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传感器网络的安全分析
由于传感器网络自身的一些特性,使其在各个协议层都容易遭受到各种形式的攻击。下面着重分析对网络传输底层的攻击形式。
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。为了节省传感器网络的能量开销和提供整体性能,也尽量要采用轻量级的对称加密算法。
对称加密算法在无线传感器网络中的负载,在多种嵌入式平台构架上分别测试了rc4、rc5和idea等5 种常用的对称加密算法的计算开销。测试表明在无线传感器平台上性能优的对称加密算法是rc4,而不是目前传感器网络中所使用的rc5。
由于对称加密算法的局限性,不能方便地进行数字签名和身份认证,给无线传感器网络安全机制的设计带来了极大的困难。因此高效的公钥算法是无线传感器网络安全亟待解决的问题。
2 链路层的攻击和防御
数据链路层或介质访问控制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。这种载波监听方式特别容易遭到拒绝服务攻击也就是dos。在某些mac层协议中使用载波监听的方法来与相邻节点协调使用信道。当发生信道冲突时,节点使用二进制值指数倒退算法来确定重新发送数据的时机,攻击者只需要产生一个字节的冲突就可以破坏整个数据包的发送。因为只要部分数据的冲突就会导致接收者对数据包的校验和不匹配。导致接收者会发送数据冲突的应答控制信息ack使发送节点根据二进制指数倒退算法重新选择发送时机。这样经过反复冲突,使节点不断倒退,从而导致信道阻塞。恶意节点有计划地重复占用信道比长期阻塞信道要花更少的能量,而且相对于节点载波监听的开销,攻击者所消耗的能量非常的小,对于能量有限的节点,这种攻击能很快耗尽节点有限的能量。所以,载波冲突是一种有效的dos攻击方法。
虽然纠错码提供了消息容错的机制,但是纠错码只能处理信道偶然错误,而一个恶意节点可以破坏比纠错码所能恢复的错误更多的信息。纠错码本身也导致了额外的处理和通信开销。目前来看,这种利用载波冲突对dos的攻击还没有有效的防范方法。
解决的方法就是对mac的准入控制进行限速,网络自动忽略过多的请求,从而不必对于每个请求都应答,节省了通信的开销。但是采用时分多路算法的mac协议通常系统开销比较大,不利于传感器节点节省能量。
3 网络层的攻击和防御
通常,在无线传感器网络中,大量的传感器节点密集地分布在一个区域里,消息可能需要经过若干节点才能到达目的地,而且由于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。由于每个节点都是潜在的路由节点,因此更易于受到攻击。无线传感器网络的主要攻击种类较多,简单介绍如下。
3. 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。
3. 2 选择性的转发
3. 3 污水池( sinkhole)攻击
3. 4 sybil攻击
在这种攻击中,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女巫。
3. 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。
3. 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。网络层路由协议为整个无线传感器网络提供了关键的路由服务。如受到攻击后果非常严重。
无线传感器网络的节点定位机制
关于无线传感器网络的定位问题分为两类，一类是无线传感器网络对自身传感器节点的定位，另一类是无线传感器网络对外部目标的定位。本文主要讨论前者。
节点准确地进行自身定位是无线传感器网络应用的重要条件。由于节点工作区域或者是人类不适合进入的区域，或者是敌对区域，传感器节点有时甚至需要通过*行器抛撒于工作区域，因此节点的位置都是随机并且未知的。然而在许多应用中，节点所采集到的数据必须结合其在测量坐标系内的位置信息才有意义，否则，如果不知道数据所对应的地理位置，数据就失去意义。除此之外，无线传感器网络节点自身的定位还可以在外部目标的定位和追踪以及提高路由效率等方面发挥作用。因此，实现节点的自身定位对无线传感器网络有重要的意义。
获得节点位置的一个直接想法是利用全球定位系统(gps)来实现。但是，在无线传感器网络中使用gps来获得所有节点的位置受到价格、体积、功耗以及可扩展性等因素限制，存在着一些困难。因此目前主要的研究工作是利用传感器网络中少量已知位置的节点来获得其他未知位置节点的位置信息。已知位置的节点称作锚节点，它们可能是被预先放置好的，或者采用gps或其他方法得知自己的位置。未知位置的节点称作未知节点，它们需要被定位。锚节点根据自身位置建立本地坐标系，未知节点根据锚节点计算出自己在本地坐标系里的相对位置。
根据具体的定位机制，可以将现有的无线传感器网络自身定位方法分为两类：基于测距的(range-based)方法和不基于测距的(range-free)方法[6]。基于测距的定位机制需要测量未知节点与锚节点之间的距离或者角度信息，然后使用三边测量法、三角测量法或大似然估计法计算未知节点的位置。而不基于测距的定位机制无需距离或角度信息，或者不用直接测量这些信息，仅根据网络的连通性等信息实现节点的定位。
什么是无线传感器网络
无线传感器网络作为计算、通信和传感器三项技术相结合的产物,是一种全新的信息获取和处理技术。由于近来微型制造的技术、通讯技术及电池技术的改进,促使微小的传感器可具有感应、无线通讯及处理信息的能力。此类传感器不但能够感应及侦测环境的目标物及改变,并且可处理收集到的数据,并将处理过后的资料以无线传输的方式送到数据收集中心或基地台。这些微型传感器通常由传感部件、数据处理部件和通信部件组成,随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点通过自组织的方式构成网络。借助于节点中内置的形式多样的传感器测量所在周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号,从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众多我们感兴趣的物质现象。在通信方式上,虽然可以采用有线、无线、红外和光等多种形式,但一般认为短距离的无线低功率通信技术适合传感器网络使用,一般称作无线传感器网络。
无线传感器网络的应用
无线传感器网络节点的微处理能力和无线通信能力使无线传感器网络有广阔的应用前景,以下分为五大类加以描
述其应用及潜力:
a、军事应用
b、生物环境监测
c、健康应用
d、家庭应用
e、工业控制和监测
无线传感器网络体系结构
无线传感器网络体系结构由三个主要部分组成:传感节点,终端节点( sink)和观察对象。传感节点散布在观察区域内采集与观察对象相关的数据,并将协同处理后的数据传送到sink。sink可以通过internet或通信卫星实现传感器网络与任务管理节点通信。
大规模传感器网络中的节点移动性管理
这个问题实质上就是没有无线基础设施的无线传感器网络中的节点查询问题。简单的资源查询方式是全局泛洪法，但是对于资源有限的无线传感器网络不适用，因此在设计工作中应该尽量避免使用全局泛洪法。扩展环搜索法（expanding ring search）用增加生存时间（time-to-live， ttl）的方式重复泛洪，这种方式和由此派生出来的方式也不适合无线传感器网络。在改善泛洪法的效率方面，文献[6]中提出的方案是通过减少查询每个节点时出现的多余消息去减少泛洪法固有的冗余，在没有出现明显的冗余情况下，这种方案对提高效率没有太多贡献。在ad hoc网络中，查询节点是通过基于簇（clusters）和界标（landmarks）的层次表来实现的，这种方式需要在节点之间设置复杂的协调机制，当节点移动时或者簇头（cluster-head）或界标失败时，层次表需要重新配置。而且，通常簇头会成为一个瓶颈，所以我们通常避免这种分层次的协调表，也避免使用簇头。
gls[7]中提出的技术是基于一种所有节点都已知的网络网格图。节点使用位置服务器保存它们的位置，并用一种基于id号的算法去更新它们的位置，当节点寻找指定id号的节点位置时，也用这种算法去服务器寻找目标节点的位置。对于知道网络的网格图和它们自己的位置并且知道目标节点的id号的节点，这种方法是一个好方法。
文献[8]中介绍了一种针对大规模移动传感器网络的查询方法，这种方法借用了小世界（small worlds）的概念，利用节点的移动性去提高查询效率，并引入了关联（contacts）的概念。其工作原理是首先在相邻节点间建立关联，当它们移动时，再关联新的相邻节点，这样提高了查询的效率。与传统的路由查询方式不同，这种设计基本目标不是去优化路由或者响应延时，而是去减少通信的系统开销，这一点在能量受限的环境中非常重要，特别是对于传感器数量众多的网络中的一次性查询(通信的生存时间很短)。文中给出的协议是可升级的（scalable）、自动配置的，非常适应节点的移动性要求。仿真结果显示它比边缘泛洪法提高效率60-70％，比泛洪法提高效率80-90％，比扩展环搜索法则有更大的改善。
针对无线传感器网络中的分布式定位，文献[9]比较了三种定位算法：ad hoc、鲁棒定位、n跳多向法（n-hop multilateration）。具体选择哪种算法要取决于某些网络参数，比如差错分布和连通性等。
磁致伸缩位移传感器的工作原理
磁致伸缩线性位移（液位）变送器（简称磁尺），是采用磁致伸缩原理制造的高精度、长行程位置测量的位移变送器。不但可以测量运动物体的直线位移，同时给出运动物体的位置和速度模拟信号或液位信号，根据输出信号的不同，分为模拟式和数字式两种。灵活的供电方式和极为方便的多种接线方法和多种输出形式可满足各种测量、控制、检测的要求；由于采用非接触测量方式，避免了部件互相接触而造成磨擦或磨损，因此很适合应用于环境恶劣、不需定期维护的系统工程或场合。不仅仅是传感器的性能优良，更重要的是工作寿命长、良好的环境适应性、可靠性、能有效和稳定的工作，与导电橡胶位移传感器、磁栅位移传感器、电阻式位移传感器等产品相比有明显的优势。而且安装、调试方便，再加上有极高的性能价格比；及时周到的售后服务，足可让用户更加放心地使用。其中，防爆（隔爆型）磁尺严格按照gb3836.1-83《爆炸性环境用防爆电器设备通用要求》，并取得国家防爆电气产品质检中心颁发的防爆合格证。隔爆标志：exdⅱbt5。
磁致伸缩线性位移传感器的工作原理
磁致伸缩线性位移（液位）变送器主要由测杆、电子仓和套在测杆上的非接触的磁环（浮球）组成。测杆内装有磁致伸缩线（波导丝）。工作时，由电子仓内的电子电路产生一起始脉冲，此起始脉冲在波导丝中传输时，同时产生了一沿波导丝方向前进的旋转磁场。当这个磁场与磁环（浮球）中的长久磁场相遇时，产生磁致伸缩效应，使波导丝发生扭动，产生扭动脉冲（或称“返回”脉冲）。这一扭动脉冲被安装在电子仓内的拾能机构所感知并转换成相应的电流脉冲，通过电子电路计算出两脉冲起始和返回之间的时间差，即可精确测出被测的位置和位移。
三、主要技术性能指标
★ 量程范围（mm） 80 150 300 500 800 1000 1200 1500 2000 2200 2500 2800 3000 3500 4000 4500 5000(用户可定制)
★ 输出形式/工作电压（三线制）
位移信号：0?5vdc/+24vdc±10%
0?10vdc/+24vdc±10%
（-5?+5）vdc/±15vdc±10%
（-10?+10）vdc/±15vdc±10%
4?20madc/+24vdc±10%
速度信号：1v/25.4mm/s（大10vdc）
★ 负载能力 电压信号输出大负载2ma
电流信号输出大负载600ω
★ 非线性误差 ±0.05%fs；300mm以下大误差150 μm
★ 重复性误差 优于0.002%fs
★ 分辨率 优于0.002%fs
★ 迟滞 优于0.002%fs
★ 温度影响 优于0.007%/fs/℃
★ 储存温度 -40?+100℃
★ 工作温度 0?+70℃ -25?+80℃ -40?+85℃
★ 满量程调整范围 20%fs
★ 零点调整范围 20%fs
★ 纹波 低噪声环境小于2mvrms
伺服工作状态（80?1600mm）小于6mvrms
伺服工作状态（1600?300mm）小于10mvrms
★ 测杆材料 0cr18ni9（304）
316不锈钢（特殊定制）
★ 电子仓外壳材料 1cr18ni9ti
★ 引线方式 pvc屏蔽电缆线（默认长度：2.8m，也可根据用户要求提供）
航空插头（不适用于隔爆产品）
接线端子
★ 隔爆防爆标志 exdⅱbt5
★ 外壳防护等级 ip65
李先生
021-31300218
17321051316
qq: 757951351