傳感器網絡的安全分析?


???由于傳感器網絡自身的一些特性,使其在各個協議層都容易遭受到各種形式的攻擊。下面著重分析對網絡傳輸底層的攻擊形式。?


1　物理層的攻擊和防御?


????物理層中安全的主要問題就是如何建立有效的數據加密機制,由于傳感器節點的限制,其有限計算能力和存儲空間使基于公鑰的密碼體制難以應用于無線傳感器網絡中。為了節省傳感器網絡的能量開銷和提供整體性能,也盡量要采用輕量級的對稱加密算法。?


????對稱加密算法在無線傳感器網絡中的負載,在多種嵌入式平臺構架上分別測試了RC4、RC5和IDEA等5?種常用的對稱加密算法的計算開銷。測試表明在無線傳感器平臺上性能較優的對稱加密算法是RC4,而不是目前傳感器網絡中所使用的RC5。?


????由于對稱加密算法的局限性,不能方便地進行數字簽名和身份認證,給無線傳感器網絡安全機制的設計帶來了較大的困難。因此高效的公鑰算法是無線傳感器網絡安全亟待解決的問題。?
2　鏈路層的攻擊和防御?


????數據鏈路層或介質訪問控制層為鄰居節點提供可靠的通信通道,在MAC協議中,節點通過監測鄰居節點是否發送數據來確定自身是否能訪問通信信道。這種載波監聽方式特別容易遭到拒絕服務攻擊也就是DOS。在某些MAC層協議中使用載波監聽的方法來與相鄰節點協調使用信道。當發生信道沖突時,節點使用二進制值指數倒退算法來確定重新發送數據的時機,攻擊者只需要產生一個字節的沖突就可以破壞整個數據包的發送。因為只要部分數據的沖突就會導致接收者對數據包的校驗和不匹配。導致接收者會發送數據沖突的應答控制信息ACK使發送節點根據二進制指數倒退算法重新選擇發送時機。這樣經過反復沖突,使節點不斷倒退,從而導致信道阻塞。惡意節點有計劃地重復占用信道比長期阻塞信道要花更少的能量,而且相對于節點載波監聽的開銷,攻擊者所消耗的能量非常的小,對于能量有限的節點,這種攻擊能很快耗盡節點有限的能量。所以,載波沖突是一種有效的DOS攻擊方法。?


????雖然糾錯碼提供了消息容錯的機制,但是糾錯碼只能處理信道偶然錯誤,而一個惡意節點可以破壞比糾錯碼所能恢復的錯誤更多的信息。糾錯碼本身也導致了額外的處理和通信開銷。目前來看,這種利用載波沖突對DOS的攻擊還沒有有效的防范方法。?


????解決的方法就是對MAC的準入控制進行限速,網絡自動忽略過多的請求,從而不必對于每個請求都應答,節省了通信的開銷。但是采用時分多路算法的MAC協議通常系統開銷比較大,不利于傳感器節點節省能量。?


3　網絡層的攻擊和防御?


????通常,在無線傳感器網絡中,大量的傳感器節點密集地分布在一個區域里,消息可能需要經過若干節點才能到達目的地,而且由于傳感器網絡的動態性,因此沒有固定的基礎結構,所以每個節點都需要具有路由的功能。由于每個節點都是潛在的路由節點,因此更易于受到攻擊。無線傳感器網絡的主要攻擊種類較多,簡單介紹如下。?
3.?1　虛假路由信息?


????通過欺騙,更改和重發路由信息,攻擊者可以創建路由環,吸引或者拒絕網絡信息流通量,延長或者縮短路由路徑,形成虛假的錯誤消息,分割網絡,增加端到端的時延。?
3.?2　選擇性的轉發?


3.?3　污水池(?sinkhole)攻擊?


3.?4　Sybil攻擊?
?????
????在這種攻擊中,單個節點以多個身份出現在網絡中的其他節點面前,使之具有更高概率被其他節點選作路由路徑中的節點,然后和其他攻擊方法結合使用,達到攻擊的目的。它降低具有容錯功能的路由方案的容錯效果,并對地理路由協議產生重大威脅女巫。?


3.?5　蠕蟲洞(wormholes)攻擊?


????攻擊者通過低延時鏈路將某個網絡分區中的消息發往網絡的另一分區重放。常見的形式是兩個惡意節點相互串通,合謀進行攻擊。?
3.?6　Hello洪泛攻擊?


????很多路由協議需要傳感器節點定時地發送HELLO包,以聲明自己是其他節點的鄰居節點。而收到該Hello報文的節點則會假定自身處于發送者正常無線傳輸范圍內。而事實上,該節點離惡意節點距離較遠,以普通的發射功率傳輸的數據包根本到不了目的地。網絡層路由協議為整個無線傳感器網絡提供了關鍵的路由服務。如受到攻擊后果非常嚴重。

網絡的自動配置和自動康復和維持系統能量有效性??


無線傳感器網絡被布置在無人值守的環境中時，更換能源幾乎不可能，為了節約能源，發射功率要盡可能小，傳輸距離要短，節點間通信需要中間節點作為中繼。在地震救災或者是無人*行器中，網絡的自動配置和自動康復功能顯得異常重要，而大規模的多跳無線傳感器網絡系統的可測量性（scalability）也是一個關鍵問題。實現可測量性的一種方法是“分而治之（divide?and?conquer）”，或者說是分層控制（hierarchical），即用某種簇標準將網絡節點分成簇組（clusters），在每個簇中選出一個作為簇頭（leader），它在比較高的層次上代表本簇；同樣的機制也應用到簇頭中，使之形成一個層次，這個層次中，每個級別應用當地控制（local?control）去實現某個全局目標。大多數無線網絡中的分類思想認為網絡與地理位置無關，分類的標準是簇里的節點數量和簇間的邏輯直徑（相對于地理直徑而言）。但是，當簇頭（cluster?leader）和簇內其它節點間的鏈路很長，相鄰簇間地理位置交迭很大，且不同的簇間路由消息載荷（routing?traffic?load）不平衡時，一個非簇頭（non-leader）節點和它的簇頭節點之間通過它們之間僅有的長鏈路通信將要消耗更多的能量，并且相鄰簇間的并行通信沖突頻發，簇間能量消耗不平衡，由此帶來的結果是網絡的壽命和通信質量與有效性都大幅減小。因此，為了節約能量和改善通信質量和有效性，在設計簇算法時，簇的地理半徑應該考慮。文獻[10]提出，在傳感器節點內用一種簡單的細胞聚類結構去構成路由協議，這樣可以維持一種可測量的能量有效的系統，其關鍵的問題是使這種細胞簇結構具有自動康復性。作者針對大規模多跳傳感器網絡的自動配置和自動康復提出了一種分布式算法，這種算法可以**網絡節點在二維空間里自動配置成細胞簇結構，其細胞單元有緊湊的地理半徑，細胞單元之間的交疊也很小。這種結構在各種擾動下是自動康復的，比如節點加入、離開、死亡、移動、被敵方捕獲等。文獻[11]給出了一種針對簇的分布式算法LEACH，它是通過全局上重復簇操作來處理擾動的，但這種算法既不能**系統中簇的定位也不能**簇的數量。文獻[12]給出了另外一種簇算法，它僅考慮了簇的邏輯半徑，而不考慮地理半徑，當簇間存在比較大的交迭時，這種方法會降低無線傳輸的有效性。另外，它的康復不在本地處理，而是依賴于消息在整個系統中的多次循環。文獻[13]中給??
出了一種基于訪問的簇算法，這種算法注重簇的穩定性，不考慮簇的大小，要求每個節點都有**定位系統（GPS）的支持。??
位移傳感器的無線遠程監控案例
該案例使用拓普瑞GPRS-RTU無線采集模塊和0-5V輸出型位移傳感器，


然后使用TLINK云平臺作為遠程監控平臺。


第一步、在TLINK云平臺創建設備


進入www.tlink.io平臺，登錄賬號，添加設備
各參數填完成以后，點擊頁面下方的“創建設備”按鈕，即創建完成。


然后進入“設置連接”，配置協議如下圖所示

第二步、配置GPRS-RTU無線采集模塊


將RTU進行通電，USB配置線與電腦進行連接，安裝驅動后，打開GPRS?RTU配置工具，


將參數按照下圖進行配置，詳細配置說明請參照GPRS?RTU使用說明書。

第三步、接線


按照下圖方式進行接線，接線方式可參照GPRS?RTU使用說明書進行

第四步、量程配置


根據位移傳感器的0-100mm的量程進行配置，如下圖所示

所有步驟完成后，設備開始正常工作，如下圖所示

網絡安全協議問題??


傳感器網絡受到的安全威脅和移動ad?hoc網絡所受到的安全威脅不同，所以現有的網絡安全機制不適合此領域，需要開發針對無線傳感器網絡的專門協議。??


一種思想是從維護路由安全的角度出發，尋找盡可能安全的路由以**網絡的安全。文獻[1]指出，如果路由協議被破壞導致傳送的消息被篡改，那么對于應用層上的數據包來說沒有任何的安全性可言。文中介紹了一種方法叫“有安全意識的路由”（SAR），其思想是找出真實值和節點之間的關系，然后利用這些真實值去生成安全的路由。該方法解決了兩個問題，即如何**數據在安全路徑中傳送和路由協議中的信息安全性。文中假設兩個軍官利用按需距離矢量路由(Ad?Hoc?On?Demand?Distance?Vector?Routing，AODV)協議通過ad?hoc網絡來通信，他們的通信基于Bell-La安全模型（PadulaBell-La?Padula?Confidentiality?Model）?[2]，這種模型中，當節點的安全等級達不到要求時，其就會自動的從路由選擇中退出以**整個網絡的路由安全。文獻[3]指出，可以通過多徑路由算法改善系統的穩健性（robustness），數據包通過路由選擇算法在多徑路徑中向前傳送，在接收端內通過前向糾錯技術得到重建。無線傳感器網絡中傳感器的數量眾多并且功能有限，移動ad?hoc網絡中的路由方案不能直接應用到無線傳感器網絡中，所以該文給出了一種網狀多徑路由協議。此協議中應用了選擇性向前傳送數據包和端到端的前向糾錯解碼技術，配合適合傳感器網絡的網狀多徑搜索機制，能減少信號開支（**ing?overhead），簡化節點數據庫，增大系統的吞吐量，相對數據包復制或者有限泛洪法來說，這種方法消耗更少的系統資源(比如信道帶寬和電能)。??


另一種思想是把著重點放在安全協議方面，在此領域也出現了大量的研究成果。在文獻[4]中，作者假定傳感器網絡的任務是為高級政要人員提供安全保護的，提供一個安全解決方案將為解決這類安全問題帶來一個普適的模型。在具體的技術實現上，先假定基站總是正常工作的，并且總是安全的，滿足必要的計算速度、存儲器容量，基站功率滿足加密和路由的要求；通信模式是點到點，通過端到端的加密**了數據傳輸的安全性；射頻層總是正常工作。基于以上前提，典型的安全問題可以總結為：??


（1）信息被非法用戶截獲；??


（2）一個節點遭破壞；??
（3）識別偽節點；??
（4）如何向已有傳感器網絡添加合法的節點。??

大規模傳感器網絡中的節點移動性管理??


這個問題實質上就是沒有無線基礎設施的無線傳感器網絡中的節點查詢問題。較簡單的資源查詢方式是全局泛洪法，但是對于資源有限的無線傳感器網絡不適用，因此在設計工作中應該盡量避免使用全局泛洪法。擴展環搜索法（expanding?ring?search）用增加生存時間（Time-To-Live，?TTL）的方式重復泛洪，這種方式和由此派生出來的方式也不適合無線傳感器網絡。在改善泛洪法的效率方面，文獻[6]中提出的方案是通過減少查詢每個節點時出現的多余消息去減少泛洪法固有的冗余，在沒有出現明顯的冗余情況下，這種方案對提高效率沒有太多貢獻。在ad?hoc網絡中，查詢節點是通過基于簇（clusters）和界標（landmarks）的層次表來實現的，這種方式需要在節點之間設置復雜的協調機制，當節點移動時或者簇頭（cluster-head）或界標失敗時，層次表需要重新配置。而且，通常簇頭會成為一個瓶頸，所以我們通常避免這種分層次的協調表，也避免使用簇頭。??


GLS[7]中提出的技術是基于一種所有節點都已知的網絡網格圖。節點使用位置服務器保存它們的位置，并用一種基于ID號的算法去更新它們的位置，當節點尋找*ID號的節點位置時，也用這種算法去服務器尋找目標節點的位置。對于知道網絡的網格圖和它們自己的位置并且知道目標節點的ID號的節點，這種方法是一個好方法。??


文獻[8]中介紹了一種針對大規模移動傳感器網絡的查詢方法，這種方法借用了小世界（small?worlds）的概念，利用節點的移動性去提高查詢效率，并引入了關聯（contacts）的概念。其工作原理是首先在相鄰節點間建立關聯，當它們移動時，再關聯新的相鄰節點，這樣提高了查詢的效率。與傳統的路由查詢方式不同，這種設計基本目標不是去優化路由或者響應延時，而是去減少通信的系統開銷，這一點在能量受限的環境中非常重要，特別是對于傳感器數量眾多的網絡中的一次性查詢(通信的生存時間很短)。文中給出的協議是可升級的（scalable）、自動配置的，非常適應節點的移動性要求。仿真結果顯示它比邊緣泛洪法提高效率60-70％，比泛洪法提高效率80-90％，比擴展環搜索法則有更大的改善。??


針對無線傳感器網絡中的分布式定位，文獻[9]比較了三種定位算法：ad?hoc、魯棒定位、N跳多向法（N-hop?multilateration）。具體選擇哪種算法要取決于某些網絡參數，比如差錯分布和連通性等。??

無線傳感器網絡的主要用途


雖然無線傳感器網絡的大規模商業應用，由于技術等方面的制約還有待時日，但是較近幾年，隨著計算成本的下降以及微處理器體積越來越小，已經為數不少的無線傳感器網絡開始投入使用。目前無線傳感器網絡的應用主要集中在以下領域：????????環境的監測和保護
隨著人們對于環境問題的關注程度越來越高，需要采集的環境數據也越來越多，無線傳感器網絡的出現為隨機性的研究數據獲取提供了便利，并且還可以避免傳統數據收集方式給環境帶來的侵入式破壞。比如，英特爾研究實驗室研究人員曾經將32個小型傳感器連進互聯網，以讀出緬因州“大鴨島”上的氣候，用來評價一種海燕巢的條件。無線傳感器網絡還可以跟蹤候鳥和昆蟲的遷移，研究環境變化對農作物的影響，監測海洋、大氣和土壤的成分等。此外，它也可以應用在精細農業中，來監測農作物中的害蟲、土壤的酸堿度和施肥狀況等。
????????醫療護理
無線傳感器網絡在醫療研究、護理領域也可以大展身手。羅徹斯特大學的科學家使用無線傳感器創建了一個智能醫療房間，使用微塵來測量居住者的重要征兆（血壓、脈搏和呼吸）、睡覺姿勢以及每天24小時的活動狀況。英特爾公司也推出了無線傳感器網絡的家庭護理技術。該技術是做為探討應對老齡化社會的技術項目Center?for?Aging?Services?Technologies（CAST）的一個環節開發的。該系統通過在鞋、家具以家用電器等家中道具和設備中嵌入半導體傳感器，幫助老齡人士、阿爾茨海默氏病患者以及殘障人士的家庭生活。利用無線通信將各傳感器聯網可高效傳遞必要的信息從而方便接受護理。而且還可以減輕護理人員的負擔。英特爾主管預防性健康保險研究的董事Eric?Dishman稱，“在開發家庭用護理技術方面，無線傳感器網絡是非常有前途的領域”。
????????軍事領域
由于無線傳感器網絡具有密集型、隨機分布的特點，使其非常適合應用于惡劣的戰場環境中，使其非常適合應用于惡劣的戰場環境中，包括偵察敵情、監控兵力、裝備和物資，判斷生物化學攻擊等多方面用途。美國*部遠景計劃研究局已投資幾千萬美元，幫助大學進行“智能塵埃”傳感器技術的研發。哈伯研究公司總裁阿爾門丁格預測：智能塵埃式傳感器及有關的技術銷售從2004年的1000萬美元增加到2013年的幾十億美元。
????????目標跟蹤
DARPA支持的Scnsor?IT項目探索如何將WSN技術應用于軍事領域，實現所謂“**視距”戰場監測。UCB的教授主持的Sensor?Web是Sensor?IT的一個子項目．原理性地驗證了應用WSN進行戰場目標跟蹤的技術可行性，翼下攜帶WSN節點的無人機（UAV）飛到目標區域后拋下節點，較終隨機布撤落在被監測區域，利用安裝在節點上的地震波傳感器可以探測到外部日標，如坦克、裝甲車等，并根據信號的強弱估算距離，綜合多個節點的觀測數據，較終定位目標，并繪制出其移動的軌跡。雖然該演示系統在精度等方面還遠達不到裝備*用于實戰的要求，這種戰場偵察模式目前還沒有真正應用于實戰，但隨著美國*部將其武器系統研制的主要技術目標從精確制導轉向目標感知與定位，相信WSN提供的這種新穎的戰場偵察模式會受到軍方的關注．
????????其他用途
無線傳感器網絡還被應用于其他一些領域。比如一些危險的工業環境如井礦、核電廠等，工作人員可以通過它來實施安全監測。也可以用在交通領域作為車輛監控的有力工具。此外和還可以在工業自動化生產線等諸多領域，英特爾正在對工廠中的一個無線網絡進行測試，該網絡由40臺機器上的210個傳感器組成，這樣組成的監控系統將可以大大改善工廠的運作條件。它可以大幅降低檢查設備的成本，同時由于可以提前發現問題，因此將能夠縮短停機時間，提高效率，并延長設備的使用時間。盡管無線傳感器技術目前仍處于初步應用階段，但已經展示出了非凡的應用價值，相信隨著相關技術的發展和推進，一定會得到更大的應用。
位移傳感器的典型應用
位移傳感器種類較多，目前市場熱銷的產品（工業級）就有：電位器原理直線位移傳感器、拉繩式位移傳感器、磁致伸縮位移傳感器、LVDT位移傳感器、電渦流位移傳感器、光柵尺與磁柵尺位移傳感器等。其應用范圍也非常廣泛，較主要的是機械設備行業與汽車領域，除此之外，在建筑、交通、冶金、礦業、環保、醫療、化工與科研實驗等領域也有不錯的市場。

常用位移傳感器分類表


位移傳感器在機械設備行業中的應用


機械設備制造與加工行業是我國經濟的重要組成部分。隨著社會的發展，傳統的機械設備制造技術漸漸趨于沒落，智能化設備制造技術作為主力軍為經濟健康發展提供源源不斷的新動力。位移傳感器在智能化機械設備中主要用于位移測量與位置定位；也可以通過在線監測指示程度，例如LVDT位移傳感器、電渦流傳感器在特殊機械設備中的振動、漲差或者偏心性能監測，可在設備出現異常狀況時提前預警并傳輸給控制系統做出相應的關聯操作；還可以用作限位傳感器、速度或者加速度的測量、計數器等。


位移傳感器是自動化機械設備控制系統不可缺少的一部分，傳感器性能的優劣直接決定了設備控制效果的好壞。較經典應用就是位移傳感器在電液伺服控制系統中的應用，通過內置或者外置位移傳感器，可以實時檢測液壓缸氣缸的活塞位置，將其轉換為成比例關系的電信號反饋給控制系統，經過系統修正與運算后在傳輸給設備驅動器與執行器，完成閉環控制操作。


位移傳感器在汽車制造業中的應用


汽車行業是智能化、集成化程度較高的特殊產業，傳感器技術在此領域的應用歷久而彌新，各種各樣微型化、多功能化、集成化和智能化傳感器是汽車或者汽車加工設備不可缺少的重要零配件。


位移傳感器在汽車領域的主要應用是對汽車零部件的尺寸檢測與組裝中的位置定位。為了滿足汽車行業的高精準的檢測，LVDT位移傳感器等高精度傳感器已經被廣泛地應用在汽車的零部件加工、發動機制造、整車廠的沖壓、涂裝、焊裝、總裝等自動化生產中的各種位置檢測。


位移傳感器在電子制造業中的應用


消費電子類產品的普及使電子制造業得到了迅速發展。在電子制造生產線，無論是自動化生產流水線、工業機器人、還是電子元件的在線與離線檢測，常常需要位移傳感器的參與。傳感器技術的進步直接推動了電子制造業機械設備不斷更新，更多高效率、高成品率、高安全性智能設備在電子產業中的應用，全面提升了整體行業的生產能力與生產效率。


位移傳感器在工業機器人中的應用


工業機器人性能的提升與制造成本的降低，使現代化企業機器換人成為熱潮。工業機器人常需要集成大量的位移傳感器、角度傳感器、力覺傳感器、接近度傳感器等，提高機器人的環境適應能力與作業精度。為了**作業人員的安全，工業機器人還需要安裝安全傳感器，在機器人感知到異常的狀況時，能夠觸發緊急停止，確保作業人員的人身安全。

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上海豫淞電子科技有限公司,簡稱豫淞科技（YUSONG TEST）。豫淞科技有限公司是一家致力于工業物聯網系統解決方案的供應商,產品涉及工業測量,工業安全防護,自動化檢測,物流系統解決方案四塊領域。 
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