CN102404737B - 基于动态探测的无线传感器网络安全路由的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明采用逐点验证的方式，目的节点对收到的路由验证请求消息Sreq进行验证，源节点对收到的收到的路由验证响应消息Srep进行验证，每个中间节点对目的节点反馈回的路由验证响应消息Srep进行验证，每一个转发中间节点、源节点和目的节点均进行安全性验证，能有效避免篡改式攻击、假冒攻击和伪造攻击，显著提高路由安全性。而中间节点在向目的节点转发消息和向源节点转发消息的过程中，均会生成消息片段替换消息中所嵌入的消息片段，在增强安全性的同时，显著减少能耗。

Description

基于动态探测的无线传感器网络安全路由的方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域，特别是一种无线传感器网络的路由方法。
背景技术
无线传感器网络由于其自身的资源有限性、传输多跳性、网络拓扑结构的可变性、终端移动性等自身独有的特性，使得路由协议的研究面临着巨大挑战。路由协议一直是无线传感器网络的焦点问题之一。
 无线传感器网络路由不同于传统网络的特性表现在路由协议的脆弱性和入侵行为的多样性，首先，无线传感器网络路由协议的安全性比传统网络更加脆弱，这是由于：无线传感器网络中的所有信号都通过一定带宽的开放无线信道来传输，使无线传感器网络比有线网络更容易受到窃听、干扰等安全威胁，不像有线网络的入侵者还需要物理上接入网络，并要攻破防火墙、网关等安全防护设备；其次，针对无线传感路由协议的威胁具有多样性，目前针对无线传感器网络路由协议的攻击方式主要有以下几种：篡改（Modification attacks）、假冒（Impersonation attacks）、伪造（Fabrication attacks）等。具体的攻击方式见表1所示：
Figure 2011104505285100002DEST_PATH_IMAGE002
表1 几种常见的攻击类型
现阶段无线传感器网络安全路由的设计中普遍存在的问题有：采用了复杂的加密算法和交互验证的流程，对无线传感器网络中的节点和计算能力要求较高，同时带来了较大的网络通信开销；基于静态的验证体系，验证区域缺乏扩展性，没有对验证的有效期进行控制。
发明内容
本发明的目的就是提供一种基于动态探测的无线传感器网络安全路由的方法，它通过动态探测保证路由路径的安全性，同时定位出具有威胁的节点，实现数据在无线传感器网络中的安全传输的同时具有低开销等特征。
本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，路由步骤如下：
1）源节点构建路由验证请求消息Sreq，源节点由多跳的方式通过中间节点向目的节点发送路由验证请求消息Sreq；
2）第一个接收到源节点发送的路由验证请求消息Sreq的第一中间节点首先保存路径信息，再根据自身位置标示符ID1通过自身密钥的加密算法生成消息片段M1，将M1嵌入路由验证请求消息Sreq中，继续向相邻节点发送嵌入后的路由验证请求消息Sreq，转向步骤3）；
3）相邻节点收到路由验证请求消息Sreq后，判断本身是否为目的节点，不是目的节点则转向步骤4），若不是目的节点则转向步骤5）；
4）第n跳中间节点收到n-1跳中间节点发送的路由验证请求消息Sreq，第n跳中间节点根据自身位置标示符IDn和n-1跳中间节点生成的消息片段Mn-1通过自身密钥的加密算法生成消息片段Mn,将路由验证请求消息Sreq中的消息片段Mn-1替换成Mn，向相邻节点发送路由验证请求消息Sreq，并返回步骤3）；
5）目的节点收到路由验证请求消息Sreq后，对消息进行验证，若验证通过则构建路由验证响应消息Srep，并通过中间节点逆向向源节点发送，否则丢弃该路由验证请求消息Sreq；
6）中间节点收到路由验证响应消息Srep后，对路由验证响应消息Srep进行验证，若验证通过则继续通过中间节点向源节点转发，否则丢弃该路由验证响应消息Srep；
7）源节点接收到路由验证响应消息Srep后，对消息进行验证，验证通过则建立通信链路，否则丢弃该路由难响应消息Srep。
进一步，路由验证请求消息Sreq包括有路径请求消息SS和源节点校验码MIC0；路由验证响应消息Srep包括有路径响应消息SD、目的节点校验码MIC1和最后一个节点的消息片段Mn。
进一步，路径请求消息SS的帧格式为：FrameType、源节点地址IDS、目的节点地址IDD、随机数SN和密钥IDS；源节点校验码MIC0是利用路径请求消息SS中所有参数，根据密钥IDS所指示的加密算法KS加密计算所得到；
路径响应消息SD的帧格式为：FrameType、源节点地址IDS、目的节点地址IDD、随机数RSN和密钥IDD；目的节点校验码MIC1是利用路径响应消息SD中所有参数，根据密钥IDD所指示的加密算法KD加密计算所得到；
其中源节点和目的节点均可以根据密钥密钥IDS和密钥IDD得到对应的加密算法，随机数RSN为随机数SN倒转后得到。
进一步，步骤5）中所述目的节点验证路由验证请求消息Sreq的方法为：
5-1）解析路径请求消息SS，得到FrameType、源节点地址IDS、目的节点地址IDD、随机数SN和密钥IDs；
5-2）根据密钥IDs得出加密算法KS，利用路径请求消息SS中所有参数，根据加密算法KS重新计算MIC0 *，并与MIC0进行比较，若不相等则验证不通过，若相等则验证通过。
进一步，步骤7）中所述源节点验证路由验证响应消息Srep的方法为：
7-1）解析路径响应消息SD，得到FrameType、源节点地址IDS、目的节点地址IDD、随机数RSN和密钥IDD；
7-2）根据密钥IDD得出加密算法KD，利用路径响应消息SD中所有参数，根据加密算法KD重新计算MIC1 *，并与MIC1比较，若不相等则验证不通过，若相等则验证通过。
进一步，步骤6）中所述中间节点验证路由响应消息Srep的方法为：
6-1）中间节点i收到路由响应消息Srep后，用自身密钥解密嵌入路由响应消息Srep中的消息片段Mi，得到该节点的节点标识IDi和下一路跳节i-1的消息片段Mi-1；
6-2）判断步骤6-1）中计算出的节点标识IDi是否与自已的节点标识一致，若不一致则丢弃路由响应消息Srep，若一致，节点i在路由表中标识节点i+1为安全节点，用计算出的消息片段Mi-1替换Mi，并发送至中间节点i-1。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
本发明所述中间节点动态探测所嵌入的消息片段，一旦通过验证就从路由响应消息Srep中剥离当前节点的消息片段，只保留下一跳节点的消息片段，在增强安全性的同时显著减少了发送和接收数据时的能耗；中间节点采用动态探测以及每个节点个体密钥进行保护的方式 ，抗破译程度强；源节点和目的节点之间共享密钥保护，发送密钥ID而不发送密钥本身，数据安全性增强。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。
附图说明
本发明的附图说明如下。
图1为本发明实施例示意图；
图2为本发明所述路径请求消息SS帧结构示意图；
图3为本发明所述路径响应消息SD帧结构示意图；
图4为本发明路由过程的流程框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
基于动态探测的无线传感器网络安全路由的方法，路由步骤如下：
1）源节点构建路由验证请求消息Sreq，源节点由多跳的方式通过中间节点向目的节点发送路由验证请求消息Sreq；
2）第一个接收到源节点发送的路由验证请求消息Sreq的第一中间节点首先保存路径信息，再根据自身位置标示符ID1通过自身密钥的加密算法生成消息片段M1，将M1嵌入路由验证请求消息Sreq中，继续向相邻节点发送嵌入后的路由验证请求消息Sreq，转向步骤3）；
3）相邻节点收到路由验证请求消息Sreq后，判断本身是否为目的节点，不是目的节点则转向步骤4），若不是目的节点则转向步骤5）；
4）第n跳中间节点收到n-1跳中间节点发送的路由验证请求消息Sreq，第n跳中间节点根据自身位置标示符IDn和n-1跳中间节点生成的消息片段Mn-1通过自身密钥的加密算法生成消息片段Mn,将路由验证请求消息Sreq中的消息片段Mn-1替换成Mn，向相邻节点发送路由验证请求消息Sreq，并返回步骤3）；
5）目的节点收到路由验证请求消息Sreq后，对消息进行验证，若验证通过则构建路由验证响应消息Srep，并通过中间节点逆向向源节点发送，否则丢弃该路由验证请求消息Sreq；
6）中间节点收到路由验证响应消息Srep后，对路由验证响应消息Srep进行验证，若验证通过则继续通过中间节点向源节点转发，否则丢弃该路由验证响应消息Srep；
7）源节点接收到路由验证响应消息Srep后，对消息进行验证，验证通过则建立通信链路，否则丢弃该路由难响应消息Srep。
无线传感器网络发送数据一般需要经历两个阶段，第一阶段是路由安全探测确认阶段，第二阶段是稳定发送数据阶段，本发明针对于第一阶段。在路由安全探测确认阶段，本发明采用多手段验证的方式，保证其安全性。目的节点对收到的路由验证请求消息Sreq进行验证，源节点对收到的收到的路由验证响应消息Srep进行验证，每个中间节点对目的节点反馈回的路由验证响应消息Srep进行验证，每一个转发中间节点、源节点和目的节点均进行安全性验证，能有效避免篡改式攻击、假冒攻击和伪造攻击，显著提高路由安全性。而中间节点在向目的节点转发消息和向源节点转发消息的过程中，均会生成消息片段替换消息中所嵌入的消息片段，在增强安全性的同时，显著减少能耗。
路由验证请求消息Sreq包括有路径请求消息SS和源节点校验码MIC0；路由验证响应消息Srep包括有路径响应消息SD、目的节点校验码MIC1和最后一个节点的消息片段Mn。
路径请求消息SS的帧格式为：FrameType、源节点地址IDS、目的节点地址IDD、随机数SN和密钥IDS；源节点校验码MIC0是利用路径请求消息SS中所有参数，根据密钥IDS所指示的加密算法KS加密计算所得到；
路径响应消息SD的帧格式为：FrameType、源节点地址IDS、目的节点地址IDD、随机数RSN和密钥IDD；目的节点校验码MIC1是利用路径响应消息SD中所有参数，根据密钥IDD所指示的加密算法KD加密计算所得到；
其中源节点和目的节点均可以根据密钥密钥IDS和密钥IDD得到对应的加密算法，随机数RSN为随机数SN倒转后得到。
其中目的节点和源节点共享密钥保护，通过对方提供的密钥ID，可以查到该密钥ID所对应的加密算法，通过重新计算校验码即可验证对方发送的校验码。校验码是根据路径请求消息SS和路径响应消息SD中所有参数，利用加密算法得到，校验码验证通过的条件是路径请求消息SS和路径响应消息SD中所有参数均没有被恶意修改，并且还要通过密钥ID得到正确的加密算法，最大程度的保障了消息的安全性，任何修改漏洞均无法通过验证。其具体验证方法为：
步骤5）中所述目的节点验证路由验证请求消息Sreq的方法为：
5-1）解析路径请求消息SS，得到FrameType、源节点地址IDS、目的节点地址IDD、随机数SN和密钥IDs；
5-2）根据密钥IDs得出加密算法KS，利用路径请求消息SS中所有参数，根据加密算法KS重新计算MIC0 *，并与MIC0进行比较，若不相等则验证不通过，若相等则验证通过。
步骤7）中所述源节点验证路由验证响应消息Srep的方法为：
7-1）解析路径响应消息SD，得到FrameType、源节点地址IDS、目的节点地址IDD、随机数RSN和密钥IDD；
7-2）根据密钥IDD得出加密算法KD，利用路径响应消息SD中所有参数，根据加密算法KD重新计算MIC1 *，并与MIC1比较，若不相等则验证不通过，若相等则验证通过。
由于路由验证请求消息Sreq和路由验证响应消息Srep中任何时候都只包含有一个消息片段，而每个中间节点都有自身独有的加密算法，生成不同的消息片段，为了便于中间验证而又不需要将所有消息片段都加入路由验证请求消息Sreq和路由验证响应消息Srep中，相邻两跳的消息片段必需要有关联，即中间节点的生成方法为以前一跳的消息片段与自身节点标识ID为参数，利用独有加密算法生成消息片段，在验证过程中，通过解密自身消息片段，即可得到下一跳的消息片段和自身节点标识ID，计算出来的节点标识作为验证信息，验证信息的安全性。其具体过程如下所述。
步骤6）中所述中间节点验证路由响应消息Srep的方法为：
6-1）中间节点i收到路由响应消息Srep后，用自身密钥解密嵌入路由响应消息Srep中的消息片段Mi，得到该节点的节点标识IDi和下一路跳节i-1的消息片段Mi-1；
6-2）判断步骤6-1）中计算出的节点标识IDi是否与自已的节点标识一致，若不一致则丢弃路由响应消息Srep，若一致，节点i在路由表中标识节点i+1为安全节点，用计算出的消息片段Mi-1替换Mi，并发送至中间节点i-1。
实施例
假设从源节点S向下一跳节点发送路由验证请求消息。现在以发送给A节点的链路为例，如图1所示。路径验证请求消息Sreq帧格式如图2所示，校验消息由计算得到。
 节点A收到来自源节点S的路由验证请求消息Sreq后， 首先在路由表中保存路径信息，然后构造自己的消息片段MA =FKA(IDA)并嵌入路由验证请求信息中，其中，F是生成消息片段的某种加密算法；IDA是节点A的标识符；KA是节点A的个体密钥，此密钥是网络管理者在布网的时候对节点A预配置的密钥，只有节点A和网络管理者能够使用此密钥；节点A将MA嵌入路由验证请求消息后，将验证请求消息发送给下一跳节点B。
B收到来自A的路由请求消息后按上述方法进行同样的操作。
节点A保存路由信息并加入自己的路径嵌入片段后，将新的路由验证请求信息Sreq转发给节点B，节点B利用自己的IDB以及消息片段MA，重新构造新的消息片段MB=FKB(IDB||MA)，并替代上一跳节点A生成的MA，将其嵌入路由验证请求消息Sreq中，发给节点B的下一跳节点，直到路由验证请求消息Sreq抵达最终的目的节点。
由目的节点D向源节点发送路由验证响应信息Srep，并在中间节点逐级验证上一跳的安全性；
目的节点收到路由验证请求消息Sreq后，首先判断帧类型，若是路由验证请求消息Sreq，则解析出和源节点共享的密钥IDS，以便从自己的密钥池中取选其与源节点的共享密钥。然后按照密钥IDS对应公式重新计算得到校验消息MIC0 *，与接收到的校验消息MIC0进行比较，不相等则丢弃该消息并报警；相等则构造路由验证响应信息Srep，包括路径响应消息SD、目的节点校验码MIC1和最后一个节点的消息片段MF。路径响应消息SD如图3所示，校验消息由密钥IDD对应公式计算得到，最后将构造好的路由验证响应信息Srep沿着路由验证请求消息Sreq经过的路径发送给其下一跳节点F。
节点F收到路由验证响应信息Srep后，首先用自己的个体密钥解密报文中嵌入的消息片段MF部分，得到ME和节点标识IDF，再判断此IDF是否与自己的节点标识一致，若不一致，则证明目的节点具有篡改行为，是非安全节点，将路由验证响应信息Srep丢弃并报警；一致则证明发送给节点F的信息源目的节点D没有篡改消息，节点F随后在自己的路由表中将上一跳节点D标识为安全节点，并将路由验证响应信息Srep的MF替换成ME后，将路由验证响应信息Srep沿着路由验证请求消息经过的路径发送回给其下一跳节点E。
下一跳节点E重复上述过程，直到路由验证响应信息Srep循路由验证请求消息的路径返回至源节点。源节点收到的路由验证响应信息Srep是经过所有中间节点逐跳验证并剥离本节点嵌入的消息片段后余下的由目的节点构造的路由验证响应信息Srep。该消息包含路径响应消息SD和目的节点校验码MIC1。源节点S收到路由验证响应信息Srep后，对其完整性进行校验，按照密钥IDD对应公式重新计算校验消息得到MIC1*，并与接收到的MIC1进行比较，若不相等，则说明邻居节点A具有篡改行为，为非安全节点，源节点丢弃消息并报警；相等则表示路由路径安全，不存在有中间节点的篡改行为，源节点将上一跳节点在路由表中标识为安全节点，路由探测过程结束。 
整个路由安全探测过程结束后，源节点此时可以向目的节点稳定的发送数据信息，数据信息的安全性用源节点和目的节点的共享密钥加密保护。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种基于动态探测的无线传感器网络安全路由的方法，步骤如下：
1）源节点构建路由验证请求消息Sreq，源节点由多跳的方式通过中间节点向目的节点发送路由验证请求消息Sreq；
2）第一个接收到源节点发送的路由验证请求消息Sreq的第一中间节点首先保存路径信息，再根据自身位置标示符ID1通过自身密钥的加密算法生成消息片段M1，将M1嵌入路由验证请求消息Sreq中，继续向相邻节点发送嵌入后的路由验证请求消息Sreq，转向步骤3）；
3）相邻节点收到路由验证请求消息Sreq后，判断本身是否为目的节点，不是目的节点则转向步骤4），若是目的节点则转向步骤5）；
4）第n跳中间节点收到n-1跳中间节点发送的路由验证请求消息Sreq，第n跳中间节点根据自身位置标示符IDn和n-1跳中间节点生成的消息片段Mn-1通过自身密钥的加密算法生成消息片段Mn,将路由验证请求消息Sreq中的消息片段Mn-1替换成Mn，向相邻节点发送路由验证请求消息Sreq，并返回步骤3）；
5）目的节点收到路由验证请求消息Sreq后，对消息进行验证，若验证通过则构建路由验证响应消息Srep，并通过中间节点逆向向源节点发送，否则丢弃该路由验证请求消息Sreq；
6）中间节点收到路由验证响应消息Srep后，对路由验证响应消息Srep进行验证，若验证通过则继续通过中间节点向源节点转发，否则丢弃该路由验证响应消息Srep；
7）源节点接收到路由验证响应消息Srep后，对消息进行验证，验证通过则建立通信链路，否则丢弃该路由验证响应消息Srep；
其中，路由验证请求消息Sreq包括有路径请求消息SS和源节点校验码MIC0；路由验证响应消息Srep包括有路径响应消息SD、目的节点校验码MIC1和最后一个节点的消息片段Mn；
路径请求消息SS的帧格式为：FrameType、源节点地址IDS、目的节点地址IDD、随机数SN和密钥IDS；源节点校验码MIC0是利用路径请求消息SS中所有参数，根据密钥IDS所指示的加密算法KS加密计算所得到；
路径响应消息SD的帧格式为：FrameType、源节点地址IDS、目的节点地址IDD、随机数RSN和密钥IDD；目的节点校验码MIC1是利用路径响应消息SD中所有参数，根据密钥IDD所指示的加密算法KD加密计算所得到；
其中源节点和目的节点均能够根据密钥IDS和密钥IDD得到对应的加密算法，随机数RSN为随机数SN倒转后得到；
步骤5）中所述目的节点验证路由验证请求消息Sreq的方法为：
5-1）解析路径请求消息SS，得到FrameType、源节点地址IDS、目的节点地址IDD、随机数SN和密钥IDs；
5-2）根据密钥IDs得出加密算法KS，利用路径请求消息SS中所有参数，根据加密算法KS重新计算源节点校验码得到MIC0 *，并与MIC0进行比较，若不相等则验证不通过，若相等则验证通过；
步骤6）中所述中间节点验证路由验证响应消息Srep的方法为：
6-1）中间节点i收到路由验证响应消息Srep后，用自身密钥解密嵌入路由验证响应消息Srep中的消息片段Mi，得到该中间节点的节点标识IDi和下一路跳节i-1的消息片段Mi-1；
6-2）判断步骤6-1）中计算出的节点标识IDi是否与自已的节点标识一致，若不一致则丢弃路由验证响应消息Srep，若一致，节点i在路由表中标识节点i+1为安全节点，用计算出的消息片段Mi-1替换Mi，并发送至中间节点i-1；
步骤7）中所述源节点验证路由验证响应消息Srep的方法为：
7-1）解析路径响应消息SD，得到FrameType、源节点地址IDS、目的节点地址IDD、随机数RSN和密钥IDD；
7-2）根据密钥IDD得出加密算法KD，利用路径响应消息SD中所有参数，根据加密算法KD重新计算目的节点校验码得到MIC1 *，并与MIC1比较，若不相等则验证不通过，若相等则验证通过。
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