專利名稱：無線傳感器網(wǎng)絡中基于s-mac的拒絕休眠攻擊的防御方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)的介質(zhì)訪問控制層(MAC層，MAC為Media Access Control的縮寫)的安全技術，具體為無線傳感器網(wǎng)絡中基于S-MAC協(xié)議發(fā)起的拒絕休眠攻擊的防御方法。
背景技術：
無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)技術是一種新型的無線網(wǎng)絡技術，其低成本性和可靈活部署性等特點，使其在軍事，環(huán)境監(jiān)測，醫(yī)療，智能建筑等領域有著廣闊的應用前景，已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的焦點。但WSN也面臨著一大難題，即能量有限。WSN的節(jié)點通常是由電池來供電，一旦電池能量耗盡，也就意味著節(jié)點失效。這個難題給研究者帶來了巨大的挑戰(zhàn)，也給WSN網(wǎng)絡的安全帶來了新的威脅。能量有效性成為了 WSN設計中需要考慮的重要問題之
ο在此挑戰(zhàn)下，就出現(xiàn)了各種WSN節(jié)點的能量保護機制。MAC層的能量保護機制主要是通過讓發(fā)射機定期或不定期的進入睡眠狀態(tài)來減少空閑偵聽等所耗費的能量。最早引入能量保護機制的WSN MAC層協(xié)議是S-MAC協(xié)議，它通過讓節(jié)點周期性地進入睡眠狀態(tài)來節(jié)省能量，并且讓節(jié)點之間利用同步機制形成虛擬簇來減少延遲。S-MAC協(xié)議的同步機制讓節(jié)點周期性的發(fā)送廣播的同步包，來形成和維護虛擬簇，糾正時間偏差。兩個同步包的時間間隔稱為同步周期。每個同步包是lObyte，其中包括休眠時間域，此域告訴收到此包的節(jié)點發(fā)送節(jié)點將在多長時間后再次進入休眠狀態(tài)，占2byte，接收到同步包的節(jié)點會根據(jù)休眠時間域的值調(diào)整自己進入休眠狀態(tài)的時間。另一方面，能量有效性也給攻擊者提供了新的攻擊目標——節(jié)點的能量，攻擊若能使節(jié)點能量快速耗盡就會導致局部或整個網(wǎng)絡癱瘓。雖然S-MAC協(xié)議引入了節(jié)省能量的機制，但是如果攻擊者利用協(xié)議的漏洞來發(fā)起攻擊，則不但可以快速消耗節(jié)點能量，還具有較強的隱蔽性，這種攻擊被稱為拒絕休眠攻擊，這類攻擊對能量的危害是巨大的?；赟-MAC協(xié)議發(fā)起的拒絕休眠攻擊主要是利用協(xié)議的同步機制發(fā)起攻擊，使節(jié)點不能進入休眠狀態(tài)，而持續(xù)處于活躍狀態(tài)，迅速耗盡能量。如果攻擊者不但掌握了協(xié)議的知識和漏洞，還具有滲透網(wǎng)絡的能力，則這種攻擊的危害是相當嚴重的，目前還未見對于此類攻擊的具體有效且開銷小的防御方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種無線傳感器網(wǎng)絡中基于S-MAC的拒絕休眠攻擊的防御方法，通過對收到的同步包進行驗證，判斷是否是正常的同步包，若是，則按正常的處理，否則丟棄，從而防止攻擊者偽造同步包推遲節(jié)點進入休眠狀態(tài)而快速耗盡能量。本發(fā)明無線傳感器網(wǎng)絡中基于S-MAC的拒絕休眠攻擊的防御方法如下無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點在MAC層對收到的同步包進行鑒別，查看其是否為正常的同步包，若是則按 S-MAC的規(guī)則更新本節(jié)點的休眠調(diào)度；若不是，則丟棄。
將本防御方法植入到無線傳感器網(wǎng)絡的S-MAC協(xié)議中，即可實施防御。本防御方法具體步驟如下I、確定鑒別閾值分析正常的同步包中休眠時間域的值的變化規(guī)律，得出正常同步包休眠時間域的最大值Tb和最小值Ts，將Tb和Ts作為鑒別的閾值；II、有防御方法的S-MAC協(xié)議每個節(jié)點使用有防御方法的S-MAC協(xié)議，各節(jié)點對在MAC層收到的同步包先按步驟I的鑒別閾值判斷當接收到的同步包的休眠時間域值Ti滿足Ts ^ Ti ^ TB，被認為是正常的同步包， 按原S-MAC的規(guī)則更新本節(jié)點的進入休眠狀態(tài)的時間；當接收到的同步包的休眠時間域值Ti滿足Ti > Tb或者Ti < Ts，被認為是非正常的同步包，丟棄。步驟I確定鑒別閾值的過程如下以Ttts表示發(fā)送同步包時休眠時間域填充的值，Ttts為發(fā)送同步包時從節(jié)點的周期定時器那里得到的節(jié)點距離下次休眠的時間。T—是發(fā)送同步包時周期定時器的調(diào)度時間，其值為這個調(diào)度開始時節(jié)點距離下次休眠的時間；Tspmd是指從這個調(diào)度開始到發(fā)送同步包時所經(jīng)歷的時間，因此調(diào)度時間Tsctedule減去調(diào)度開始到發(fā)送同步包時所經(jīng)歷的時間 Tspend，即為發(fā)送同步包時節(jié)點距離下次休眠的時間。即如式①Ttts = Tschedul-Tspend①Tdata ^ T
schedul ^^ ^listen當Tsctedule的值處于式②所示的范圍時，節(jié)點處于處理同步包的時段。式中Tdata指每個幀周期中節(jié)點處理數(shù)據(jù)的時段；Tlistm指每個幀周期中節(jié)點處于活躍狀態(tài)的時間，即為節(jié)點處理數(shù)據(jù)的時段Tdata和處理同步包的時段Tsyn之和。這兩個時段是在無線傳感器網(wǎng)絡建立時已經(jīng)確定的定值。式①中Tspmd的值的變化范圍如式③所示。0 彡 Tspend 彡 Tsyn③由式①②③即可得到Ttts值的范圍如下式④Tdata-Tsra 彡 Ttts 彡 Ilisten④也就是正常同步包休眠時間域的最小值Ts為無線傳感器網(wǎng)絡建立時確定了的節(jié)點處理數(shù)據(jù)的時段Tdata和處理同步包的時段Tsyn之差，最大值Tb為此二時段之和。即下限閾值Ts = Tdata-Tsffl上限閾值Tb = T
listen0由此可見無線傳感器網(wǎng)絡建立時確定了節(jié)點處理數(shù)據(jù)的時段Tdata和處理同步包的時段Tsyn也就確定本方法的鑒別閾值。閾值和本防御方法添加到無線傳感器網(wǎng)絡的 S-MAC協(xié)議中，即可自動實施防御，無需用戶直接進行操作。本發(fā)明無線傳感器網(wǎng)絡中基于S-MAC的拒絕休眠攻擊的防御方法的優(yōu)點為1.鑒別規(guī)則簡單，不需要復雜的檢測和計算，從而不需要額外消耗太多的能量；2.當攻擊者滲透網(wǎng)絡，與網(wǎng)絡的其他節(jié)點形成虛擬簇，偽造簇頭的ID構(gòu)造偽造的同步包時；本法讓節(jié)點能夠辨別偽造的同步包，有效地抵御攻擊，依然按照正常的休眠調(diào)度來節(jié)省能量；3、本法添加在網(wǎng)絡所使用的S-MAC協(xié)議中，無需用戶直接操作。


圖1為實驗網(wǎng)絡拓撲圖；圖2為攻擊原理示意圖；圖3為目標節(jié)點被攻擊前后的休眠周期對比圖；圖4為目標節(jié)點被攻擊前后隨時間下降的剩余能量對比圖；圖5為目標節(jié)點使用本防御方法后被攻擊前后的休眠周期對比圖；圖6為目標節(jié)點使用本防御方法后被攻擊前后隨時間下降的剩余能量曲線，與未用本防御方法被攻擊后隨時間下降的剩余能量曲線對比圖。
具體實施例方式以下結(jié)合

本無線傳感器網(wǎng)絡中基于S-MAC的拒絕休眠攻擊的防御方法的具體實施實例。圖1是模擬防御攻擊方法的實驗拓撲結(jié)構(gòu)。通過ns2仿真軟件對本例拒絕休眠攻擊進行仿真。其中n4為攻擊節(jié)點，nl為被攻擊節(jié)點。數(shù)據(jù)流從nl到π3，仿真時間是100s， 從40s開始發(fā)送數(shù)據(jù)包。路由協(xié)議采用A0DV。攻擊時n4使用基于S-MAC修改過的協(xié)議，命名為A-MAC，其他節(jié)點使用標準的S-MAC模塊。節(jié)點的初始能量均為1000焦耳。利用S-MAC協(xié)議的漏洞，η4只要通過周期性的發(fā)送偽造的同步包即可不斷推遲目標節(jié)點進入休眠狀態(tài)的時刻，直到其能量耗盡。拒絕休眠攻擊原理如圖2所示。圖2的Ε、 F、G分別描述了簇頭節(jié)點，被攻擊節(jié)點和攻擊節(jié)點的不同休眠周期，如圖2所示，L時間段節(jié)點在偵聽，S時間段節(jié)點在休眠。簇頭節(jié)點E發(fā)起調(diào)度，虛箭頭表示簇頭節(jié)點E發(fā)送的同步包，告知其他節(jié)點該簇頭節(jié)點距離下次進入休眠狀態(tài)的時間——即同步包中休眠時間域的值。接收到此包的節(jié)點隨即設置和簇頭一樣的調(diào)度，從而形成虛擬簇。在經(jīng)過同步周期 P時段后，簇頭會再次發(fā)送同步包。攻擊者在接收到簇頭的同步包后，就構(gòu)造并發(fā)出偽造的同步包，即圖2G中的實心箭頭，偽造休眠時間域的值T大于同步周期P，簇內(nèi)的被攻擊節(jié)點 F接收了偽造的同步包，就會一直處于偵聽狀態(tài)，直到下個偽造的同步包又再次推遲它進入休眠狀態(tài)，因此該節(jié)點F —直處于活躍狀態(tài)。圖3中橫坐標為時間，縱坐標為無線傳感器網(wǎng)絡上未使用本防御方法的某個節(jié)點 nl的狀態(tài)，nl的狀態(tài)有兩種，一種是休眠，狀態(tài)值為0 ；—種是活躍(即在偵聽)，狀態(tài)值為 1。圖3A表示nl被攻擊前的休眠周期；圖;3B是nl被攻擊后的休眠周期。從圖3中可以看到，nl被攻擊后，在網(wǎng)絡同步后的時間內(nèi)均無法進入休眠狀態(tài)，與正常情況下的休眠周期形成鮮明的對比。圖4中橫坐標為時間，縱坐標為無線傳感器網(wǎng)絡上未使用本防御方法的某個節(jié)點 nl的剩余能量。其中星型線條為nl被攻擊前的剩余能量曲線，矩形線條為被攻擊后的剩余能量曲線，從圖4中可以看到，nl被攻擊后能量直線下降，與被攻擊前的剩余能量形成鮮明的對比。攻擊仿真實例結(jié)束后，節(jié)點nl被攻擊前的剩余能量為980焦耳，被攻擊后的剩余能量為968焦耳，與攻擊前的能耗相比，能耗增加了 60%。由此可以看出拒絕休眠攻擊將大量消耗基于S-MAC的無線傳感器網(wǎng)絡WSN節(jié)點的能量，嚴重地影響無線傳感器網(wǎng)絡的正常運行。本無線傳感器網(wǎng)絡基于S-MAC的拒絕休眠攻擊的防御方法具體實施步驟如下I、確定鑒別閾值分析正常的同步包中的休眠時間域的值的變化規(guī)律，得出正常同步包休眠時間域的最大值Tb和最小值Ts，將Tb和Ts作為鑒別的閾值；正常同步包休眠時間域的最小值Ts為無線傳感器網(wǎng)絡建立時確定了的節(jié)點處理數(shù)據(jù)的時段Tdata和處理同步包的時段Tsyn之差，最大值Tb為此二時段之和。II、有防御方法的S-MAC協(xié)議即newS-MAC如圖1所示，n0、nl、n2、n3均使用newS-MAC協(xié)議，n4節(jié)點仍使用生成偽同步包的 A-MAC協(xié)議n0、nl、n2、n3節(jié)點對在MAC層收到的同步包先按步驟I的鑒別閾值判斷當接收到的同步包的休眠時間域值Ti滿足Ts ^ Ti ^ TB，被認為是正常的同步包， 按原S-MAC的規(guī)則更新本節(jié)點的進入休眠狀態(tài)的時間；當接收到的同步包的休眠時間域值Ti滿足Ti > Tb或者Ti < Ts，被認為是非正常的同步包，丟棄。圖5橫坐標為時間，縱坐標為nl的狀態(tài)。其中圖5C為nl被攻擊前的休眠周期曲線；圖5D為其使用了 newS-MAC協(xié)議時被攻擊后的休眠周期曲線。從圖5中可以看出，使用了 newS-MAC協(xié)議后，nl被攻擊后的休眠周期基本與被攻擊前的正常的休眠周期吻合。圖6橫坐標為時間，縱坐標為nl剩余能量。其中三角形線條是nl未受攻擊的剩余能量曲線；星型線條是nl使用了 newS-MAC被攻擊后的剩余能量曲線；矩形連線是nl未用本防御方法被攻擊后的剩余能量曲線。從圖6中可以看出，在使用了本防御方法后，nl被攻擊后的剩余能量基本與未攻擊的情況相近，與不用本防御方法被攻擊后能量直線下降的情況形成鮮明的對比。從本實施例看出本發(fā)明的防御方法對拒絕休眠攻擊的防御明顯有效。上述實施例，僅為對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進一步詳細說明的具體個例，本發(fā)明并非限定于此。凡在本發(fā)明的公開的范圍之內(nèi)所做的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.無線傳感器網(wǎng)絡中基于S-MAC的拒絕休眠攻擊的防御方法，其特征在于無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點在MAC層對收到的同步包進行鑒別，查看其是否為正常的同步包，若是則按S-MAC的規(guī)則更新本節(jié)點的休眠調(diào)度；若不是，則丟棄。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡中基于S-MAC的拒絕休眠攻擊的防御方法， 其特征在于所述本無線傳感器網(wǎng)絡防御基于S-MAC的拒絕休眠攻擊的方法植入到無線傳感器網(wǎng)絡的S-MAC協(xié)議中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無線傳感器網(wǎng)絡中基于S-MAC的拒絕休眠攻擊的防御方法，其特征在于具體步驟如下I、確定鑒別閾值分析正常的同步包中的休眠時間域的值的變化規(guī)律，得出正常同步包休眠時間域的最大值Tb和最小值Ts,將Tb和Ts作為鑒別的閾值；II、有防御方法的S-MAC協(xié)議每個節(jié)點安裝有防御方法的S-MAC協(xié)議，各節(jié)點對在MAC層收到的同步包先按步驟I 的鑒別閾值判斷當接收到的同步包的休眠時間域值Ti滿足TsSK TB，被認為是正常的同步包，按原 S-MAC的規(guī)則更新本節(jié)點的進入休眠狀態(tài)的時間；當接收到的同步包的休眠時間域值Ti滿足Ti > Tb或者Ti < Ts，被認為是非正常的同步包，丟棄。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無線傳感器網(wǎng)絡中基于S-MAC的拒絕休眠攻擊的防御方法， 其特征在于步驟I確定的正常同步包休眠時間域的最小值Ts為無線傳感器網(wǎng)絡建立時確定了節(jié)點處理數(shù)據(jù)的時段Tdata和處理同步包的時段Tsyn之差，而且最大值Tb為此二時段之和。
全文摘要
本發(fā)明為無線傳感器網(wǎng)絡中基于S-MAC的拒絕休眠攻擊的防御方法，WSN的節(jié)點在MAC層對收到的同步包進行鑒別，查看其是否為正常的同步包，若是則按S-MAC的規(guī)則更新本節(jié)點的休眠調(diào)度；若不是，則丟棄。將本防御方法添加到網(wǎng)絡的S-MAC協(xié)議中，即可實施防御。具體步驟是先確定正常同步包中休眠時間域的最大值TB和最小值TS，當接收到的同步包滿足TS≤Ti≤TB，為正常，否則作為不正常的丟棄。Ts為WSN確定的節(jié)點處理數(shù)據(jù)的時段Tdata和處理同步包的時段TSYN之差，TB為此二時段之和。本防御方法添加到WSN的S-MAC協(xié)議中，即可自動實施防御。本發(fā)明鑒別規(guī)則簡單，消耗能量少；可有效地抵御攻擊，按照S-MAC節(jié)省能量；且無需用戶直接操作。
文檔編號H04W84/18GK102325125SQ20111013570
公開日2012年1月18日 申請日期2011年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月24日
發(fā)明者葉進, 宋曉燕 申請人:桂林電子科技大學