下面我将从安全需求、面临的威胁、核心技术、以及未来趋势四个方面，全面地阐述无线传感器网络安全技术。
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无线传感器网络的安全需求
WSN的安全需求通常可以概括为以下几个核心属性,它们共同构成了一个安全目标：
- 机密性：这是最基本的需求，确保网络中的敏感数据（如监测信息、节点身份、密钥等）不被未授权的实体（如窃听者）获取，由于WSN通常通过无线信道通信，数据很容易被截获，因此机密性保护至关重要。
- 完整性：确保数据在传输或存储过程中没有被未授权地篡改，接收方能够验证收到的数据是否与原始数据一致，防止攻击者恶意修改或伪造数据。
- 新鲜性：确保数据是时效的，防止攻击者通过重放旧的、合法的数据包来破坏网络正常运行，一个攻击者可以重放一个“节点已死亡”的消息，导致网络错误地将一个正常节点隔离。
- 可用性：确保网络服务和资源能够被授权用户正常访问，攻击者通过耗尽节点能量、干扰通信或发送大量垃圾数据等方式，可以使网络瘫痪，拒绝服务。
- 真实性：确保节点的身份是真实的，防止恶意节点伪装成合法节点（如基站或其它传感器节点）加入网络、发布虚假指令或窃取信息。
- 鲁棒性：网络在遭受攻击或部分节点失效后，仍能维持其基本功能的能力，WSN部署环境恶劣，节点易被物理捕获或破坏，安全机制必须具备一定的容错和自愈能力。
- 自组织性：WSN通常是动态部署的，没有固定的基础设施，安全机制必须支持节点在无中心管理的情况下，自动完成密钥分发、身份认证等安全任务。
WSN面临的主要安全威胁
根据攻击者的行为,可以将威胁分为两大类：被动攻击和主动攻击。
| 攻击类型 | 描述 | 例子 |
|---|---|---|
| 被动攻击 | 攻击者不干扰网络正常通信，只是窃听信息以获取机密数据。 | 窃听：攻击者监听无线信道，获取传感器收集的敏感数据（如温度、位置、军事部署信息）。 |
| 主动攻击 | 攻击者主动向网络注入恶意数据或干扰正常通信。 | 数据篡改：修改传感器采集的数据或传输中的报文。 |
| 女巫攻击：单个节点伪造多个身份，破坏路由协议和数据聚合。 | ||
| 选择性转发：恶意节点选择性地转发某些数据包，丢弃其他包，制造黑洞。 | ||
| 黑洞攻击：恶意节点声称自己拥有到目的节点的最短路径，吸引所有流量，然后丢弃所有数据包。 | ||
| 虫洞攻击：两个恶意节点通过私有信道（如长距离通信）转发数据，制造出一条“捷径”，诱使数据流经它们。 | ||
| 洪泛攻击：攻击者向网络广播大量垃圾数据，耗尽节点的计算、存储和能量资源，导致拒绝服务。 | ||
| 重放攻击：截获一个合法的数据包后，在稍后时间重新发送，以破坏数据的时效性或进行身份欺骗。 | ||
| 物理攻击 | 攻击者物理接触到传感器节点。 | 节点捕获：攻击者捕获节点，通过物理手段（如JTAG调试接口）读取存储在节点中的所有信息，包括密钥、代码和数据，这是WSN最致命的威胁之一，因为一旦密钥泄露，整个网络的安全性都将崩溃。 |
核心安全技术
针对上述威胁和需求,WSN的安全技术主要集中在以下几个层面：
密钥管理技术
密钥管理是WSN安全的基石,因为加密、认证等所有安全操作都依赖于密钥，由于节点资源有限且可能被捕获，密钥管理方案必须非常轻量级和安全。
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主密钥方案
- 描述：在节点部署前，为网络中每一对节点都预分配一个唯一的共享主密钥，或者，所有节点都与基站共享一个全局主密钥。
- 优点：安全性高，任何两个节点都可以直接通信，无需密钥协商。
- 缺点：存储开销巨大，不适用于大规模网络，全局主密钥一旦泄露，全网崩溃。
- 适用场景：节点数量非常少（< 10个）的微型网络。
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密钥预分配方案
- 描述：最经典和广泛使用的方案，每个节点在部署前都随机从一个大的密钥池中预装载一部分密钥，如果两个节点预分配了至少一个相同的密钥，它们就可以建立安全连接。
- 代表方案：E-G方案（Eschenauer-Gligor），通过分析图论中的连通性，可以计算出密钥池大小、每个节点装载的密钥数量和网络连通性之间的关系。
- 优点：存储开销和通信开销可控，适用于大规模网络。
- 缺点：存在孤立节点（没有共享密钥的节点）的风险，且密钥一旦被捕获，与该节点共享该密钥的所有链路都将不安全。
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基于密钥管理的安全路由协议
- 描述：将密钥管理机制与路由协议相结合，节点只与拥有共享密钥的邻居节点建立路由链路，或者对路由控制信息进行加密和认证，防止恶意节点注入虚假路由信息。
- 代表协议：SRP (Secure Routing Protocol)，SEAD (Secure Efficient Ad hoc Distance vector routing) 等。
数据安全与加密技术
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对称加密
（图片来源网络，侵删）- 描述：使用相同的密钥进行加密和解密。
- 优点：计算开销小，加密/解密速度快，非常适合资源受限的WSN。
- 代表算法：
- AES (Advanced Encryption Standard)：目前最主流的对称加密算法，安全性和效率都很好，是WSN的首选。
- RC5/RC4：轻量级算法，曾经很流行，但现在被认为安全性不如AES。
- 应用：主要用于保护数据的机密性。
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非对称加密
- 描述：使用公钥和私钥对，公钥用于加密，私钥用于解密。
- 优点：密钥分发简单，可以实现数字签名，用于认证和完整性校验。
- 缺点：计算复杂度极高，能耗巨大，不适合WSN中大量数据的加密。
- 应用：通常只在网络初始化阶段（如基站与节点之间）用于建立安全会话或分发对称密钥，代表算法有RSA和ECC (Elliptic Curve Cryptography)，ECC因其密钥短、计算量小的优势，比RSA更适合WSN。
节点认证与身份识别技术
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对称密钥认证
- 描述：节点之间通过共享的秘密密钥来互相认证身份，使用消息认证码来验证消息的来源和完整性。
- 优点：效率高，资源消耗低。
- 缺点：依赖于安全的密钥预分发。
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基于非对称密钥的认证
- 描述：使用数字签名，发送方用自己的私钥对消息进行签名，接收方用发送方的公钥验证签名。
- 优点：安全性更高，无需预先共享密钥。
- 缺点：计算和通信开销大。
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基于轻量级哈希函数的认证
- 描述：针对WSN设计了专门的轻量级哈希函数和认证协议，使用μTESLA协议实现广播认证。
- μTESLA协议：一种高效的广播认证方案，基站先公布一个密钥链的哈希值，然后延迟一段时间后再公布密钥本身，节点在收到密钥后，可以验证之前收到的消息是否是用该密钥加密的，从而实现对广播消息的延迟认证。
入侵检测与防御系统
由于任何安全措施都不是100%完美的，WSN需要具备检测和响应攻击的能力。
- 轻量级入侵检测系统
- 描述：通过监控网络流量、节点行为（如异常的数据转发模式、能量消耗激增）等，来检测是否存在恶意节点或攻击行为。
- 技术：
- 基于统计：建立正常行为的统计模型，当观测值偏离模型时，触发警报。
- 基于信誉：每个节点维护一个邻居节点的信誉表，节点根据其行为（如实时转发
