傳感網安全測試技術研究與系統設計碩士學位論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 的安全協議，如 A. Perring 等提出的傳感網絡的安全協議 SPINS，主要包括 μ TESLA 和 SNEP 兩種 [9][10]。 為 評估 WSN 的通信情況，人們開始采用各種各樣的方法來對網絡協議進行測試和評估。然而事實是，無線傳感網在運行過程中，或多或少都會受到周圍環境的影響，會直接影響網絡節點設備導致出現故障。所以，我們需要搭建真實的 WSN安全測試系統，用來實時的反映 WSN 的安全是否符合預期設定 [11]。 本課題來源于“新一代寬帶無線通信網”科技重大專項 —信息匯聚傳感器網絡綜合測試與驗證評估環境。課題是對無線傳感網安全功能以及安全一致性的測試，為傳感網的安全提供可靠的測試方法，用于測試傳感網的安全功能，驗證傳感網的安全功能實現過程是否符合預期的要求，并針對最終的測試結果對系統的安全劃分等級。 國內外研究狀況 無線傳感網的研究已經越來越受到關注，很多機構都對其進行相關的研究，隨著時間的推移，傳感節點的體積相對越來越小，功耗也變得較低，組網起來也相對靈活和穩定。例如美國設計 的“塵埃”傳感器節點，它只有顆粒那么小，而且能夠保證傳感器節點一次可以工作 5 年以上 [12]。 在我國，許多高校也加入了研究無線傳感網的大軍。 國外一些著名大學如麻省理工學院、加州大學、俄亥俄州大學、新加坡國立大學等髙校都已經展開了無線 傳感網 方面的研究 。 一些知名企業如 Crossbow、 Ti、 Atmd 公司也投入了極大的資金和科研力量 ， 為無線 傳感網 的商業化打下了基礎 [13]。國內一些研究機構如中科院研究 所、清華大學 、北京郵電大學、哈爾濱工業大學和香港科技大學等都取得了一些成果。 WSN 安全協議的實現過程離不開協議測試 ， 協議測試是為了對協議的實現進行檢驗 ，借此 發現實現過程中的 不足 [14]。 當前安全需求越來越復雜，安全協議也變得尤為重要，如何進行安全性的檢測，確保安全的實現符合預期目標成為了眾多研究者爭相研究的對象。許多的發達國家開始致力于對協議測試的研究。 吉世瑞提出了一種安全協議的測試方法，基于協議測試的基礎上，設計了自適應的黑盒測試方法。齊躍提出了傳感網的安全協議測試框架。它是一種多屬性的模型，主要是通過攻擊測試來對協議的安全性做定性的分析。 我國的標準 GB/T 《信息技術開放系統互聯一致性測試方法和 框架》 [15]定義了協議的一致性測試方法和框架，用于測試一個聲稱實現了某一個協議的產品與其協議標準的一致性，為一致性測試系統 3 的實現提供了指導。 目前雖然通信協議的一致性測試已有可參考的測試標準，但是由于無線傳感網的局限性，需要一套專門針對于無線傳感網的測試驗證平臺，對傳感網的安全性進行相關的測試和驗證，為傳感網的安全協議測試標準做鋪墊。 研究內容和論文結構 論文總共有六章，下面對每一章節做出簡要的介紹。 第一章主要是緒論部分，主要是介紹了無線 傳感網 的背景和本課題的研究意義。這部分包含無線傳感網應用的介 紹以及目前對于無線傳感網的研究現狀，同時對研究無線傳感網安全的必要性做出了簡要的說明，章節最后給出了本文總體結構。 第二章主要是無線傳感網概述與安全研究。無線傳感網的概述分別從傳感網的特點、傳感網體系結構和傳感網的協議規范三方面給出簡要的說明。傳感網安全的介紹分別從安全需求、安全威脅、安全策略三方面給出。最后分析了無線傳感網安全測試的測試需求。 第三章主要是介紹了傳感網的測試理論及方法，分別從協議一致性測試方法和安全性測試方法來進行說明。安全測試是在協議測試的基礎上進行的，也可以作為協議一致性測試的一種。 第四章是在前三章的基礎上，設計了無線傳感網安全測試系統，首先從系統目標出發，對提出了傳感網安全測試系統的目標要求；接著從無線傳感網安全測試系統的總體設計出發，對系統平臺的總體設計、總體功能結構設計、中心處理模塊以及安全測試模塊流程做出了詳細的規劃。在這一章節中，著重于安全測試抽象集和測試代理軟件的設計。安全抽象測試集作為安全測試系統的核心部分，因此本文從傳感網安全模型出發，詳細闡述了安全抽象測試集的設計過程以及形式化描述；最后給出了安全測試的序列圖以及系統處理流程。本測試系統在測試完成之后，會形成詳細的安全 測試報告和安全等級報告，因此在 小節中，給出了各安全等級劃分要素的具體分級要求。 第五章是對第四章提出的無線傳感網安全測試系統進行了測試驗證。從軟硬件平臺出發，對系統網絡功能測試進行了驗證分析。本方案的測試是 WIAPA 協議中安全機制的實現，同時給出了實際應用測試過程中幾個典型的安全測試流程，最后給出了整個系統搭建的實體圖，并通過 Web 界面實時顯示了系統的測試驗證結果。 第六章主要是對本文工作進行了總結，并且對于下一步的研究進行了展望。 4 第二章 無線傳感網以及安全概述 本章結合 《傳感器網絡 信息安全通 用技術規范》， 從當前傳感網的安全威脅、安全策略以及安全目標出發，提出了無線傳感網安全測試需求以及重要意義。 無線傳感網綜述 無線傳感網特點 無線傳感網是一種全分布式的網絡系統，一般的網絡由數目較多的節點組成，并且隨機投放， 傳感網 節點的一般特征是具有通信模塊、能量模塊以及數據傳輸模塊，節點間的通信是靠無線模塊連接，自發的形成網絡結構。作為新興網絡，無線傳感網與自組織多跳 Ad hoc 網絡有很多共同的特征，另一方面來說，我們可以將無線 傳感網 看成 Ad hoc 網絡的特例。但是事實上兩者也有很多不相似的地方。無線 傳感網 有以下主要特征： 分布式。無線 傳感網 節點間是通過分布式的算法進行數據通信，節點能夠通過安全的方式加入和退出網絡。一般來說，單個節點的存在對網絡整體運行沒有多大的影響。 以數據為中心。無線傳感網的搭建是用戶針對需求進行部署的，因此網絡的運行是用戶進行操作和指令下發的。數據信息的采集是用戶搭建網絡的主要目的，節點間相互合作完成用戶的需求。數據融合在無線傳感網絡的應用中被經常使用，因此可以說 WSN 是基于數據為中心的網絡。 自組織。傳感網是隨機形 成網絡，節點間的相互關系是無法準確預測的。另一方面，傳感網可以被應用到不同的環境中，節點的加入、離開或死亡都是無法操縱的。由于這種情況的發生，就需要 傳感網 具備自組織的能力，在用戶無法干預的時候，能夠進行網絡資源的分配和管理。 節點能力有限。無線傳感網節點體積小、存儲能量有限。通常傳感節點一旦部署成功之后，由于應用環境的惡劣等原因，能量很容易消耗殆盡，然而節點能量對于整個網絡的運行來說也是至關重要的，因此，如何有效的節約網絡能量以便于提高節點的生存周期是非常重要的。 如 UCBerkeley 的 Trio 系統 [16]將傳統電池更換為太陽能供電，將運行時間整整提高了 3 個多月。 5 無線傳感網體系結構 目前，隨著對 傳感網 不斷深入地研究，基于分層的網絡協議體系結構獲得大眾的認可。如圖 所示。 網 絡 服 務 接 口時 間 同 步 節 點 定 位傳 輸 控 制路 由信 道接 入拓 撲生 成安全機制無 限 電 紅 外 線 光 波應 用 層傳 輸 層網 絡 層數 據 鏈 路 層物 理 層QoS網 路 管 理 入 口能量管理網絡管理拓撲管理 圖 2. 1 網絡體系結構圖 其中應用層用于不同應用軟件的管理，并提供接口供給不同的應用使用；數據鏈路層負責數據流的多路復用、數據幀檢測、媒體接入和差錯控制。數據鏈路層保證了 傳感網 點到點的連接；網絡層負責路由的維護和發現；物理層負責數據的采集、收發等。 無線傳感網的協議規范 標準主要是針對低速 WPAN。該標準以低功耗、低速率傳輸、低成本為目標，旨在為個人或者家庭范圍內以及不同設備間的低速互聯提供了統一的標準，目前正在發展中 [17]。此標準定義的 LRWPAN 網絡能夠實現 20Kb/s、 40Kb/s、250Kb/s 三種不傳輸速率；地址格式有 16 位短地址和 64 位長地址。前者是網內通信使用，后者則是全球唯一的地址，出廠時已經設定好的；標準規定了兩種拓撲類型 ：分別是星型和點對點；支持 ACK，能夠確保傳輸的可靠性 [11]。 WIAPA 協議的設計和開發遵循了 ISO/OSI 七層結構模型，在實際標準的制定中，定義了數據鏈路子層、網絡層以及應用層 [18]。針對 WIAPA 網絡的特點，協議中對安全機制提出了說明。主要有： 系統的可用性：已授權實體一旦需要就 能夠訪問和使用數據和資源。 機密性：保證網絡資源等的合法使用。 6 認證：設備之間身份的認證。 完整性：重要信息在傳輸和發送時不被非法用戶的篡改。 《傳感器網絡 信息安全通用技術規范》（接下來將其統一稱為 PG6 標準）給出了傳感網的安全模型，并從威脅出發，給出了安全目標及安全機制。這部分將在后面的章節中詳細介紹。 無線傳感網安全概述 無線傳感網作為計算機發展的新型產業，具有相當廣闊的前景，對于無線傳感網的研究，不僅僅是研究它的應用，同時需要顧忌到復雜的應用環境對無線網絡所帶來的負面影響，其中最重要的是考慮其安全問題。無線傳感網與傳統網絡的安全目標相一致，都是為了數據完整性、數據保密性、數據新鮮性、入網認證、數據融合等，同時，由于無線傳感網的獨有的特征，例如資源受限、節點的能量有限等，這些問題導致無線傳感網的安全問題尤為重要。因此在設計無線傳感網的安全機制時，需要針對它的獨有的特點，綜合考慮無線傳感網的安全需求以及安全威脅。 無線傳感網安全目標 傳感網 安全目標由數據安全目標、網絡安全目標、節點安全目標構成。下面對無線傳感網的安全需求進行簡要的說明： ① 數據保密性 (Confidentiality) 保密性是傳感網的一個重要的特征。確保在傳輸以及存儲過程中，數據信息不能泄露給沒有權限的用戶。其次，在網絡通信過程中進行交互的敏感信息也需進行保密。 ② 數據完整性 (Integrity) 根據國家相關標準規定的完整性的機制，利用兩種完整性策略，包括自主完整性策略和強制完整性策略兩種。在儲存和發送的過程中保證所有的敏感信息不被篡改和破壞；另一方面，消息的接收方應該具備判斷信息是否被更改的功能。 ② 數據新鮮性 (Freshness) 保證接收到數據的時效性，確保沒有重放過時的數據。節點的重放攻擊是導致新鮮性的一個原因，另一個則是由于網絡的多路徑造成的延時，因而導致報文收發的時間順序顛倒造成的 [19]。數據的新鮮性一般分為兩種：強新鮮性和弱新鮮性。 ④ 可用性 (Availability) 已授權實體一旦 需要就能夠訪問和使用數據和資源的特性。 ⑤ 可控性 7 在保障傳感網中數據保密性、完整性、可用性的前提下，提供相應的安全控制部件，形成整體的控制流程，實現 傳感網 可控性。 ⑥ 抗干擾性 傳感網 采用適當的機制來防止對數據發送、接收和轉發的無線干擾，避免對網絡的信息傳輸造成嚴重影響。 ⑦ 可鑒別性 可鑒別性分為數據可鑒別和身份可鑒別兩種。數據可鑒別主要是確保數據信息的來源是可信的，并且數據內容沒有篡改和偽造。身份可鑒別則是指通信雙方的身份信息的真實性。目前有多種機制來鑒別通信雙方的身份，并且這些機制適用于不同的安全等級。在 進行鑒別時， 傳感網 提供有限的主體反饋信息，確保非法主體不能通過反饋數據獲得利益 [20]。 ⑧安全管理 無線傳感網是自組織性的網絡，通過節點間自發的組建網絡構建節點間的信任關系。安全管理主要有安全引導和安全維護兩個方面。網絡的安全引導包含了建立數據信息交換的雙方進行的密鑰協商、認證等過程，其中安全協議是網絡安全的核心部分，安全維護則主要研究網絡中密鑰更新等引起的安全變更問題 [21]。 無線傳感網安全威脅 傳感器節點在實際的使用中，大部分都部署于無人監守的空間，因此 傳感網 各個層面都面臨一定的安全威脅。監聽、偽造、阻斷和篡改是網絡攻擊的四種基本的行為，如圖 所示。 監 聽篡 改偽 造阻 斷 圖 2. 2 網絡基本攻擊行為 為了便于研究者對安全威脅進行分析以便于對攻擊采取措施，通常根據網絡通信協議的層次結構對網絡攻擊進行分類。主要有以下幾種形式： 1)物理層攻擊 8 ①傳感節點的物理俘獲 部署于開放區域的節點，一方面很容易受到自然災害等不可抗力的破壞，使得節點無法正常工作；其次單個暴露的節點都是潛在的危險，很有可能被攻擊者利用，使得攻擊者可以輕易的對節點進行攻擊破壞，造成網絡癱瘓等。 ②擁塞攻擊 無線傳感網是在無線環境下進行數據采集等，攻擊者獲取工作區域的中心通信頻率，并且利用大功率的電磁不斷干擾此頻段，能夠影響整個網絡無法正常工作。 2)鏈路層威脅 傳感網中不止一個節點進行數據發送時，信號很可能進行累加，這樣容易導致數據包字節的流失，造成網絡丟包。另一方面，由于節點能量資源有限，在數據鏈路 層上面，攻擊者不間斷地發送數據報文，引起數據傳輸過程中的碰撞，導致節點一直處于工作狀態，直到資源殆盡。這也是我們常說的耗盡攻擊。 3)網絡層威脅 無線 傳感網 的路由協議一般需要考慮節點能量消耗、路由信息存儲受限、以數據為中心等特點，這些特點一方面增加了路由機