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无线传感器网络的智能交通系统的安全分析
2013-01-07    来源:

摘要:无线传感器网络(WSNs)在智能交通系统(ITSs)里的应用在过去的十年内有广泛的研究。计算机和信息技术的研究成果支持着交通基础设施应付严重的失态如交通堵塞,以及紧急情况如严重交通意外。传感器节点捕捉数据报告给一个中央收集装置,中央收集装置分析数据并且在必要的时候采取适当的行动。由于现有的资源和计算能力的约束,这个应用中安全构成是一个严峻的挑战。特别是不同方面的安全性(保密性,完整性和可用性)迫切的需要ITSs方面的研究。本文提出了一种安全问题的深入调查,独特的无线传感器网络为基础的只能交通系统以及分析了一些有效的对策,达到了一定程度上的安全。

 

关键词:无线传感器网络,智能交通系统,安全。

 

1.引言

1.1无线传感器网络

   无线传感器网络是一个无线网络的空间组成,在不同的位置的分布式自主设备通过传感器合作监控物理或者环境条件,如温度、声音、震动、压力、运动、污染。无线传感器网络的应用日益增长,因为无线传感器网络成本低且能提供监控区内高质量的信息。无线网络传感器的主要目的是监控物理或者环境的现象,如温度、声音、震动、相对湿度、污染物等。本来作为军事应用的战场监视无线传感器网络最终变成民用,例如运动跟踪、交通监控、火灾探测、地震传感、家庭自动化,这些只是其中一部分。如今无线网络传感器的不同方面吸引了广泛的研究,以及大批的研究员。

 

1.2智能交通系统

   智能交通系统是证明无线网络传感器有效性的一个有趣的领域。智能交通系统运用计算机和信息技术的进步来改善新的和现有的交通运输系统的效率。通过监测和追踪服务,可以持续的监控城市和农村地区的交通条件。这样可以正确的在交通拥挤的时候正确的做出指挥,避免道路拥挤,直接解决了交通挤塞问题。此外,智能交通系统可用于管理停车场,汇报紧急情况、导航、播报高速公路交通状况、提供旅客信息,避免车辆碰撞,加强司机的安全。

 

2.智能交通系统中的无线传感器网络

2.1应用

传统的交通信息系统基于一个集中式结构,感应线圈或者设置在路面的雷达和照相机不断地监控道路交通。所收集的数据通常粗存在可回收的磁带中,或者通过互联网传输到远程的控制室进行进一步的处理。然而,这些系统的传输、处理和通讯设备需要大量公共投资。此外,这种系统的特点是反应时间缓慢,不适用于各种基于准确和及时的交通认知进行决策的应用上。此外,这些系统和车辆之间的通信通常只是单方向的。结合无线传感器网络的智能交通系统因其特殊的功能可以解决传统的有线传感器的相关问题而非常诱人。无线传感器的节点体积小、成本低、安装简单、部署密集、节能,并且可以有效地自我配置,以应付节点的突然失效。无线传感器网络增强了交通基础设施的覆盖面,从而可以在交通管理中找到更好的决策。无线传感器网络的部署吸引了研究社区和几个研究调查这一做法的好处。Tubaishat等人给无线传感器网络在智能交通系统中作用分为三大领域:1)监控停车场,2)交通监测和控制,3)交通预计。重要的是要注意,这些应用有两种类型的信息通信,即车辆对车辆(V2V)和车辆对基础设施(V2I)通信。

上述应用的主要缺点之一就是严重缺乏安全性,入侵者可以用大量的虚假道路实况信息,或者检测一些车辆的一些机密信息来攻击网络,例如车辆超速发出的信息或者是处于一些特定的服务查询的情况下。另一方面,实时数据船速的可靠性和安全性是一个重要因素。

2.2无限传感器网络应用的安全约束

这是一个具有挑战性的任务,因为有智能交通系统中独特的传感器约束,一些制约因素如下:

内存和存储空间。一个典型的低成本传感器(例如MICAz)有8位,8MHz RISC CPU 而只有128K字节的内存,4字节的EEPROM和堆栈/BBS4字节SRAM的配置变量。由于传感器必须适应操作系统和其他非安全相关的程序。安全机制必须保持很小。

电源。能源可能是最大的制约因素。大多数传感器是电池供电,因此部署在人迹罕至的环境中无法为传感器更换电池。安全机制占传感器消耗功率有:计算安全职能发送/接收安全相关信息和储存安全相关材料。

不可靠通信。无线媒介本质上是不可靠的。无线传感器网络中,由于通道错误或者被拥塞的节点丢弃,数据包有可能被损坏。此外,无线信道的广播特性可导致冲突。延迟也会导致依赖及时事件报告和密匙分配的无线传感器网络安全不利。

2.3智能交通系统中无线传感器网络的安全威胁

在有无线网络传感器应用的智能交通系统中,操纵节点之间的数据传输制造出一个虚假的交通状况可能是入侵者和攻击者的主要目标。实际交通信息的传输和信息融合的需求使安全无线传感器网络与其他网络不同

因此智能交通系统中的应用中,安全性集中在以下几个方面:

a)       数据安全性:由于智能交通系统中无线传感器网络的广播特性,无线路由数据使窃取者和对手更容易捕捉到信息。传感器节点很容易被对手捕捉到。传感器节点的内存很容易被读取出来。而对手也可以写一些恶意代码进入传感器的内存。此外,传感器使用无线电相互通信。消息可以很容易的被别人窃取或者修改。无线传感器网络的主要安全需要是保证数据的安全性。那就是所有的消息都要有保密性、完整性、真实性、可用性。

b)       路由攻击:指向无线传感器网络中路由功能的攻击非常危险。事实上,因为每个传感器节点在网络中都承担路由功能,所以这种破坏路由机制的攻击将会瓦解整个无线传感器网络,将在网络上造成严重后果。路由攻击的例子有:指向性的转发、误导、虫洞和HELLO冲击。

c)       交通信息在无线传感器网络的智能交通系统中以扣带型拓扑传输。无线传感器网络给智能交通系统的是一个不对称的数据流。这使的无线传感器网络路由不同于其他的路由。传统的网络路由协议不适合无线传感器网络。传统的路由协议不会注意能源消耗以及频繁的网络拓扑结构的变化。这些路由协议大多是寻找优化的路由路径。如果所有的传感器节点都沿着这条路径发送信息,那么中间的节点将会很快耗尽自己的能量。因此,低消耗的协议非常必要

3.安全机制分析

按照第2条所述的威胁模型,确立出一系列安全对策和建议。

 

3.1数据保密性

网络上可能会出现故意暴露出来的攻击。一般来说,这种攻击是知情者访问一个预配置库来增加一个特殊的节点。这个知情者的目标是欺骗网络中的管理员/网关的身份验证机制,让他们认为这个节点在网络中是合法的。

一般情况下,防止这种攻击的方法之一就是建立与严格的安全策略一起工作的物理监控机制,例如摄像机。因此任何类型的预配置实验室的密钥都应该被登记。此外,有必要经常更新操作者的安全凭据(比如密码,智能卡等)来限制存取系统的重要部分。另一方面,实时智能和动态任务控制机制用来实时登陆存在的事件也非常有趣。

3.3入侵检测系统(IDS

入侵检测系统(IDS)可以检测妥协的保安措施,因此可以处理渗透在网络中的攻击。通常情况下,智能交通系统包含了一个固定传感器(路边传感器)和移动传感器(安装在车辆上)。移动传感器的组件造成入侵检测系统的主要难点,应该有明确的方法检测不断进出无线传感器网络覆盖面积的车辆的传感器是是入侵传感器还是合法的传感器。这是一个不断变化的拓扑结构,指向无线传感器网络拓扑结构的攻击是非常有效的(比如攻击耗光节点的能源,强迫节点失效,影响网络拓扑结构,甚至使网络被分割开)。一个合作式的无线传感器网络入侵检测系统可以通过在每一个网络中的传感器节点中安装入侵检测系统代理来实现。入侵检测系统代理分配了三个主要任务,即网络监控(收集审计数据),决策(决定承载节点上的威胁级别),和行动(响应入侵)。虽然所有节点上的代理适用于网络监控程序,只有一部分的节点会被选中(按照一定的分布式机制)来执行决策和行动的任务。后者是网络节省功耗的关键。

3.3网络架构

众多无线传感器网络的文献中已经提出架构无线传感器网络的方法。在一般情况下,无线传感器网络节点分散在一个区域。这些节点合作收集数据并且向“汇聚”的节点发送。通常情况下,汇聚节点是一个基站(BS),这是一个链接无线传感器网络到有线网络的一个强大的链接站。两种基本无线传感器网络架构,可用于低成本且安全的无线网络基础设施

A.      分层架构

在这个架构中的传感器节点层层围绕在基站,每一层所包含的节点与基站拥有相同的跳次计数。距离基站一跳距离的节点都在第一层,距离基站两跳的节点都在第二层,以此类推。这种架构的主要优点是节点与其邻层之间只需短距离通信。这实现了高效节能,是一个关键的设计因素。

B.      群集架构

这种架构中传感器节点被布置在集群中,被选中的簇头节点支配。在这个架构中,同集群的节点通过各自的簇头节点交换数据包。只有簇头节点与基站通信。在每个簇中,组头结点聚合来自群集成员的数据,并且消除所有的冗余。后者的功能显著减少基站承受到的通讯流量强度。

4.结论

本文所研究的无线智能交通系统,针对有限资源并且需要严格无线传感器网络安全的无线智能交通系统。作者得出首要解决的问题是实现足够的安全性。以及提出并分析了几个为了达到一定安全的机制。事实上,智能交通系统中安全是关键,因为一个节点或者一系列节点输入的虚假数据就可能导致旅客获得了错误的道路情况的信息。各种安全挑战应该是今后研究的考虑范围中。

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