第5章 WSN无线传感器网络安全

第5章WSN无线传感器网络安全 学习任务 无线传感器网络安全概述 无线传感器网络的基本安全技术 无线传感器网络安全研究重点 Clicktoaddtitleinhere 1 2 3 本章主要涉及 4 基于ZigBee技术的传感器网络安全 5 1无线传感器网络安全概述 5 1 1无线传感器网络安全问题1 无线传感器网络与安全相关的特点 1 资源受限 通信环境恶劣 2 部署区域的安全无法保证 节点易失效 3 网络无基础框架 4 部署前地理位置具有不确定性 5 1无线传感器网络安全概述 2 无线传感器网络条件限制传感器节点的限制 无线传感器网络所特有的 包括电池能量 充电能力 睡眠模式 内存储器 传输范围 干预保护及时间同步 网络限制 包括有限的结构预配置 数据传输速率和信息包大小 通道误差率 间歇连通性 反应时间和孤立的子网络 5 1无线传感器网络安全概述 这些限制对于网络的安全路由协议设计 保密性和认证性算法设计 密钥设计 操作平台和操作系统设计以及网络基站设计等方面都有极大的挑战 5 1无线传感器网络安全概述 3 无线传感器网络的安全威胁 1 窃听 一个攻击者能够窃听网络节点传送的部分或全部信息 2 哄骗 节点能够伪装其真实身份 3 模仿 一个节点能够表现出另一节点的身份 4 危及传感器节点安全 若一个传感器以及它的密钥被捕获 储存在该传感器中的信息便会被敌手读出 5 注入 攻击者把破坏性数据加入到网络传输的信息中或加入到广播流中 5 1无线传感器网络安全概述 6 重放 敌手会使节点误认为加入了一个新的会话 再对旧的信息进行重新发送 重放通常与窃听和模仿混合使用 7 拒绝服务 DoS 通过耗尽传感器节点资源来使节点丧失运行能力 无线传感器网络还有其独有的安全威胁种类 1 HELLO扩散法 这是一种DoS 拒绝服务攻击 它利用了无线传感器网络路由协议的缺陷 允许攻击者使用强信号和强处理能量让节点误认为网络有一个新的基站 5 1无线传感器网络安全概述 2 陷阱区 攻击者能够让周围的节点改变数据传输路线 去通过一个被捕获的节点或一个陷阱 5 1无线传感器网络安全概述 4 安全需求 1 机密性 机密性要求对WSN节点间传输的信息进行加密 让任何人在截获节点间的物理通信信号后不能直接获得其所携带的消息内容 2 完整性 WSN的无线通信环境为恶意节点实施破坏提供了方便 完整性要求节点收到的数据在传输过程中未被插入 删除或篡改 即保证接收到的消息与发送的消息是一致的 5 1无线传感器网络安全概述 3 健壮性 WSN一般被部署在恶劣环境 另外 随着旧节点的失效或新节点的加入 网络的拓扑结构不断发生变化 因此 WSN必须具有很强的适应性 使得单个节点或者少量节点的变化不会威胁整个网络的安全 4 真实性 点到点的消息认证使得在收到另一节点发送来的消息时 能够确认这个消息确实是从该节点发送过来的 广播认证主要解决单个节点向一组节点发送统一通告时的认证安全问题 5 1无线传感器网络安全概述 5 新鲜性 WSN中由于网络多路径传输延时的不确定性和恶意节点的重放攻击使得接收方可能收到延后的相同数据包 新鲜性要求接收方收到的数据包都是最新的 非重放的 即体现消息的时效性 6 可用性 可用性要求WSN能够按预先设定的工作方式向合法的用户提供信息访问服务 然而 攻击者可以通过信号干扰 伪造或者复制等方式使WSN处于部分或全部瘫痪状态 从而破坏系统的可用性 5 1无线传感器网络安全概述 7 访问控制 WSN不能通过设置防火墙进行访问过滤 由于硬件受限 也不能采用非对称加密体制的数字签名和公钥证书机制 WSN必须建立一套符合自身特点 综合考虑性能 效率和安全性的访问控制机制 5 1无线传感器网络安全概述 传感器网络安全目标 5 1无线传感器网络安全概述 5 1 2无线传感器网络的安全机制 1 从维护路由安全的角度出发 寻找尽可能安全的路由以保证网络的安全 当节点的安全等级达不到要求时 就会自动从路由选择中退出以保证整个网络的路由安全 可通过多路径路由算法改善系统的稳健性 可通过前向纠错技术重建数据 5 1无线传感器网络安全概述 2 把着重点放在安全协议方面 假定基站总是正常工作的 并且总是安全的 通过端到端的加密保证数据传输的安全性 无线传感器网络中的两种专用安全协议 轻量级安全网络加密协议SNEP SensorNetworkEncryptionProtocol 提供节点到接收机之间数据的鉴权 加密 刷新 和基于时间的高效的容忍丢包的流认证协议uTESLA 采用Hash链技术对广播数据的鉴权 5 1无线传感器网络安全概述 SNEP协议 SNEP中 每个节点都和基站之间共享一对主密钥Kmaster 其他密钥通过使用主密钥来生成 Ke F 1 Kmaster Kmac F 2 Kmaster 双方共享计数器 避免传递计数器的值消耗能量 SNEP中的机密性 E D Ke C SNEP中的数据完整性 MAC C E KmacSNEP中的消息新鲜性 先验证完整性 再解密数据 A B NA RQST Ke C C RQST Ke C KmacB A RPLY Ke C NA C RPLY Ke C Kmac 5 1无线传感器网络安全概述 SNEP中节点间的安全通信 A B NA AB S NA NB A B NA NB A B KBSS A SKAB KAS NA B SKAB KAS KASS B SKAB KBS NB A SKAB KBS KBS 5 1无线传感器网络安全概述 uTESLA协议 对广播认证 若采取对称密钥 广播包认证需要全网络共享一个公共密钥 这导致安全性较差 如果采取密钥更新的方法来更新广播认证密钥 需要增加通信开销 传统的广播认证往往依赖于非对称密钥 但是这种方式对于传感器网络而言开销太大 签署签名和验证签名的计算量较大 签名的传递也导致额外的通信负担 uTESLA原理 接收节点是大体上与基站时间同步的 并知道初始密钥K0每个时间段的密钥由单向函数F来计算 Ki F Ki 1 同一时间间隔的广播包都使用同一个密钥进行认证 两个时间间隔后 相应的密钥才允许透露 密钥透露是一个独立的广播数据包 5 1无线传感器网络安全概述 假设数据包P4和P5丢失了 同时透露密钥K1的包也丢失了 则接收者仍然不能验证P1和P2的完整性 因为没有K1 在时间间隔4 基站广播了密钥K2 节点可通过验证K0 F F K2 并得到K1 F K2 这时可用K1来验证P1和P2的完整性 利用K2来验证P3的完整性 5 1无线传感器网络安全概述 基本的流认证协议 5 1无线传感器网络安全概述 缺点 对数据包的丢失不具有鲁棒性 接收方不能对接收到的数据进行实时认证 必须接收到最后一个数据包才能对前面的所有数据包进行认证 有效多链数字流签名协议 EMSS EfficientMulti chainedStreamSignature 5 1无线传感器网络安全概述 5 1无线传感器网络安全概述 5 1 3无线传感器网络的安全分析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 尽量要采用轻量级的对称加密算法 性能最优的对称加密算法是RC4 5 1无线传感器网络安全概述 2 链路层的攻击和防御数据链路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 恶意节点会有计划的重复占用信道 造成载波冲突 消耗正常节点的能量 载波冲突是一种有效的DOS攻击方法 解决方法 对MAC的准入控制进行限速 自动忽略过多的请求 5 1无线传感器网络安全概述 3 网络层的攻击和防御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 更易于受到攻击 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 2 选择性的转发节点收到数据包后 有选择地 概率性地转发或者根本不转发收到的数据包 导致数据包不能到达目的地 5 1无线传感器网络安全概述 3 污水池 sinkhole 攻击攻击者通过声称自己电源充足 性能可靠而且高效 通过使泄密节点在路由算法上对周围节点具有特别的吸引力吸引周围的节点选择它作为路由路径中的点 引诱该区域的几乎所有的数据流通过该泄密节点 4 Sybil 女巫 攻击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 5 1无线传感器网络安全概述 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 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 5 1无线传感器网络安全概述 7 DoS攻击可从DoS攻击引发的网络流量异常变化入手 根据已有的流量观测值来预测未来流量 如果真实的流量与其预测流量存在较大偏差 则判定为一种异常或攻击 5 2无线传感器网络的基本安全技术 传感器网络的基本安全技术包括基本安全框架 密钥分配 加密技术 安全路由和入侵检测等 5 2无线传感器网络的基本安全技术 传感器网络安全体系结构 5 2无线传感器网络的基本安全技术 1 密钥分配传感器网络的密钥分配主要倾向于采用随机预分配模型的密钥分配方案 其主要思想是在网络构建之前 每个节点从一个较大的密钥池中随机选择少量密钥构成密钥环 使得任意2个节点之间能以一个较大的概率共享密钥 5 2无线传感器网络的基本安全技术 2安全路由常用的方法有 1 路由中加入容侵策略 可提高物联网的安全性 2 用多径路由选择方法抵御选择性转发攻击 采用多径路由选择 允许节点动态地选择一个分组的下一跳点 能更进一步地减少入侵者控制数据流的计划 从而提供保护 5 2无线传感器网络的基本安全技术 3 在路由设计中加入广播半径限制抵御洪泛攻击 采用广播半径限制 每个节点都限制一个数据发送半径 使它只能对落在这个半径区域内的节点发送数据 而不能对整个网络广播 4 在路由设计中加入安全等级策略抵御虫洞攻击和陷阱攻击 5 2无线传感器网络的基本安全技术 3入侵检测技术入侵检测技术是一种检测网络中违反安全策略行为的技术 能及时发现并报告系统中未授权或异常的现象 按照参与检测节点是否主动发送消息分为被动监听检测和主动检测 被动监听检测主要是通过监听网络流量的方法展开 比如 通过检测单个节点发送和接受成功率来判断是否遭受攻击 通过周期性检查节点的历史载波侦听时间来检测攻击 5 2无线传感器网络的基本安全技术 主动监听检测是指检测节点通过发送探测包来反馈或者接受其他节点发来的消息 然后通过对这些消息进行一定的分析来检测 路径诊断的方法 源节点向故障路径上选定的探测节点发送探测包 每个收到探测包的节点都向源节点发送回复 若某节点没有返回包 说明其与前一个节点间的子路径出现故障 需要在其之间插入新的探测节点展开新一轮检测 邻居检测的方法 单个节点通过向各个邻居节点对应的不同物理信道发送信号获得反馈来发现不合法的节点ID 也可以在链路层CTS包中加入一些预置要求如发送延迟等 如果接受方没有采取所要求的行为则被认定为非法节点 5 2无线传感器网络的基本安全技术 根据检测节点的分布 被动检测可分为密集检测和稀疏检测两类 密集检测通过在所有节点上部署检测算法来最大限度发现攻击 5 3无线传感器网络安全研究重点 5 3 1无线传感器网络安全技术1 加密技术加密是一种基本的安全机制 它把传感器节点间的通信消息转换为密文 形成加密密钥 这些密文只有知道解密密钥的人才能识别 5 3无线传感器网络安全研究重点 2 完整性检测技术完整性检测技术用来进行消息的认证 是为了检测因恶意攻击者窜改而引起的信息错误 消息认证码是一种典型的完整性检测技术 5 3无线传感器网络安全研究重点 将消息通过一个带密钥的杂凑函数来产生一个消息完整性码 并将它附着在消息后一起传送给接收方 接收方在收到消息后可以重新计算消息完整性码 并将其与接收到的消息完整性码进行比较 如果相等 接收方可以认为消息没有被窜改 如果不相等 接收方就知道消息在传输过程中被窜改了 该技术实现简单 易于无线传感器网络的实现 5 3无线传感器网络安全研究重点 3 身份认证技术身份认证技术通过检测通信双方拥有什么或者知道什么来确定通信双方的身份是否合法 通信双方中的一方通过密码技术验证另一方是否知道他们之间共享的秘密密钥 或者其中一方自有的私有密钥 这是建立在运算简单的对称密钥密码算法和杂凑函数基础上的 适合所有无线网络通信 5 3无线传感器网络安全研究重点 4 数字签名数字签名是用于提供服务不可否认性的安全机制 数字签名大多基于非对称密钥密码算法 用户利用其秘密密钥将一个消息进行签名 然后将消息和签名一起传给验证方 验证方利用签名者公开的密钥来认证签名的真伪 5 3无线传感器网络安全研究重点 5 3 2密钥确立和管理无线传感器网络的通信不能依靠一个固定的基础组织或者一个中心管理员来实现 而要用分散的密钥管理技术 密钥管理协议分为预先配置密钥协议 仲裁密钥协议和自动加强的自治密钥协议 预先配置密钥协议在传感器节点中预先配置密钥 这种方法不灵活 特别是在动态无线传感器网络中增加或移除节点的时候 5 3无线传感器网络安全研究重点 仲裁密钥协议中 密钥分配中心 KDC 用来建立和保持网络的密钥 它完全被集中于一个节点或者分散在一组信任节点中 自动加强的自治密钥协议把建立的密钥散布在节点组中 5 3无线传感器网络安全研究重点 1 预先配置密钥 1 网络范围的预先配置密钥 无线传感器网络所有节点在配置前都要装载同样的密钥 2 明确节点的预先配置密钥 在这种方法中 网络中的每个节点需要知道与其通信的所有节点的ID号 每两个节点间共享一个独立的密钥 5 3无线传感器网络安全研究重点 优缺点 在网络范围的预先配置节点密钥方法中 任何一个危险节点都会危及整个网络的安全 而在明确节点预先配置中 尽管有少数危险节点互相串接 但整个网络不会受到影响 预先配置节点安全方法提供组节点保护来对抗不属于该组的其它危险节点的威胁 5 3无线传感器网络安全研究重点 2 仲裁密钥协议仲裁协议包含用于确立密钥的第三方信任部分 根据密钥确立的类型 协议被分为秘密密钥和公开密钥 标准的秘密密钥协议发展成密钥分配中心 KDC 或者密钥转换中心 密钥分配中心方式 A B KDC 5 3无线传感器网络安全研究重点 密钥转换中心方式 5 3无线传感器网络安全研究重点 5 3无线传感器网络安全研究重点 3 自动加强的自治密钥协议 1 成对的不对称密钥 该种协议基于公开密钥密码技术 每个节点在配置之前 在其内部嵌入由任务权威授予的公开密钥 2 组密钥协议 在无线传感器网络节点组中确立一个普通密钥 而不依赖信任第三方 这种协议也是基于公开密钥密码技术的 5 3无线传感器网络安全研究重点 Diffie Hellman组协议 该协议确保一组节点中的每个节点都对组密钥的值做出贡献 是一种密钥协商方案 密钥的值是某个函数值 其输入是两个 或多个 成员提供 协商的结果 参与双方 或多方 都可得到相同的密钥 任何其他非参与方都不能得到密钥 A B 方案的实现 参数设置 选择一个大素数p及上的生成元g 2 g p 2 协商过程 5 3无线传感器网络安全研究重点 5 3无线传感器网络安全研究重点 特征密钥 此协议规定只有满足发送消息要求特征的节点才能计算共享密钥 从而解密给定的消息 特征包括位置 传感器能力等区别特性 5 3无线传感器网络安全研究重点 5 3 3无线传感器网络的路由安全由于WSN网络缺少必要的路由安全措施 敌手会使用具有高能量和长范围通信的强力膝上电脑来攻击网络 因此设计安全路由协议对保护路由安全 保护无线传感器网络安全显得非常重要 5 3无线传感器网络安全研究重点 1 无线传感器网络路由协议受到的攻击 攻击无线传感器网络路由协议类型 5 3无线传感器网络安全研究重点 2 攻击对策链路层加密和认证 多路径路由行程 身份确认 双向连接确认和广播认证 这些措施只有在路由协议设计完成以前加入协议中 对攻击的抵御才有作用 这是实现路由安全的重要前提 5 3无线传感器网络安全研究重点 5 3 4数据融合安全1 数据集合数据集合通过最小化多余数据的传输来增加带宽使用和能量利用 安全数据集合协议 SRDA 通过传输微分数据代替原始的感应数据来减少传输量 5 3无线传感器网络安全研究重点 2 数据认证网络中的消息在传输之前都要强制认证 否则敌手能够轻松地将伪造的消息包注入网络 从而耗尽传感器能量 使整个网络瘫痪 数据认证可以分为三类 1 单点传送认证 用于两个节点间数据包的认证 使用的是对称密钥协议 数据包中包含节点间共享的密钥作为双方身份认证 5 3无线传感器网络安全研究重点 2 全局广播认证 用于基站与网络中所有节点间数据包的认证 适合于有严格资源限制的环境 3 局部广播认证 局部广播消息是由时间或事件驱动的 5 4基于ZigBee的传感器网络的安全 ZigBee是一种短距离 低速率的无线通信技术 是当前面向无线传感器网络的技术标准 主要特性有低速率 近距离 低功耗 低复杂度和低成本 目前适合应用在短距离无线网络通信方面 如 数字家庭 工业控制 智能交通 5 4基于ZigBee的传感器网络的安全 5 4 1ZigBee技术分析ZigBee设备分类全功能设备 fullfunctiondevice FFD 称为主设备 承担网络协调者的功能 可与网络中任何类型的设备通信 如果启用安全机制 网络协调者又可成为信任中心 参与密钥分配 认证服务等工作 简化功能设备 reducedfunctiondevice RFD 称为从设备 只能与主设备通信 5 4基于ZigBee的传感器网络的安全 2 ZigBee的网络结构及协议栈主要组网方式 星型网 Star 网状型网 Mesh 和簇型网 Clustertree ZigBee组网拓扑图 5 4基于ZigBee的传感器网络的安全 3 安全分析ZigBee技术在安全方面具体表现为如下特点 1 提供了刷新功能 采用计数器防止重放攻击 2 提供了数据包完整性检查功能 有0 32 64或128位可选 3 提供了认证功能 网络层认证只能防止外部攻击 设备层认证可以防止内部和外部攻击 4 提供了加密功能 采用128位的AES加密算法 5 4基于ZigBee的传感器网络的安全 5 4 2ZigBee协议栈体系结构安全ZigBee协议是一种新兴的无线传感器网络技术标准 是在传统无线协议无法适应无线传感器网络低成本 低能量 高容错性等要求的情况下产生的 ZigBee协议栈由物理层 数据链路层 网络层 应用层组成 5 4基于ZigBee的传感器网络的安全 物理层负责基本的无线通信 由调制 传输 数据加密和接收构成 链路层提供设备之间单跳通信 可靠传输和通信安全 网络层主要提供通用的网络层功能 如拓扑结构的搭建和维护 寻址和安全路由 应用层包括应用支持子层 ZigBee设备对象和各种应用对象 应用支持子层提供安全和映射管理服务 ZDO负责设备管理 包括安全策略和安全配置的管理 5 4基于ZigBee的传感器网络的安全 ZigBee协议栈安全体系结构 5 4基于ZigBee的传感器网络的安全 1 数据链路层安全数据链路层通过建立有效的机制保护信息安全 安全帧格式如图 数据链路层安全帧格式 5 4基于ZigBee的传感器网络的安全 其中AH是携带的安全信息 MIC提供数据完整性检查 有0 32 64 128位可供选择 对于数据帧 MAC层只能保证单跳通信安全 为了提供多跳通信的安全保障 必须依靠上层提供的安全服务 在MAC层上使用的是AES加密算法 根据上层提供的钥匙的级别 可以保障不同水平的安全性 5 4基于ZigBee的传感器网络的安全 2 网络层安全为了保证帧能正确传输 帧格式中也加入了AH和MIC 安全帧格式如图 5 4基于ZigBee的传感器网络的安全 NWK层主要思想是首先广播路由信息 接着处理接受到的路由信息 在传送的过程中一般是利用链接密钥对数据进行加密处理 如果链接密钥不可用 那网络层将利用网络密钥进行保护 由于网络密钥在多个设备中使用 可能带来内部攻击 但是它存储开销代价更小 NWK层对安全管理有责任 但其上一层控制着安全管理 5 4基于ZigBee的传感器网络的安全 3 应用层安全APL层安全是通过APS子层提供 根据不同的应用需求采用不同的钥匙 主要使用的是链接密钥和网络密钥 安全帧格式 5 4基于ZigBee的传感器网络的安全 APS提供的安全服务有密钥建立 密钥传输 设备服务管理 密钥建立是在两个设备间进行 包括四个步骤 交换暂时数据 生成共享密钥 获得链接密钥 确认链接密钥 密钥传输服务是在设备间安全传输钥匙 设备服务管理包括更新设备和移除设备 更新设备服务提供一种安全的方式通知其它设备有第三方设备需要更新 移除设备则是通知有设备不满足安全需要 要被删除 5 4基于ZigBee的传感器网络的安全 5 4 3安全密钥ZigBee采用三种基本密钥 分别是网络密钥 链接密钥和主密钥 主密钥可以在信任中心设置或者在制造时安装 还可以是基于用户访问的数据 如口令 PIN码等 网络密钥可以在数据链路层 网络层和应用层中应用 网络密钥可以在设备制造时安装 也可以在密钥传输中得到 5 4基于ZigBee的传感器网络的安全 存储网络密钥的开销小 但它降低了系统的安全性 为网络密钥被多个设备所共享 所以它不能阻止内部的攻击 链接密钥是在两个端设备通信时共享 可以由主密钥建立 也可以在设备制造时安装 链接密钥和网络密钥不断地进行周期性的更新 当2个设备都拥有这2种密钥时 采用链接密钥进行通信 5 4基于ZigBee的传感器网络的安全 5 4 4ZigBee网络结构Z