无线传感器网络安全攻击对拥塞的影响及物联网天气预测

# 无线传感器网络安全攻击对拥塞的影响及物联网天气预测 ## 1. 无线传感器网络研究现状与问题提出 ### 1.1 现有研究成果 - D. Pandey和V. Kushwaha提出了一种混合方法，显著改善了网络寿命和能源使用模式。 - Ganguly等人提出了一种新颖的信任集成拥塞感知能量高效路由算法（TCEER）。该算法使用模糊逻辑控制器，基于节点的信任值、拥塞状况、剩余能量以及与当前数据包传输节点和基站的距离来计算节点潜力，将安全和拥塞方面结合起来，模拟结果显示这种结合对网络性能有积极影响。 - Yan和Qi引入了一种拥塞感知路由算法（CARA）。该方法评估四个路由参数：转发率、节点负载因子、缓存剩余率和转发平均缓存剩余率，同时考虑地理关系和流量负载，通过多参数融合方法进行路由决策，优化了网络传输性能。 ### 1.2 存在的问题 虽然研究人员在为无线传感器网络（WSN）提供针对各种攻击的安全保障方面做出了显著努力，也研究了这些攻击对不同网络参数的不利影响，但很少同时考虑拥塞和安全这两个方面，而实际上它们在某种程度上成反比关系。研究发现安全攻击对拥塞的影响十分严重。 ## 2. 导致拥塞发生的攻击类型 ### 2.1 丢包方法 - **黑洞攻击**：试图通过向汇聚节点宣传零成本或低成本路径，将网络流量引向恶意节点。通常与选择性转发攻击结合，丢弃邻居节点发送的部分或全部数据包。最坏情况下，恶意节点像黑洞一样丢弃所有经过它的数据，若攻击节点是网络连接组件之间的连接节点，网络会被分割成两个独立部分。 - **开关攻击**：恶意节点会随机表现出好或坏的行为，网络中的节点被以不易察觉的方式破坏，恶意节点即使行为恶劣也能维持信任。这种攻击只能通过分析其不良行为历史来识别。 - **干扰攻击**：目的是破坏信号或数据包，通过干扰传输来重新排列信号或修改数据包的一些比特。干扰是最早且最著名的WSN攻击之一，可发生在网络的任何OSI层。 ### 2.2 洪泛方法 - **拒绝服务（DoS）攻击**：受攻击的节点复制大量接收到的数据包并发送给邻居节点，接收节点无法同时处理大量数据包而拥塞，从而影响目标服务，使其性能下降或无法使用。 - **Hello和会话洪泛**：目的是耗尽节点资源或消耗其能量。恶意节点持续向信道发送请求或传输，攻击者使用大功率广播“HELLO”数据包，使其他节点误以为其在一跳通信范围内，浪费能量向虚拟邻居发送数据包。传感器节点定期发送“HELLO”数据包来建立和确认网络关系，路由器成功交换“HELLO”数据包后可自动建立邻接关系并开始路由数据。 ### 2.3 延迟方法 - **水母攻击**：类似于黑洞和灰洞攻击，但不同之处在于，在水母攻击中，数据包在网络传输和接收前后会先被延迟，然后可能会丢弃数据包，还可能打乱数据包接收顺序并随机发送。这种攻击会破坏节点用于可靠传输的常规流量控制方法，导致端到端延迟变长，降低服务质量。 ### 2.4 错误路由方法 - **汇聚节点攻击**：攻击者破坏网络中的节点，宣传虚假路由更新，将网络流量引向被破坏的节点。它模仿汇聚节点，声称与汇聚节点的跳数为零，以捕获本应发送给实际汇聚节点的所有数据包。还可用于发起其他攻击，如选择性转发、确认欺骗以及丢弃或更改路由信息，基站也可能收到虚假信息。 - **虫洞攻击**：涉及多个恶意节点，在网络层进行。与普通节点相比，参与攻击的节点能在广泛区域建立更好的通信信道，通过在网络两端的恶意节点之间隧道传输数据，使WSN中的其他节点误以为它们比实际更接近其他节点，导致路由算法出现问题，被破坏的节点还可能干扰数据包。虫洞攻击可与汇聚节点攻击结合以增强效果。 ### 攻击类型总结表格 | 攻击类型 | 具体攻击 | 攻击方式 | 影响 | | --- | --- | --- | --- | | 丢包方法 | 黑洞攻击 | 宣传零成本或低成本路径吸引流量，结合选择性转发丢弃数据包 | 分割网络，降低数据包交付率 | | | 开关攻击 | 随机表现好坏行为，隐藏不良行为 | 难以识别，影响网络稳定性 | | | 干扰攻击 | 干扰传输破坏信号或数据包 | 影响网络通信 | | 洪泛方法 | 拒绝服务（DoS）攻击 | 复制大量数据包发送，使接收节点拥塞 | 降低目标服务可用性 | | | Hello和会话洪泛 | 广播“HELLO”数据包浪费节点能量 | 耗尽节点资源 | | 延迟方法 | 水母攻击 | 延迟并可能丢弃数据包，打乱顺序 | 增加端到端延迟，降低服务质量 | | 错误路由方法 | 汇聚节点攻击 | 宣传虚假路由更新，模仿汇聚节点 | 捕获数据包，发送虚假信息 | | | 虫洞攻击 | 隧道传输数据，误导节点距离 | 导致路由算法问题 | ### 攻击类型流程图 ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px A(导致拥塞的攻击):::process --> B(丢包方法):::process A --> C(洪泛方法):::process A --> D(延迟方法):::process A --> E(错误路由方法):::process B --> B1(黑洞攻击):::process B --> B2(开关攻击):::process B --> B3(干扰攻击):::process C --> C1(拒绝服务（DoS）攻击):::process C --> C2(Hello和会话洪泛):::process D --> D1(水母攻击):::process E --> E1(汇聚节点攻击):::process E --> E2(虫洞攻击):::process ``` ## 3. 实验设置与参数 ### 3.1 实验设置 在100 * 100平方米的区域内设置了一个WSN，随机部署16个静态传感器节点和一个在功率、存储等方面与传感器节点不同的汇聚节点。假设所有传感器节点具有相同的初始能量、硬件配置和接口。为分析安