无线传感器网络虚假数据过滤及恶意节点定位问题研究

【摘要】随着嵌入式计算技术、传感器技术和通信技术的迅猛发展,无线传感器网络由此应运而生,并在军事、环境监测和保护、医疗护理、建筑、工业、农业、智能家居系统、仓储管理等许多领域得到广泛应用,现已被誉为新世纪三大高科技产业之一。和传统的网络不同,无线传感器网络是将大量廉价微型传感器节点随机部署在监控区域,通过自组织方式构成无线网络,各节点协作感知、采集和处理监控区域中对象的信息,并通过多跳的方式将信息传输给汇聚节点和用户,每个节点除采集和处理数据外,还具有路由器的功能、动态搜索、定位和连接的功能。传感器网络节点通常部署在野外或敌方区域,由于价格低廉、抗捕获能力较弱,攻击者可利用捕获到的节点,获取其中的敏感信息,并将之改造成为恶意节点。由于这类节点和正常节点一样拥有合法的密钥等私密信息,基于密码学机制的安全认证方案无法识别出这类恶意节点。攻击者就可通过这些恶意节点独立或相互配合发动各种类型的攻击,若不加以防范,这些攻击将导致正常的请求达不到满足,消耗网络有限的资源,造成部分网络临时或永久瘫痪,同时引发错误警报,影响用户决策。本文围绕虚假数据途中过滤、防范选择性丢弃的途中过滤和恶意节点的溯源追踪等问题展开研究。主要研究工作与创新特色如下：1)虚假数据的途中过滤。针对当前的途中过滤策略难以有效应对恶意节点之间的协同攻击问题,提出了一种基于邻居节点监听的虚假数据过滤策略。该策略中,每个节点保存两跳邻居信息,接收数据包节点通过监听上游节点是否发送ACK包来判断上游节点是生成数据包的节点还是中间转发节点,从而确保恶意节点不能利用已俘获的节点成功伪造其他区域发生的事件而不被识别出来,在绝大多数情况下,虚假数据包将在一跳之内被过滤掉。该策略提高了途中过滤效率,降低了恶意节点对网络的影响,延长了网络生存期。2)防范选择性丢弃的途中过滤。现有的虚假数据途中过滤策略中,一个隐含的基本前提就是假设途中节点是正常节点。当途中恶意节点有选择性的丢弃合法数据包时,现有的途中过滤策略无法判断出丢弃的数据包是虚假数据包还是被恶意节点丢弃的合法数据包。针对该问题,提出了一种防范选择性丢弃的虚假数据途中过滤策略。该策略采用逐步认证的方式递交数据包,不仅可过滤虚假数据,而且可识别出合法数据被选择性丢弃的行为。此外,由于数据包中附加的是T个节点的最新单向链密钥,而不是传统策略的MAC,确保一个合法数据包不会因恶意节点附加错误MAC而被途中节点或Sink过滤掉。3)恶意节点的溯源追踪。虚假数据过滤策略虽然能有效过滤虚假数据,但不能消除恶意节点对网络的破坏作用,针对该情况,提出了两种快速追踪定位恶意攻击节点的策略。针对稠密节点的网络环境,提出了一种基于邻居节点信息的溯源追踪策略。利用相互通信的两个节点及其共同邻居节点保存接收到的数据包特征信息,Sink节点可逐跳溯源追踪至攻击节点。该方法不需要收集大量攻击数据包便可定位攻击节点,且溯源追踪过程不受路由变化的影响。针对稀疏节点的网络环境,提出了一种基于两跳邻居的边标记策略。该策略将网络中节点分为标记节点和非标记节点,只有标记节点才需概率性标记数据包,从而将重构攻击路径长度降为现有概率边标记策略的1/2,定位攻击节点需收集的攻击数据包大大降低。
【作者】章曙光；
【导师】周学海；
【作者基本信息】中国科学技术大学，计算机系统结构，2014，博士
【关键词】无线传感器网络；邻居节点监听；单向哈希链；途中过滤；选择性丢弃；溯源追踪；概率边标记；

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