无线传感器网络正被越来越多地应用于各种场景，以在更广泛的环境中执行各种任务。无线传感器网络（WSN）是一种由微型自主计算设备组成的自组织、多跳、分布式、无人值守、异构网络系统。它结合了小型、低成本的传感器节点（这些节点在电源/电池容量、传输带宽、计算能力/CPU和内存、抵御物理攻击的能力等方面存在限制）、汇聚节点/基站、通用计算单元等。传感器节点可以分组为多个簇，每个簇都有一个节点作为簇头（CH）。.
所有传感器节点都将数据转发给簇头，簇头再通过多跳无线通信将数据路由到一个称为汇聚节点的专用节点。无线网络系统 (WSN) 集成了传感器节点、汇聚节点或基站以及可信聚合点。大多数 WSN 由成百上千个低成本、低功耗的传感器节点组成，用于监测和影响环境。WSN 使用多种无线通信技术，例如蓝牙、Zigbee/IEEE 802.14.5、Wi-Fi/LiFi、WiMAX 等。它们被广泛应用于各种领域，例如：智能电网、监控、物流、过程控制、节能、医疗保健（远程无线生物传感器网络，RWBSN）、工业应用、精准农业、灾害检测、军事应用（战争中的敌方追踪、管道保护、叛乱活动监控）、环境监测、摩天大楼和桥梁安全、地震预测、检测和监测、工业机械监测、海洋监测、野生动物监测、家庭自动化、光/温控制、资产管理（追踪移动和存储）、智能建筑、普适计算、商业应用等等。在网络层面，它们的无线链路并不安全（存在拒绝服务攻击、窃听、数据包重放和注入等风险），而且它们的节点通常不具备很强的抗渗透能力。.
分层组织：
大型无线传感器网络可以采用分层结构，自下而上进行通信。例如：（1）最底层包含数千个低成本的专用传感器节点，例如资产标签/传感器节点。（2）上层包含数百个通用传感器节点，例如安装在窗户、门等处的运动传感器。（3）上层包含数十个配备摄像头、麦克风等的高带宽传感器节点。（4）上层包含少量网关节点，这些节点具有 Web 界面、数据库和互联网连接。
网络安全目标。
其中，可以明确以下几点：
(1) 数据保密性。这确保未经授权的用户无法访问信息。传感器节点上的数据应进行加密，使其只能由接收节点读取。在某些部署场景中，节点的数据并非通过单跳路由发送到接收节点（存在多跳路由）。接收节点会访问距离传感器节点可能有多跳的收集点，数据必须经过其他传感器节点才能发送。在这种情况下，中间传感器节点不应能够理解传输的信息。数据保密性还可以防止攻击者理解存储在受损传感器节点内存中的数据。
（2）数据完整性。防止未经授权的数据篡改。只有当网络具备检测未经授权的数据操作（例如插入、替换和删除）的能力时，才能实现这一点。它可以抵御查找替换攻击和查找删除攻击。检测到删除操作时，必须从备份中恢复数据。.
（3）数据认证。这适用于所有类型的节点和数据。它确保通信节点的身份；例如，通信双方必须能够相互识别。通过网络传输的信息必须经过认证，包括生成时间、来源日期和时间、来源地、GPS坐标等。当能够检测到消息篡改时，它还能确保数据完整性。.
（4）前瞻性网络安全。某一轮次中某个密钥的泄露不应导致之前轮次中所有密钥的泄露（使用一次性密钥和随机数）。应确保即使攻击者泄露了当前的加密密钥，也无法使用该密钥生成之前的密钥。攻击者甚至不应能够伪造网络安全漏洞发生之前生成和认证的数据的认证标签。.
（5）后向网络安全。任何时候的秘密泄露都不应导致未来后续秘密的泄露。即使攻击者获取了传感器节点的当前状态，也不应能够解密泄露后生成并重新加密的数据。攻击者也不应能够伪造泄露后生成并经过认证的数据的认证标签。
针对无线传感器网络的网络攻击。
无线传感器网络 (WSN) 环境中一些最常见的网络攻击会被汇聚节点检测到，而另一些则不会。以下是一些网络攻击示例：
（1）针对协议架构层的网络攻击。在媒体访问控制（MAC）/L2层，可能发生拒绝服务（DoS）网络攻击，这种攻击通过持续发送噪声来垄断传输介质。攻击者无需消耗自身电源即可实现此攻击，并且攻击取决于物理层/L1层的载波检测阈值。IEEE 802.11标准使用访问控制列表（ACL）进行访问控制。如果L2/MAC地址（48位）不在列表中，则拒绝访问该节点。问题在于MAC地址很容易被伪造。在L3网络层，可以识别出以下问题：
（i）拒绝服务（DoS）网络攻击。这种攻击易于设置，攻击者可以瘫痪网络中的密集部分，可以与网络进行通信并耗尽其他节点的电量（电力/电池耗尽网络攻击），其原理是发送大量 RREQ 消息，但不使用路由。.
（二）基于通信广播特性的网络攻击。每条消息都可以在传输范围内的所有节点上被接收。与有线网络相比，数据包嗅探器更容易使用，这会影响隐私。.
（三）基于路由发现缺陷的网络攻击。AOLV路由发现协议使用RREQ/RREP，这使得路由发现缺陷难以检测。无线传感器网络容易受到RREP重放攻击。.
(iv) 基于丢包的网络攻击。监控丢包的机制会消耗大量资源。AODV路由协议虽然有超时机制，但并未提供理论上的解决方案；很难区分丢包（即RREQ）和路由缺失。传感器节点有时会为了节省资源而采取自私的行为。.
（五）基于数据包重定向的网络攻击。这类攻击难以追踪，有时被称为数据平面网络攻击。攻击者会暴露数据包的路径，但不会通过这些路径转发数据。控制平面措施不足以应对此类攻击。.
在协议架构的应用层，移动传感器节点很容易受到感染。通过基站重新路由内容会引发隐私问题。.
（2）路由攻击。无线传感器网络（WSN）使用多跳路由将数据传输到汇聚节点（当汇聚节点接近传感器节点的传输范围时），或将数据响应和消息认证码从一个节点发送到其他节点。所有数据传输均以无线方式进行，这使得它们容易受到路由攻击。以下是一些常见的路由攻击类型：
（a）黑洞式网络攻击。所有流量都被吸引到受感染的节点。这种网络攻击的原理是使受感染的节点对周围节点显得更具吸引力。它还可以引发针对无线传感器网络的其他网络攻击，例如选择性转发。.
（b）欺骗性网络攻击。这是一种直接针对路由协议的网络攻击。攻击者可以伪造、篡改或重复传感器节点之间的路由信息。通过这种方式，攻击者可以创建路由环路，
延长或缩短服务路径、生成虚假错误消息以及增加端到端延迟。
(c) 女巫攻击。传感器节点冒充网络上的多个节点。这种网络攻击的目标是容错机制，例如多路径路由、分布式存储等。使用专业的加密和认证技术可以预防此类网络攻击。
(d) 选择性转发网络攻击。通常情况下，当消息经过多个路由跳转时，人们会假设传感器节点会忠实地转发接收到的消息。但在这种类型的网络攻击中，恶意传感器节点就像一个黑洞，拒绝转发所有消息，并丢弃某些特定消息。这种网络攻击之所以难以被发现，是因为恶意传感器节点只会抑制关键消息的转发，而将其余消息转发出去，以降低潜在的怀疑。.
（3）克隆网络攻击。由于无线传感器网络中的传感器节点可能部署在恶劣环境中，因此它们容易受到捕获和入侵（例如，通过仪器监控和侧信道分析）。攻击者可以将捕获的传感器节点的标识符和数据复制到新节点并将其部署到网络中。节点复制会严重影响网络性能，导致数据损坏或路由错误。攻击者还可以向接收节点发送虚假读数。如果攻击者能够将克隆节点插入到特定的网络段中，他们就可以访问该网络段。.
（4）物理网络攻击。攻击者手动捕获传感器节点并对其进行重新编程。此类网络攻击的主要优势在于其速度快、易于实施。这些网络攻击可以永久性地破坏传感器节点，造成的损失是不可逆转的。物理网络攻击有两种可能的类型：
（a）干扰。在这种类型的网络攻击中，信道会被充满干扰信号。为了使无线传感器网络中的某个节点或一组传感器节点失效，可以发射射频信号来干扰其他传感器节点使用的信号。.
(b) 物理篡改。传感器节点容易受到物理篡改。为了防止此类网络攻击，可以使用抗渗透硬件（例如可信路径和加密非接触式RFID/智能卡），但这类硬件价格相对较高。.
（5）针对数据/代码的网络攻击。许多无线传感器网络无人值守，这意味着其传感器节点必须将数据长时间存储在内存中（有时甚至要等到下次扫描或访问节点时才会恢复）。这种无法下载数据的情况使其成为攻击者的轻易目标。攻击者可以删除关键信息（数据/代码）、向内存中注入虚假数据或测量结果，或者篡改数据。.
最终思考
：无线传感器网络（WSN）可被视为一种新型计算方式，它实现了物理世界与人类或机器观察者之间的交互和信息流动（例如危险环境中的过程监控、环境监测、停车管理、医疗保健、军事和执法、商业应用等）。WSN的研究领域十分广泛，例如加密密钥管理、路由网络安全以及群组/广播通信中的网络安全。
我们的研究团队二十多年来一直致力于在各种场景和不同多级拓扑结构下，对WSN机制、服务和应用进行综合、分析和评估，其中安全性是至关重要的支柱。
本文是 LEFIS 专题网络开展的活动之一。.
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作者：
Javier Areitio Bertolín 教授、博士 – 电子邮件：
德乌斯托大学工程学院教授。.
网络与系统研究组主任
