，并且高密度布置的传感器网络中的多用户接口也造成了很高的误比特率。作为移动通信的两种基本组网模式之一，移动ad hoc网络中的传输模型是典型的多对多式，而传感器网中的传输模型更偏向于分层次模型（多对一传输）。一般来说，无线传感器网络的节点比典型的移动终端或手持设备有更多的资源受限要求，但对于计算的要求则是可有可无的，当需要执行计算任务时，如果通信成本比计算成本低，计算任务就被送到中心节点去执行。

位移传感器的典型应用
位移传感器种类较多，目前市场热销的产品（工业级）就有：电位器原理直线位移传感器、拉绳式位移传感器、磁致伸缩位移传感器、LVDT位移传感器、电涡流位移传感器、光栅尺与磁栅尺位移传感器等。其应用范围也非常广泛，较主要的是机械设备行业与汽车领域，除此之外，在建筑、交通、冶金、矿业、环保、医疗、化工与科研实验等领域也有不错的市场。

常用位移传感器分类表


位移传感器在机械设备行业中的应用


机械设备制造与加工行业是我国经济的重要组成部分。随着社会的发展，传统的机械设备制造技术渐渐趋于没落，智能化设备制造技术作为主力军为经济健康发展提供源源不断的新动力。位移传感器在智能化机械设备中主要用于位移测量与位置定位；也可以通过在线监测指示程度，例如LVDT位移传感器、电涡流传感器在特殊机械设备中的振动、涨差或者偏心性能监测，可在设备出现异常状况时提前预警并传输给控制系统做出相应的关联操作；还可以用作限位传感器、速度或者加速度的测量、计数器等。


位移传感器是自动化机械设备控制系统不可缺少的一部分，传感器性能的优劣直接决定了设备控制效果的好坏。较经典应用就是位移传感器在电液伺服控制系统中的应用，通过内置或者外置位移传感器，可以实时检测液压缸气缸的活塞位置，将其转换为成比例关系的电信号反馈给控制系统，经过系统修正与运算后在传输给设备驱动器与执行器，完成闭环控制操作。


位移传感器在汽车制造业中的应用


汽车行业是智能化、集成化程度较高的特殊产业，传感器技术在此领域的应用历久而弥新，各种各样微型化、多功能化、集成化和智能化传感器是汽车或者汽车加工设备不可缺少的重要零配件。


位移传感器在汽车领域的主要应用是对汽车零部件的尺寸检测与组装中的位置定位。为了满足汽车行业的高精准的检测，LVDT位移传感器等高精度传感器已经被广泛地应用在汽车的零部件加工、发动机制造、整车厂的冲压、涂装、焊装、总装等自动化生产中的各种位置检测。


位移传感器在电子制造业中的应用


消费电子类产品的普及使电子制造业得到了迅速发展。在电子制造生产线，无论是自动化生产流水线、工业机器人、还是电子元件的在线与离线检测，常常需要位移传感器的参与。传感器技术的进步直接推动了电子制造业机械设备不断更新，更多高效率、高成品率、高安全性智能设备在电子产业中的应用，全面提升了整体行业的生产能力与生产效率。


位移传感器在工业机器人中的应用


工业机器人性能的提升与制造成本的降低，使现代化企业机器换人成为热潮。工业机器人常需要集成大量的位移传感器、角度传感器、力觉传感器、接近度传感器等，提高机器人的环境适应能力与作业精度。为了**作业人员的安全，工业机器人还需要安装安全传感器，在机器人感知到异常的状况时，能够触发紧急停止，确保作业人员的人身安全。

什么是无线传感器网络

无线传感器网络作为计算、通信和传感器三项技术相结合的产物,是一种全新的信息获取和处理技术。由于近来微型制造的技术、通讯技术及电池技术的改进,促使微小的传感器可具有感应、无线通讯及处理信息的能力。此类传感器不但能够感应及侦测环境的目标物及改变,并且可处理收集到的数据,并将处理过后的资料以无线传输的方式送到数据收集中心或基地台。这些微型传感器通常由传感部件、数据处理部件和通信部件组成,随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点通过自组织的方式构成网络。借助于节点中内置的形式多样的传感器测量所在周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号,从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众多我们感兴趣的物质现象。在通信方式上,虽然可以采用有线、无线、红外和光等多种形式,但一般认为短距离的无线低功率通信技术较适合传感器网络使用,一般称作无线传感器网络。
无线传感器网络的应用
无线传感器网络节点的微处理能力和无线通信能力使无线传感器网络有广阔的应用前景,以下分为五大类加以描


述其应用及潜力:
a、军事应用
b、生物环境监测
c、健康应用
d、家庭应用
e、工业控制和监测
无线传感器网络体系结构


无线传感器网络体系结构由三个主要部分组成:传感节点,终端节点( Sink)和观察对象。传感节点散布在观察区域内采集与观察对象相关的数据,并将协同处理后的数据传送到Sink。Sink可以通过Internet或通信卫星实现传感器网络与任务管理节点通信。