移动异构传感器网络中基于双层认证的节点复制攻击防御方案

《IEEE Open Journal of the Communications Society》：A two-Layer Authentication Scheme Against Node Replication Attacks in Mobile Heterogeneous Sensor Networks

本文针对移动异构传感器网络(MHSNs)中节点复制攻击的严重威胁，提出了一种创新的双层认证方案。该研究通过设计MSN与簇头间的认证机制及基于Bloom滤波器的簇内节点认证，显著提升了网络对复制攻击的抵抗力。仿真结果表明，方案在保证90%簇头间通信概率的同时，将MSN存储开销降低90%，且对簇内信息传输影响可忽略，为动态传感器网络安全提供了新思路。

　　

在当今物联网时代，移动传感器网络如同遍布环境的"神经末梢"，广泛应用于野生动物追踪、环境监测等关键领域。然而，这些部署在户外的网络节点却面临着严峻的安全挑战——攻击者通过捕获合法节点并复制其机密信息，可以像"克隆人"一样向网络中注入大量复制节点。这些"克隆节点"不仅窃取机密数据，还能选择性转发数据包甚至向基站注入虚假信息，最终让攻击者获得网络控制权。

传统防御方案存在明显局限性：有的方案假设密钥信息均匀分布，实际中难以实现；有的要求节点在每次相遇时交换随机数，导致存储开销高达O(n)量级；还有的方案基于节点移动速度阈值或均匀分布假设，在实际动态环境中适用性有限。正是这些固有缺陷，使得网络性能仍然易受复制攻击的影响。

针对这一难题，研究人员在《IEEE Open Journal of the Communications Society》上提出了一种创新的双层认证方案。该方案构建了一个由大量移动传感器节点(MSN)、少量高能量节点和基站组成的异构网络架构。高能量节点作为簇头负责区域管理，MSN在加入新簇前必须通过簇头认证，而簇内节点间的认证则基于簇头预分发的密钥信息和Bloom滤波器机制。

关键技术方法包括：(1)密钥预分配机制，为高能量节点预分配主密钥MK_SHi，为MSN计算通信密钥SK_i-j；(2)MSN与簇头间的双向认证协议，通过MAC(消息认证码)验证机制确保身份合法性；(3)基于Bloom滤波器的簇内节点认证，高效管理已退出节点信息；(4)安全广播机制，采用反向密钥链BKC_i实现簇内安全通信。

研究结果分析显示，该方案在多个方面表现出色：

认证性能分析

通过理论公式Pr_h对认证效率进行量化分析，表明高能量节点在1跳内完成MSN认证的概率接近1。如图2所示，随着跳数h和参数p_H的增加，认证成功率显著提升，证明了方案在实际部署中的高效性。

h as a function parameters h, Avg_H and p_H.'>

数据转发安全性

理论证明非簇内节点数据被转发的概率为0，有效防止了外部攻击。同时，通过Bloom滤波器机制管理节点退出信息，即使存在节点动态加入和退出，也能保证合法数据的可靠传输。

存储开销优化

采用Bloom滤波器存储退出节点集合，相比直接存储节点ID的方式，存储开销显著降低。当e=0.2，n=300，x=600时，存储开销比R_m≈1/10，降低约90%。

BF_x value in the simulation is defined as the ratio of the number of MSNs(that have not left the cluster) but are included in the exit set, to the total number of MSNs that have not left the cluster.'>

通信可靠性保障

如图4所示的节点数据传输区域模型，结合公式(31)和(32)的理论分析表明，即使在节点移动条件下，数据成功转发至簇头的概率仍保持较高水平。图5的仿真结果进一步验证了Bloom滤波器方案对通信可靠性的微小影响。

L and Avg_MS. In the figure,(BF) denotes the simulation results obtained using the Bloom filter scheme.'>

与现有技术的对比分析显示，该方案在抵抗新型复制攻击和共谋攻击方面具有明显优势。如表2所示，相比IDRA方案和SLP方案，本文方案在存储开销、抗攻击能力等方面达到更优平衡。

研究结论强调，该双层认证方案通过创新的安全架构设计，在不依赖特定假设条件的前提下，有效解决了移动异构传感器网络中的节点复制攻击问题。方案既保证了90%的簇头间通信概率，又将MSN存储开销降低90%，同时对簇内信息传输影响可忽略，为动态环境下的传感器网络安全提供了切实可行的解决方案。

未来的研究方向将聚焦于在不依赖高能量节点和基站安全假设的条件下，设计更为普适的复制攻击防御机制，进一步拓展方案的应用范围和实用价值。这一研究成果不仅对移动传感器网络安全具有重要理论意义，也为实际物联网应用部署提供了可靠的技术支撑。