Denial-of-Service in Wireless Sensor Networks: Attacks and Defenses

This survey of denial-of-service threats and countermeasures considers wireless sensor platforms' resource constraints as well as the denial-of-sleep attack, which targets a battery-powered device's energy supply. Here, we update the survey of denial-of-service threats with current threats and countermeasures.In particular, we more thoroughly explore the denial-of-sleep attack, which specifically targets the energy-efficient protocols unique to sensor network deployments. We start by exploring such networks' characteristics and then discuss how researchers have adapted general security mechanisms to account for these characteristics.     

无线网络中MAC层违规行为的检测和惩罚

802.11无线媒体访问控制(MAC)协议利用分布式争夺解决机制处理无线信道的共享。在这种环境下,那些没有执行MAC协议的节点可以获得不公平的信道带宽。IEEE 802.11要求节点等待一个随机时间间隔之后再竞争访问信道,如果某些节点等待一个较小的时间间隔,那么对其他普通节点来说,这是不公平的。针对这种情况对IEEE 802.11 MAC协议做简单的改进来检测这样的违规行为并对其进行惩罚。     

无线网络中MAC层违规行为的检测和惩罚

802．11无线媒体访问控制（MAC）协议利用分布式争夺解决机制处理无线信道的共享。在这种环境下，那些没有执行MAC协议的节点可以获得不公平的信道带宽。IEEE802.11要求节点等待一个随机时间间隔之后再竞争访问信道，如果某些节点等待一个较小的时间间隔，那么对其他普通节点来说，这是不公平的。针对这种情况对IEEE802.11MAC协议做简单的改进来检测这样的违规行为并对其进行惩罚。     

战场自组织网络中MAC层的注入攻击

基于对战场自组织网络中IEEE 802.11 MAC协议的安全性分析,提出一种新的注入攻击方法,与传统注入攻击相比不表现出任何自私攻击行为,可以有效地躲避检测。利用NS2仿真平台搭建了具有分簇结构的战场自组织网络场景,在此环境下进行注入攻击仿真;模拟结果表明,新的注入攻击方法可以降低战场自组织网络数据安全传输的可靠性,攻击节点增多将加大攻击效果。     

无线传感器网络中基于贝叶斯可变频的CSMA/CA算法研究

针对于在无线传感器网络中多个节点向Sink节点发送数据包造成的延时、丢包、碰撞检测、网络阻塞等问题,在802.15.4协议CSMA/CA算法的基础上提出了一种基于贝叶斯可变频的CSMA/CA算法(BVF-CSMA/CA)。该算法将贝叶斯估值得到的参数区间与CSMA/CA的碰撞检测机制相结合,使传感器节点发送的多数据包能正常与Sink节点实时通讯,采用这种算法减少了碰撞检测、节约了能耗、降低了网络通讯量、延长了网络的生命周期。本文通过使用NS2仿真工具模拟验证了该无线传感器网络的丢包率和能耗,实验结果表明,改进后的算法显著改善了这两个性能指标。     

一种无线传感器网络MAC协议优化算法

在无线传感器网络中,各节点采集的信息以多跳的方式传送到汇聚点.从各节点到汇聚点形成一棵以汇聚点为根的传输树.文中在对无线传感器网络传输特点分析的基础上,剖析了基于CSMA/CA(载波多路监听/冲突避免)的MAC协议在树状结构无线传感器网络中的弊端,提出了一种基于CSMA/CA的MAC协议优化算法.算法基于节点在传输树中的位置信息调整其MAC信道接入分配,将CSMA/CA采用的各节点均等竞争信道的方法优化为各节点依据在传输树中的位置情况竞争信道的方式,这一优化提高了节点公平性,使MAC信道接入分配与树状结构的无线传感器网络传输特点相契合,解决了基于CSMA/CA的MAC协议与树状结构无线传感器网络不匹配的问题,从而减少了信道资源浪费,提高了网络传输效率,降低了能耗.实验结果表明该算法在网络丢包率、吞吐量和能耗方面的性能均有较大改进.     

Channel-Based Detection of Sybil Attacks in Wireless Networks

Due to the broadcast nature of the wireless medium, wireless networks are especially vulnerable to Sybil attacks, where a malicious node illegitimately claims a large number of identities and thus depletes system resources. We propose an enhanced physical-layer authentication scheme to detect Sybil attacks, exploiting the spatial variability of radio channels in environments with rich scattering, as is typical in indoor and urban environments. We build a hypothesis test to detect Sybil clients for both wideband and narrowband wireless systems, such as WiFi and WiMax systems. Based on the existing channel estimation mechanisms, our method can be easily implemented with low overhead, either independently or combined with other physical-layer security methods, e.g., spoofing attack detection. The performance of our Sybil detector is verified, via both a propagation modeling software and field measurements using a vector network analyzer, for typical indoor environments. Our evaluation examines numerous combinations of system parameters, including bandwidth, signal power, number of channel estimates, number of total clients, number of Sybil clients, and number of access points. For instance, both the false alarm rate and the miss rate of Sybil attacks are usually below 0.01, with three tones, pilot power of 10 mW, and a system bandwidth of 20 MHz.      

基于多态Q学习的无线网络MAC层CSMA协议优化策略

由于无线信道具有共享特性,节点之间竞争不可避免。传统P-坚持载波感知多址(CSMA)的传输概率对吞吐量有很大影响[1]。笔者设计了一种多态增强学习(RL)方法,在多态Q学习模型中提出了三种学习类型,定义传输概率Q为节点学习策略,节点没有关于网络的先验信息,只利用历史感知信息包括碰撞次数及成功传输率,来学习最佳策略[2-3]。并通过综合仿真,对不同状态定义下的Q学习模型性能进行了比较。     

超宽带无线网络中MAC层协议性能研究

在超宽带系统的MAC层中,可以根据其特点进行设计选择,这是MAC层设计时要考虑的一个重要问题。一方面要看现存的MAC协议是否适用于超宽带系统,另一方面要根据超宽带的特性要求在MAC层中加入新的技术,通过适当调整来灵活控制。本文主要对超宽带的原理、实现方式进行了介绍,对现有的MAC层协议进行了适用于UWB系统特点的改进,对改进的协议进行了仿真和结果分析.     

一种适用于无线传感器网络的跨层高效MAC协议

为了延长网络的寿命,实现能量的高效利用是无线传感器网络应用的主要目标,MAC协议的能效性直接关系到网络的能耗,但采用分层方法的MAC协议无法实现最优的节能效果.本文基于跨层的方法提出了一种能量高效MAC(cross layer energy efficient MAC,CLEE-MAC)协议.该协议在自适应S-MAC(adaptive sensor MAC,AS-MAC)协议基础上,通过利用路由层的路由表信息,改变AS-MAC协议的控制帧格式,有效解决了AS-MAC协议中因"强迫唤醒"造成的能量浪费问题,延长了网络的寿命.理论分析和仿真验证均表明,随着节点密度的增加,CLEE-MAC协议的节能增益随网络密度线性增大.     

一种短距离无线传输的CSMA/CA协议实现方法

在无线通信过程中,首先要面对的是在一个通信域内,可能存在几十乃至几百个无线终端同时工作。在这样繁忙的无线网络中,无线数据发送频繁发生碰撞不可避免。当数据发送发生碰撞,意味着有数据帧丢失。为了尽可能地避免由于数据发送碰撞而导致的数据帧丢失,必须引入一种可以避免发送碰撞的机制。以射频芯片MC13213为例,详细说明了CSMA/CA协议的实现过程和主要的代码实现。     

无线传感器网络MAC层节能广播协议

在无线传感器网络中,使节点休眠是一种有效的节能方式。很多较新的MAC协议都采用定期休眠的机制进行节能,如B-MAC、VPCC、X-MAC、A-MAC等。这些协议并未针对广播进行设计,使得发送广播需要消耗较多能量,而且易于发生隐藏节点引起的冲突。提出了适用于休眠传感器网络的节能广播协议。该方法中广播报文以随机间隔进行重传,能够保证异步休眠的节点接收到广播数据;在产生隐藏节点冲突问题时,随机间隔的机制能够使相互干扰的报文较快分离,降低报文冲突的干扰。通过NS-2模拟,验证了广播协议的节能性和高效性。     

基于优先级的IEEE 802.15.4 CSMA/CA建模与分析

针对基于IEEE 802.15.4协议CSMA/CA机制的实时监测系统,为了分析CSMA/CA参数设置对网络性能的影响.建立了一个引入优先级信号处理的马尔可夫链数学模型.分析和比较了分别设置优先级信号和普通信号的协议参数.对优先级信号实时性和整体网络性能的影响.结果表明,综合考虑网络规模和网络中信号产生情况,合理地分别设置两种信号的CSMA/CA协议参数,可以提高优先级信号的实时性,而对普通信号的影响较小.     

无线传感器网络MAC层能耗与时延的权衡

无线传感器网络节点设计的最重要约束之一就是要求低能耗,这与传统网络依赖持续的能源供应而致力于提供尽可能高的服务质量截然不同.研究了一个结合无线传感器网络的能耗特性而提出的MAC协议S-MAC协议,并在对802.11MAC、S-MAC中的能耗状态与时延特征进行理论和数学分析的基础上,通过仿真实验得出了在模拟网络环境中802.11MAC和S-MAC的能耗和平均时延,S-MAC协议中引入节点周期性睡眠、冲突串音避免和消息传递等新技术,以牺牲时延为代价换取高效的能量利用,提供了一种高效可扩展的在能耗和时延之间进行权衡的方案.     

WSN中MAC层编址技术分析与比较

当前无线传感器网络的MAC层编址技术利用哈夫曼编码的方案缩短了平均地址长度,但需要几轮协商过程。基于网络分簇结构的方案结构清晰,但地址分配不公。基于地理位置信息的方案有助路由,但高精度的位置信息难以获得。针对上述问题,在分析无线环境下地址复用原理的基础上,给出几种典型方案,比较其性能差异和适用范围,给出动态编址需要解决的问题。     

Performance Analysis of CSMA/CA Protocol for High-speed Wireless LANs

In this paper, we present an exact analysis to numerically evaluate the performance of the multiple random access method with non-persistent carrier sense multiple access with collision-avoidance (CSMA/CA) protocol for high-speed and realizing fully-distributed wireless LANs. The collision-avoidance portion of CSMA/CA in this model is performed with a random pulse transmission procedure, in which a user with a packet ready to transmit initially sends some pulse signals with random intervals within a collision-avoidance period before transmitting the packet to verify a clear channel. The system model consists of a finite number of users to efficiently share a common channel. The time axis is slotted, and a time frame has a large number of slots and includes two parts: the collision-avoidance period and the packet-transmission period. A discrete-time Markov process is used to model the system operation. The number of slots in a frame can be arbitrary, dependent on the chosen lengths of the collision-avoidance period and packet-transmission period. The influence of possible length of the collision-avoidance period and packet-transmission period, and pulse transmission probabilities on the network performance are discussed, based on the results of the utilization of channel and average packet delay for the different packet generation rate.     

CSMA/CA在CSMA/TDMA混合网络中的性能分析

CSMA/CA机制与TDMA在同频段共存时会存在相互干扰,为评估混合网络中CSMA/CA的性能表现,将TDMA视为周期性的干扰提出改进的二维Markov分析模型,能够计算不同条件下的CSMA/CA饱和吞吐量,并通过仿真实验证明了模型的有效性。同时讨论了TDMA时隙分配方式对系统性能产生的影响,仿真结果表明时隙均匀分配方式能保证较低的时延和时延抖动,而连续分配方式能使CSMA/CA获得较高的吞吐量。提出将基于最低信道需求时间的阈值计算方法与吞吐量分析模型相结合,用于在不同应用场景下进行时隙分配方式的选择。     

一种针对无线传感网中黑洞攻击的检测与防御方法

无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Networks)被广泛应用于军事、生产、医疗等各个方面,而当下的许多传感器网络都部署在恶劣、开放的环境中,存在各种各样的威胁。黑洞攻击是一种典型的路由攻击,在这种攻击中恶意节点声称自己是剩余能量多、能够一跳到达目的节点的节点或者声称自己就是目的节点,因此很多节点会把要发送的数据发给该恶意节点,而恶意节点吸引数据包后,并不将数据包转发而是丢弃,这就造成传输空洞。针对这种特性,文中提出了一种基于位置信息的诱捕检测算法BTCOLI(Blackhole Attack Detection Algorithm Based on Location Information),以实际不存在的目的节点为诱饵,找到黑洞节点,对其进行身份验证以及位置检测,从而剔除该恶意节点。同时,还提出了相应的防御方案:在网络中加入预共享对称密钥,并提供HMAC(Hash-based Message Authentication Code)消息验证机制,以防止恶意节点加入网络。最后通过搭建NS-2下的仿真平台,验证了该算法在检测率方面的优越性。