基于信任评估的工业无线网络安全研究

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随着无线传感器网络技术的快速发展和日益成熟,在20世纪90年代初期,无线技术走入了工业控制系统领域,成为工业控制系统的一个研究热点;工业无线技术拥有低成本、低功耗、简单方便部属、维护成本低等众多优点,拥有大规模广泛应用的前景。多个国家和多家企业纷纷加入到工业无线网络技术的研究和开发当中,并且出现了被国际上认可的多个协议标准,其中WIA-PA标准作为我国自主知识产权的工业无线网络标准,它的审批通过,表明了我国在工业无线网络技术的研究领域当中,已经处于技术先进的国家之一工业无线网络WIA-PA作为一种新兴的技术,拥有高实时性、高可靠性、低功耗与低成本的特点,在各个方面研究不断走向成熟的同时,也存在着传统无线网络中的技术难题,如网络安全问题。工业无线网络WIA-PA采用无线通信传输技术,并且采用2.4GHz共享频段通信,所以潜在的会受到外部各种各样网络攻击,此外工业无线网络应用于工控领域,安全对于设备正常运转和生产都尤为重要,因此,确保WIA-PA网络安全具有相当重要的研究意义。2011年10月,我国工业和信息化部明确下发了《关于加强工业控制系统信息安全管理的通知》,要求加强重点领域工业控制系统关键设备的信息安全测评工作,以及建立工业控制系统信息安全检查制度,并且建立信息安全漏洞信息发布制度,这使得解决工业无线网络的网络安全问题成为一个亟待解决的研究课题。在WIA-PA技术协议栈层次结构中,物理层和MAC层兼容IEEE802.15.4协议,其安全服务对WIA-PA网络起到一定的防护作用,并且采用加密算法与密钥管理,能够有效抵抗一些典型的外部网络攻击,在一定程度上有效的防止了网络机密数据被窃取所引起的数据泄密。然而,如果网络中有节点被外部恶意攻击俘获,此节点便拥有了网络内部的密钥和加密信息,从而对网络内部发起攻击,现有的加密算法与密钥管理并不能有效的解决。因此,有效解决网络内部恶意节点的攻击,成为保护网络安全的最后一道屏障。针对提高网络安全性,及时发现网络内部恶意节点,抵御网络内部恶意节点的攻击破坏的这一难题,深入研究各种解决方案,分析其优点与不足,并针对WIA-PA网络的具体应用环境与特点,引入了CONFIDANT安全方案,根据CONFIDANT安全模型与框架,采用基于贝叶斯数学统计分析方法的TEB安全方案对网络中节点行为进行分析评估,TEB安全方案中:结合WIA-PA网络技术的数据帧格式结构,提出节点行为统计与评估分离计算的方法,从而消除了节点安全评估对网络实时性和可靠性造成的影响;使用滑动窗口机制计算节点的可信度,提高了节点最近行为对其安全值影响的权重,避免了节点历史行为对信誉值的过多影响,增强了节点信誉值的新鲜性;提出了两级安全门限阂值对节点信誉值进行比较处理的方法,当节点的可信度低于可接受安全门限阈值时,及时启动节点能量、信道质量、节点硬件故障检测机制,从而最大化的降低了节点的误判率,提高基于信任评估方案对网络内部恶意节点判断的精确性,使得更加适合WIA-PA网络的应用环境。针对现有的按需要路由协议DSR,提出了CONFIDANT安全方案应用于DSR的安全路由协议CDSR,并且介绍了CDSR安全路由协议的关键执行过程步骤。CONFIDANT安全方案适用但不限于DSR路由协议。最后通过仿真实验的仿真对比与分析,发现采用TEB方案的CONFIDANT安全模型应用于DSR路由协议后,CDSR协议能够迅速及时的发现网络内部的恶意节点,能够有效防止恶意节点对网络的破坏与攻击,与采用同等安全策略的SRP算法相比较,CDSR安全路由对网络的实时性影响较少,同时对网络中节点的误判率较低仅有0.4%,从而说明该方案对加强WIA-PA网络的安全性是有益的。在文章的最后,对自己的研究进行了总结并提出了下一步需要更进一步研究的方面。
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