IEEE802.15.4中的安全研究及缺陷分析

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摘要：IEEE 802.15.4是无线传感器网络物理层和MAC层的工业标准，介绍了该协议中的安全体系：安全服务、安全模式、安全组件，并对CTR、CBC-MAC、CCM三种操作模式进行了详细的剖析，最后对该协议本身的缺陷造成容易受到的同nonce攻击、重发防止攻击、ACK攻击进行了分析，还提出了相应的对策。

关键词：WSN；IEEE 802.15.4；安全；CCM

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）25-5611-04

无线传感器网络（WSN：Wireless Sensor Networks）是集成了传感器、微机电、现代网络和无线通信技术，具有信息感知、采集和处理功能的综合性智能通信系统，在工业、 农业、 军事、 环境、 医疗、 交通等领域具有广泛的应用[1]。2003年，IEEE标准委员会了WSN方面的国际标准IEEE 802.15.4正式版，此后在应用领域取得了长足的进步。针对不同的应用场合对安全的不同需求，该协议还提供了不同的安全服务，在MAC层保证通信的安全性，从而扩展了WSN的应用领域。

1 IEEE 802.15.4 MAC层提供的安全

IEEE 802.15.4的安全通过维护一个访问控制列表（ACL：Access Control List）和使用对称加密方式保护数据帧的方式得以保证。不同的WSN安全应用，对安全的考量和需要也是不一样的，协议也提供了不同的安全级别。该标准的所有安全机制都是采用对称加密算法，密钥由上层提供，这些机制都是建立在这样一个基础上：密钥的产生、管理、分配都是安全的。

1.1 安全服务

1） Access Control即访问控制：WSN中的每个节点都维护着一个ACL，并按照该清单对接收到的数据帧进行过滤，只有来自ACL名单中的数据帧才被保留，否则一律丢弃，这个类似白名单的处理方式，不在白名单中的，一律视而不见。在不断有新节点加入的时候，必须有效地、动态去维护这个ACL。而且当某些节点被截获之后，得知这些ACL，或者某些非法节点通过伪造身份的方式进入网络，此时ACL就变得毫无用处，因此在新版本中，这个功能已经被删除。

2） Data encryption即数据加密：采用对称密码和AES算法（AES：Advanced Encryption Standard即高级加密标准）对数据进行加密以防止不拥有密钥的攻击者读取数据。在未知密钥的前提下，即使接收到部分或者全部的数据，也很难破解数据。只有共享密钥的这些设备才可以对信息进行解密。

3） Frame integrity即完整性检验：帧完整性是利用消息完整码（MIC：Message Integrity Code），防止数据被攻击者截获之后进行篡改，它进一步对发送发进行保证。

4） Sequential freshness即序列更新：序列更新可以保证每次发的数据加上不同的部分，从而一定程度上防止重发攻击。

1.2 安全模式

IEEE 802.15.4 MAC层提供三种安全模式：非安全模式，ACL模式，安全模式：

1）非安全模式：即不采用任何的安全措施，MAC层对所有发送和接收的数据帧不进行任何的过滤、加密或解密、检验。很显然，这是针对那些不需安全保证，或者是最廉价的应用。

2）ACL模式：对MAC层的进出的数据帧不进行加密，仅仅是对照ACL列表（相当于是白名单列表）进行过滤。

3）安全模式：该模式下在ii的基础上，还为数据帧进行加密/解密保护，根据不同的需求，该模式下提供7种不同组件（或称级别）的安全保护。

1.3 安全组件

IEEE 802.15.4定义安全组件如表1所示，除了第一个以外，其余的都是采用AES加密算法，对数据帧采用一定的保护，可以看出，该协议为应用提供了相当大的灵活选择空间。

1）第一部分AES，表示所有的对称加密算法全部采用AES；

2）第二部分表示可以采用的操作模式，三种模式提供的服务是不一样的；

3）第三部分帧完整性检验码MIC的位数，有三个取值32、64和128。

其中的AES加密算法是美国政府的联邦信息处理标准，该算法由比利时两位密码专家Joan Daemen和Vincent Rijmen联合提出，简称为Rijndeal算法。因为它在安全性、高性能、有效性、易实现、灵活性等方面比其他的算法更加突出，同时在同样的硬件和软件平台上有着更加的性能表现、且对内存需求更低，因此在2001年被NIST选作替换DES的AES的算法，在2002年被美国政府确定为政府标准。AES规定了三种可选的密钥长度：128位、192位和256位。IEEE 802.15.4协议规定采用128位加密。

2 操作模式

2.1 CTR模式（Counter Mode）

3.1 Same-nonce攻击

IEEE 802.15.4的节点都维护着一个ACL，每个ACL项都保存着与相应节点关联的密钥和nonce。发送方根据目的地址从ACL中选择相应的项进行上述的操作。但是有这样一种可能：两个ACL项中的保存着相同的密钥和nonce（nonce还用来作为帧的计数器）。假设两段明文（P1，P2）和用相同的密钥和nonce进行加密后的密文（C1，C2），如果攻击者截获了密文，虽然不知道密钥，但是因为用来加密的密码、计算器都是相同的，那么也可以得到P1P2=C1C2，于是可以从中获取很多有用的信息。在节点出现电池耗尽、休眠模式等情形时容易发生nonce相同的问题。而密钥相同的情况就更多了，比如在使用广播密钥、组密钥的时候。

这就是把nonce即当做IV，还当成帧计数器的设计本身带来的问题，因此，建议把nonce和帧计数器完全独立，并且同时启用。这样做虽然会带来一定的额外开销，但是可以使得安全得到更好的保证和加强。

3.2 重发防止（Replay-protection）攻击

IEEE 802.15.4的序列更新可以用来防止消息重发攻击，接收方通过对比检查最近的计数器与接收到的数据帧中的计数器，如果后者小于等于前者，就认为该帧是重复的，直接拒绝。但是这样的机制却会导致另外的一种攻击——重发防止（Replay-protection）攻击，显然这也是DoS攻击的一种。非常容易发起这样的重发防止攻击：攻击者不断向一个节点发送包含不同的较大的帧计数器的数据帧，接收节点根据协议规则不断刷新帧计数器，直到最大的那个；此时，一个正常节点要向其发送包含普通大小帧计数器的数据，这些帧中的计数器因为小于接收节点维护的那个计数器，因此都被丢弃处理，也就是说，这个节点已经拒绝服务了。

如果我们选择timestamp时间戳，而不是帧计数器作为序列更新的依据，就可以避免这样的攻击。接收方将收到的帧中的时间戳与上次的时间戳进行对比，只要迟于上次的时间戳，就直接丢弃。这样可以同时防止前面两种攻击。不仅如此，当一个节点从休眠模式醒来，或者在掉电后补充了电能，它会和协调器联系，通过信标帧对自己的时钟进行同步，为发送数据做好时间戳，而不是继续使用以前的帧计数器。这样上述的DoS攻击都可以有效避免。

3.3 ACK攻击

IEEE 802.15.4中对ACK帧没有提供完整性验证的服务，当发送一个数据帧到另一个节点的时候，攻击者发出干扰信号给接收节点，导致接收节点拒绝这个数据帧，紧接着，攻击者发送一个伪造的ACK帧给发送方，告知数据已经成功接收，于是对通信双方造成极大的干扰。

如果在ACK帧后面加上MIC验证码，就可以很好的避免这样的攻击。代价仅仅是增加一4个字节（32位MIC）的开销。

4 结束语

IEEE 802.15.4是目前物联网界的工业标准，安全性也是该标准的重要组成部分，该标准为不同的应用环境和安全需求提供了不同级别的安全组件，有最低的无安全、有仅提供数据加密服务的（CTR模式）、有仅提供完整性验证服务的（CBC-MAC模式），当然也有同时提供加密和完整性验证服务的（CCM模式），后两模式还各提供三种验证长度作为不同的级别供选择。很好的考虑了WSN低能耗、低计算能力、低复杂度等特点。但是这样的安全机制是实际中也不是完全无懈可击，由于把帧计数器和Nonce数混在一起，会导致新的问题产生，文章列举了几种常见的缺陷，也给出了简单的解决方法。

参考文献：

[1] 孙利民，李建中，陈渝，等.无线传感器网络[M]. 北京：清华大学出版社，2005.

[2] ZigBee Alliance[OL]， “Understanding ZigBee gateway”， ZigBee Document 095465r13， September 2010.

[3] Yang Xiao，HsiaoHwa Chen，et al.MAC Security and Security Analysis in the IEEE 802.15.4 Wireless Sensor Networks[J].EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking，2007：1-12.

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