微電子技術、計算技術和無線通信等技術的進步，推動了低功耗多功能傳感器的快速發(fā)展，使其在微小體積內能夠集成信息采集、數據處理和無線通信等多種功能，在此背景下，無線傳感器網絡（WSN）成了近年來的一個研究熱點。在用于安全監(jiān)控的WSN中，無線傳感器節(jié)點任意部署在被監(jiān)控區(qū)域內。普通網絡節(jié)點以自組織形式構成網絡，通過多跳中繼方式將監(jiān)控數據傳到匯聚節(jié)點，最終借助臨時建立的鏈路通過衛(wèi)星或互連網將整個區(qū)域內的數據傳送到遠程中心進行集中處理，如圖1所示。
WSN自身的特點決定了其安全問題將有別于傳統(tǒng)網絡，其不可靠的無線通信信道又使得安全防范變得更加困難，而且WSN節(jié)點還必須能夠檢測、鑒別不可信節(jié)點和入侵者來保護自身安全，抵御各種類型的攻擊，以保持整個系統(tǒng)的安全性和完整性。
所有這些都要求WSN具有更高、更強的安全機制，來克服WSN在安全方面的弱點，以保證WSN在各個領域的滲透式應用。
1 WSN安全需求與安全影響
1.1 安全需求
WSN具有和應用密切相關的特點，不同的應用有不同的安全需求，WSN的安全需求是設計有效安全架構的根本依據，安全需求包括通信安全需求和信息安全需求，通信安全是面向網絡基礎設施的安全性，是保證WSN數據采集、融合、傳輸等基本功能的正常進行。信息安全是指WSN中前傳信息的真實性、完整性和保密性，是面向用戶應用的安全。
通信安全需求：在不確定的非可信環(huán)境下，WSN系統(tǒng)必須保證數據中繼前傳的安全性；必須具備鑒別偽裝成可信節(jié)點，實際上為有害節(jié)點的能力；必須保證前傳數據的機密性；必須保證前傳數據的完整性（不被有害節(jié)點篡改）。基于這些安全需求，具體地說，WSN的安全要具備以下幾點：①節(jié)點安全；②抵御入侵；③反擊入侵。
信息安全需求：信息安全就是要保證WSN中信息中繼前傳的安全性。即保證中繼前傳信息不被非法竊聽；保證用戶收到的信息來自可信節(jié)點而非有害節(jié)點；保證數據在中繼前傳中沒有被篡改等。
1.2 安全影響
影響安全的WSN自身主要特點包含：①無中心組織架構和分布式特征；②無線信道特征；③節(jié)點的多跳和自組織移動特征；④有限的節(jié)點能量、存儲與計算能力特征；⑤時延特征。
另一方面，WSN是典型的分布式網絡，具備自組網能力，能適應網絡拓撲的動態(tài)變化，再加上網絡中節(jié)點數目眾多，網絡本身具有較強的可靠性和魯棒性，所以WSN整體對抗網絡攻擊的能力較強，且WSN是一種智能系統(tǒng)，有能力直接發(fā)現入侵者。
2 WSN密鑰管理、身份認證和數據加密
WSN的各種安全目標的實現依賴于密碼技術，其中密鑰管理技術是無線傳感器安全管理技術的關鍵，涉及網絡的多個層面，認證和加密都離不開密鑰的管理。
密鑰協(xié)商是密鑰管理的一部分，在傳統(tǒng)網絡環(huán)境下被廣泛研究與應用，密鑰協(xié)商有3種基本類型：
①信任服務器分配模型
②自增強模型
③密鑰預分配模型
由于密鑰預分配模型在系統(tǒng)部署之前已經建立了大部分的安全基礎，對系統(tǒng)運行后的協(xié)商工作只是很簡單的協(xié)議過程，所以比較適合于WSN.
國內外對預配置密鑰管理方案的研究包括預共享和隨機密鑰預分配模型。預共享密鑰適用的網絡規(guī)模小，對節(jié)點復制、DoS攻擊等幾乎沒有任何防御能力。為此，許多學者提出了許多不同的隨機密鑰分配模型[3-4J，其分層的密鑰預分配方案適用于WSN層狀分簇式體系結構。
目前被認為是安全和有效公鑰密碼體制的算法有RSA，ECC，DSA.
資源消耗是設計WSN密鑰管理方案時需要優(yōu)先考慮的因素。這里的資源包括通信資源、計算資源和存儲資源以及安全操作而消耗掉的能量。WSN要求其密鑰管理方案在一定的安全級別下盡可能減少對資源的消耗，以延長整個網絡的壽命。
由于入侵者很難同時攻破所有密鑰，多密鑰方案的安全性較好，但網絡中有部分節(jié)點需要承擔繁重的密鑰管理工作，這種集中式的管理并不適合WSN分布式特征。因此，多密鑰系統(tǒng)仍無法徹底解決問題。
3 安全路由與安全聚集
WSN中每一個節(jié)點都可能承擔路由器的功能，因此網絡路由是WSN研究的熱點之一。數據聚集是WSN的主要特點之一，就是通過在網絡內聚集多個節(jié)點所采集的原始數據，來達到減少通信次數、降低通信能耗，從而延長網絡生存時間的目的。目前在WSN中實現安全聚集主要通過以下兩個途徑：①提高原始數據的安全性；②使用安全聚集算法。
4 安全協(xié)議
大多WSN協(xié)議的主要設計目標是高效率地發(fā)送信息，節(jié)省網絡資源，都沒有把安全作為主要設計內容考慮進去。研究表明，現有的大多數路由協(xié)議，包括定向擴散、基于地理位置的路由協(xié)議、基于簇的路由協(xié)議、謠傳路由、能量保護型路由協(xié)議等都容易遭受攻擊。INSENS作為一種可容忍入侵的無線傳感器路由協(xié)議？1，依靠入侵檢測以及繞過惡意節(jié)點，容忍入侵的存在。盡管一個惡意節(jié)點可能影響它附近的節(jié)點，但不會引起整個網絡大面積的損毀，這是一種值得考慮的處理WSN安全問題的思路。
研究人員還研究如何通過懲罰、報告、排斥等手段在最小化路由中消除自私節(jié)點的錯誤行為對安全的影響。這種技術在WSN中的應用很有前景，但這些協(xié)議對于綁架攻擊卻顯得很脆弱。
目前對無線傳感器網絡協(xié)議的研究主要集中在如何滿足無線傳感器網絡能耗和降低成本需求上，對其安全性的研究和設計還非常的有限。安全和低成本低能耗是一對矛盾體，隨著WSN的推廣應用，以及微電子技術和傳感器技術的進一步發(fā)展，如何能在安全和其他特性之間找到平衡點，設計出更加符合WSN應用要求的安全協(xié)議將成為無線傳感器網絡新的研究方向和發(fā)展趨勢。因此，我們有必要對新的適用于WSN的安全的通信協(xié)議和路由協(xié)議進行深入的研究，同時對已有的用于WSN的通信協(xié)議和路由協(xié)議的安全性進行分析，結合分析結果，綜合評價、改進、擴充這些協(xié)議，使它們適應安全性的需求。
5 入侵檢測
人侵檢測是用于識別那些未經授權而使用網絡系統(tǒng)的非法用戶和那些對系統(tǒng)有訪問權限但濫用其權利的用戶，故包含外部入侵檢測和內部濫誤用檢測兩方面的內容。WSN自身的許多特點決定了不能直接采用有線網絡中的入侵檢測技術。
網絡入侵檢測技術需監(jiān)視用戶和程序的活動，在有線網絡中通常對交換機、路由器和網關收集到的數據進行實時分析，而WSN沒有這樣的數據集合點，每個節(jié)點只能在有限的無線傳輸距離內接收和發(fā)送數據包，收集到的只是局部不完整的信息。
如果考慮網絡中節(jié)點的移動，網絡拓撲結構還會隨之發(fā)生變化。因此人侵檢測系統(tǒng)（IDS）怎樣才能保證整個網絡的安全是一個尚待解決的難題。
6 WSN面臨的主要威脅
對WSN進行攻擊，最經典的手段就是通過發(fā)射無線信號來干擾WSN的無線頻率，從而達到節(jié)點信息擁塞，破壞網絡的目的。隨著攻擊手段的不斷翻新，從網絡的各個層面都對WSN的安全造成了威脅，歸納起來，主要有如下幾種威脅：
①欺騙、篡改或重發(fā)路由信息；②選擇性轉發(fā)；③女巫攻擊；④Hello洪泛；⑤告知收到欺騙；⑥DoS拒絕服務攻擊；⑦污水池；⑧蠕蟲洞。
7 WSN中若干尚待解決的關鍵安全技術問題
與傳感器網絡中的數據管理、通信協(xié)議、拓撲管理等領域的研究相比，傳感器網絡的安全問題的研究工作還較少，亟待解決的挑戰(zhàn)性問題還很多。例如，如何將預分配的大量密鑰調入有限的內存空間；支持新節(jié)點加入的基于密鑰預分配的方法；如何存儲分配的密鑰；如何實現能耗較低的加密方法；利用傳感器網絡特點的自動防御安全技術；故障節(jié)點區(qū)域的自動發(fā)現技術和網絡自動恢復機制；入侵模型和入侵檢測方法；節(jié)能有效的安全路由協(xié)議；抵御惡意路由信息的機制。
由于無線傳感器網絡是無線通信，攻擊者可輕易在該網絡的任務域里監(jiān)聽信道，向信道里注入有害比特流，重放以前監(jiān)聽到的數據包。傳感器是隨機部署在無人值守的外部空間（如敵方陣營），攻擊者可輕易捕獲該節(jié)點，重寫內存，或者用自己的有害傳感器來替代該節(jié)點，通過冒充以獲得數據信息。
由于每個傳感器具有有限的節(jié)點能量、計算能力較差的CPU和容量較低的存儲容量，無線收發(fā)器的接受距離短，所以可輕易地受到破壞。該類攻擊可以利用信號發(fā)送距離遠的特點，在全網范圍內實施攻擊，監(jiān)聽整個無線傳感器網絡的數據傳輸，同時利用其強大的功率和數據發(fā)送能力，頻繁向任務域里發(fā)送數據包，阻塞傳感器使其失效。
攻擊節(jié)點利用自身在硬件性能方面的優(yōu)勢，偽裝成無線傳感器網絡的匯聚節(jié)點，或者改變傳感器的路由使自身成為蠕蟲洞。
現有的WSN安全機制雖然取得了一定的進展，但主要是對傳統(tǒng)方法的改造，還不能滿足WSN的需要。主要存在以下主要問題：①開銷大；②主動性差。
WSN安全機制中關于密鑰管理與認證技術的研究，主要還存在如下尚待解決的問題：在WSN密鑰預分配中，如何有效節(jié)能、如何保持可擴展性和適應性；在建立一個比較大的密鑰池時，任何節(jié)點都擁有密鑰池中的一部分密鑰，只要節(jié)點之間擁有一對相同密鑰就可以建立安全通道。這種方法的目的是在保證任意節(jié)點之間建立安全通道的前提下，盡量減少對節(jié)點資源的要求，但可能存在這樣的節(jié)點或者一組節(jié)點，它們和它們周圍的節(jié)點之間沒有共享密鑰，如何去保證它們的安全通信；在保證網絡的安全連通概率的同時，如何解決安全拓撲圖不連通的問題。基于多項式計算的密鑰預分配方案也有其缺點，其中最為重要的一個就是需要的計算開銷太大，通常節(jié)點的計算能力有限，如何對計算進行優(yōu)化。
現有大多已有的密鑰預分配模型基本只考慮了WSN的平面結構。而基于分層或分簇的密鑰管理方案還有待深入研究。由于無線網絡環(huán)境下，共享密鑰相對脆弱，不同節(jié)點對在不同時間段進行安全通信需要可靠的會話密鑰。密鑰協(xié)商協(xié)議能夠消除會話密鑰與共享密鑰之間的相互影響，使系統(tǒng)更健壯，但針對WSN的高效密鑰協(xié)商協(xié)議還有待深入研究。
8 結論
本文首先分析了WSN對安全的需求以及影響WSN安全問題的主要自身特點；接著詳細總結了目前WSN安全問題研究的最主要方面：密鑰管理、身份認證和數據加密方法、安全路由與安全聚集、安全協(xié)議、入侵檢測；然后總結了WSN安全面臨的主要威脅；最后針對研究現狀詳細分析了WSN的若干尚待解決的關鍵安全技術問題。隨著WSN的廣泛應用，安全問題將愈顯突出，由于其主要采用無線通信方式，其多跳分布式特征使得源節(jié)點在選擇中繼節(jié)點時面臨著信任判斷，其數據包有可能被有害節(jié)點截獲、篡改和偽造。體現整體安全思想的“可信計算”、“可信網絡”、“可信應用”已經成為信息安全發(fā)展的趨勢，以無線ad hoc、傳感器網絡為應用背景的通信網絡可靠性以及可信與安全模型的建立和分析等相關的網絡安全與可靠問題目前已成為或將成為熱門的關鍵技術。
