Understanding Wireless Sensor Networks

وقد أصبحت شبكات الاستشعار اللاسلكية (WSNs) تكنولوجيا أساسية في مختلف الصناعات مثل الرصد البيئي، والرعاية الصحية، والزراعة الذكية، والتشغيل الآلي الصناعي، والمراقبة العسكرية، وهي تتألف من وحدات استشعار مستقلة موزعة جغرافياً، ترصد التعاونيات الظروف المادية أو البيئية، مثل درجة الحرارة، والصوت، واليقظة، والضغط، والحركة، والملوثات، وتنتقل البيانات المجمعة دون كلل إلى محطة مركزية أو متغيرات غير المسبوقة.

الحاجة المتزايدة إلى الخصوصية والأمن في الشبكة العالمية لسواتل الملاحة

ومع تعجيل اعتماد شبكة الإنترنت للأشياء، فإن الشبكة العالمية لسواتل الملاحة تشكل الآن العمود الفقري الحسي للنظم الذكية التي لا حصر لها، ومن أجهزة رصد الصحة النائية التي تنقل حيويات المرضى إلى أجهزة الاستشعار الذكية التي تدير توزيع الطاقة، فإن البيانات التي تتدفق من خلال هذه الشبكات تتسم بأهمية شخصية متزايدة، أو حرجة، أو كليهما، وبدون وجود حماية أمنية قوية، يمكن للخصائيين أن يعترضوا على ما يترتب على ذلك من نتائج على البيانات، مما يؤدي إلى تحقيقه.

التحديات الأمنية الرئيسية في شبكات الاستشعار اللاسلكية

سرية البيانات

ولا يمكن لأي جهاز داخل النطاق أن يستخرج من البث، ولا يمكن للمهاجمين أن يجمعوا البيانات دون أن يخطروا الشبكة، مما يجعل التشفير شرطا أساسيا، غير أن أجهزة الاستشعار المزودة بالموارد الموجودة في نطاق الترددات لا تفتقر في كثير من الأحيان إلى القدرة على التكفير عن طريق الحاسوب، كما أن القدرة على تبسيط عوامل الوزن الخفيف لا تزال قائمة.

سلامة البيانات

وتشير النزاهة إلى التأكيد على أن البيانات لم تُعدل أو تفسد أثناء نقلها، سواء من جانب جهات فاعلة مضللة أو من خلال تدخل بيئي، وقد يقوم المهاجمون بحرق مجموعات زائفة، أو إعادة توجيه رسائل قديمة، أو تعديل مسارات بيانات مشروعة لتضليل محطة الأساس، وأن رموز التوثيق بالرسالة والتوقيعات الرقمية هي تدابير مضادة مشتركة، ولكنهم يستحدثون بروتوكولات علوية في الشبكة العالمية، تكفل السلامة 80 أيضاً للحزمة().

التوثيق

كما أن تحديد هوية كل جهاز استشعار والتحقق من أن البيانات المستمدة من مصدر مشروع أمر حيوي لمنع حدوث حالات اختلال أو حدوث هجمات على أساس التكرار، وفي نموذج من نظم رصد الأسلحة النووية، يمكن للخصائص أن تلتقط عقداً، وتستخرج مفاتيحه المشفوعة، وتستنسخه لحرق بيانات زائفة أو تجسّد على حركة المرور الشبكية، وتنفيذ التوثيق المتبادل بين أجهزة الاستنشاق الرئيسية ومحطة الأساس.

الحفاظ على الخصوصية

وتتجاوز الشواغل المتعلقة بالخصوصية السرية البسيطة، وحتى إذا تم تشفير محتوى الرسائل، يمكن للخصيص أن يحترم أنماط المرور والتوقيت وأماكن العزلة لفهم المعلومات الحساسة، ففي الرعاية الصحية التي ترصد تحركات المرضى، يمكن أن يكشف تحليل الحركة عندما يغادر المريض سريره، وينتهك توقعات الخصوصية، كما أن خصوصية الموقع حرجة بوجه خاص في تطبيقات التتبع العسكري والشخصي.

القيود على الموارد

كما أن عقد أجهزة الاستشعار محدود جداً في مجال تجهيز الطاقة والذاكرة وحياة البطاريات، وهذه القيود تفرض شروطاً صارمة على البروتوكولات الأمنية، كما أن عمليات التبريد الثقيلة، والمبادلات الرئيسية المتكررة، أو الاتصالات الزائدة يمكن أن تستنفد بسرعة البطاريات النباتية، وتقصر مدى الحياة في الشبكة، ويجب على مصممي أجهزة القياس الحديثة أن يحسنوا من حيث المقاييس الحاسبية والاتصالات.

الشواغل المحددة المتعلقة بالخصوصية في جميع أنحاء نطاق التطبيق

الرعاية الصحية ورصد المرضى

ويستمر جمع أجهزة الاستشعار والزرع ذات المواصفات الحيوية والموقع وبيانات النشاط، وهذه المعلومات شخصية للغاية وتحميها قوانين مثل قانون مكافحة فيروس نقص المناعة البشرية، ويمكن أن تؤدي الخناق إلى التمييز في التأمين أو سرقة الهوية أو الضرر البدني، كما أن تقنيات حفظ الخصوصيات مثل الحوسبة المتعددة الأطراف الآمنة، وتخزين البيانات المجزأة، لا يمكن أن تؤدي إلا إلى كشف بيانات المرضى الخام.

المراقبة العسكرية والتكتيكية

وفي سيناريوهات حقول القتال، تقوم الشبكة برصد تحركات القوات، وكشف المتفجرات، وتتبع أنشطة العدو، وترتفع المخاطر المتعلقة بالخصوصية والأمن: ويمكن أن تكشف البيانات المعترضة عن استراتيجيات تشغيلية أو تعرض الأفراد للخطر، ولا يكفي التشفير وحده، ولا بد من أن تكون سرية الموقع وتدفق المرور في المقام الأول، وتشمل التدابير المضادة جداول الإرسال العشوائية، وتصفيد الحزمة، واستخدام الهوائيات الموجية (الهجمات التي يجب أن تقاوم رفض القادة).

Smart Home and IoT Environments

ويمكن أن تكشف البيانات المجمعة عن روتينات يومية، وأنماط شغل، بل وحتى السلوكيات الحميمة، ويمكن للخصائص أن تستخدم هذه المعلومات للسطو أو المراقبة، كما أن المطالب التنظيمية، مثل مبدأ " الأولوية بالتصميم " الذي يتيحه الناتج المحلي الإجمالي، تتطلب من المستشعرين جمع البيانات الدنيا اللازمة ورسم الأسماء.

استراتيجيات تعزيز الأمن في الشبكات العالمية لسواتل الملاحة

نهاية الشفرة و التشفير بالوزن الخفيف

ولا يزال التشفير هو الأساس الأساسي للتواصل الآمن، ففيما يتعلق بشبكة المعلومات العالمية، اختار المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا مؤخراً خوارزمية أسون كمقياس للتبريد الخفيف الوزن، وتحقق أقصى درجة من الأجهزة المقيدة، ويكفل تنفيذ عملية التشفير النهائي أن تظل البيانات سرية من عقد الاستشعار إلى خادم التطبيقات، مما يحول دون التجسس على الممارسات ذات الكفاءة في تحديد المواقع.

بروتوكولات تأمين

والتوقف عن استخدام شبكة المعلومات العالمية عرضة للهجمات مثل حفرة البواليع والثقوب الدودة والتنقل الانتقائي، كما أن بروتوكولات تحديد المسارات مثل نظام الطاقة الخاص بشبكة الطاقة، ونظام المعلومات الخاص بشبكات الطاقة، ونظام المعلومات الإحصائية المتكامل، يدمج آليات التوثيق، ومقاييس الثقة لضمان عدم تنوّع مجموعات البيانات إلا من خلال مسارات مشروعة، كما أن مسارات التعددية يمكن أن تعزز القدرة على التكيّف عبر طرق مختلفة، مما يجعل من التداخل بين المصاعب أكثر صعوبة، ومع ذلك.

آليات التوثيق والإدارة الرئيسية

وتستلزم التوثيق الموثوق به وجود مفاتيح قوية للإدارة - كيف يتم توليدها وتوزيعها وتخزينها وإلغاؤها، كما أن مخططات التوزيع قبل التكوين، مثل التوزيع الرئيسي للزوجين أو التوزيع العشوائي للمفتاح قبل التوزيع، لا تستخدم على نطاق واسع ولكنها تشكل تحديات في مجال التصعيد، كما أن اتباع نهج أكثر دينامية، مثل الشهادات الخاصة بالأجهزة باستخدام التصنيف الأوروبي للكيماويات، يمكن أن يتيح التحقق من القابلية للتكرار دون تخزين مفرط.

تسمية البيانات وخصوصية التفاضل

ولحماية خصوصيات الأفراد، يمكن الكشف عن بيانات الاستشعار الخام قبل نقلها أو تجميعها، وتشمل التقنيات الكشف عن الهوية، والتنوع، والخصوصية المتباينة، التي تضيف ضوضاء معيرة إلى نتائج الاستفسارات لمنع إعادة تحديد الهوية، فعلى سبيل المثال، يمكن أن تصدر شبكة رصد درجة الحرارة متوسطات إجمالية بدلا من استخدام القراء المجهولة، مما يجعل من هذا المفهوم موسعا من خلال نماذج التعلم الآتي.

الطاقة - كفاءة الأمن

وكل عملية أمنية تستهلك الطاقة، ولإطالة عمر الشبكة، ينبغي للمطورين أن يستعملوا مستويات أمنية مكيفة، حيث يتباين قوام التشفير أو تواتر رسائل التوثيق مع موجز المخاطر أو قوة البطارية المتبقية، كما أن التشفير المزود بالأجهزة المزودة بالأجهزة المزودة بالأجهزة المزودة بالأجهزة الفضائية، مثل مجموعات التعليمات في أجهزة التحكم الحديثة، يقلل بدرجة كبيرة من الطاقة والزمن.

الاتجاهات المستقبلية والتكنولوجيات الناشئة

الاستخبارات الفنية والتعلم الآتي من أجل كشف التهديدات

ويمكن لنماذج AI/ML أن تحلل أنماط حركة المرور على الشبكة لكشف الشذوذات وتحديد الهجمات المحتملة في الوقت الحقيقي، فعلى سبيل المثال، يمكن لمجموعة من المصنفين أن تفرق بين تقلبات الاستشعار العادية وهجوم الحقن المزيف أو الزائفة، ويمكن نشر هذه النماذج في محطة الأساس أو حتى على بوابات أكثر قدرة، كما أن شبكات الزنوج الخفيفة المصممة لأجهزة التحكم المتناظرة، هي من قبيل " تيسور " .

Blockchain for Decentralized Trust

وتتيح تكنولوجيا البلوكشاين دفتر دفتر دفتر لامركزي ودقيق للتسجيل في بيانات الاستشعار، وإثباتات صحة المفاعلات، والمعاملات الرئيسية، وفي الشبكة العالمية لسواتل الملاحة، يمكن للشركة أن تتيح الحصول على بيانات مثبتة وتاريخ قابل للمراجعة دون الاعتماد على سلطة مركزية، وتستخدم منابر مثل نظام إيوت، المصممة خصيصاً لشبكة التخزين الدورية، لفرض معاملات مبسطة على الوزن الخفيف.

التشفير الكمّي

ومع التقدم المحرز في الحساب الكمي، قد تصبح الخوارزميات التقليدية العامة - الرئيسية مثل وكالة الأمن الإقليمي ولجنة المنافسة الاقتصادية عرضة للخطر، وقد شرع المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا في عملية لتوحيد المقاييس الخفية بعد الكواشف، كما أن عمليات نشر أسلحة الدمار الشامل التي طال أمدها - مثل تلك التي تتم في السياقات الصناعية أو العسكرية - التخطيط لمقاومة الأشعة.

تسخير الطاقة والأمن ذاتي الدفع

وكثيرا ما تكون لآليات الأمن تكلفة طاقة يمكن أن تحد من عمر أجهزة الاستشعار، وتقنيات جمع الطاقة - العازل، والحرارية، والاهتزاز، أو تكميل الأشعة المقطعية أو استبدال البطاريات، مع وجود معدات أمنية منخفضة القدرة، يمكن للمستشعرات ذاتية العمل إلى أجل غير مسمى، مع تطبيق بروتوكولات قوية للتشفير والتوثيق.

خاتمة

إن ضمان الخصوصية وأمن البيانات في شبكات أجهزة الاستشعار اللاسلكية يشكل تحديا متعدد الأوجه يتأثر بكل طبقة من مستويات النظام - من المعدات المادية وبروتوكولات الاتصال إلى منطق التطبيق والامتثال التنظيمي، وتعتمد القيود المتأصلة في نظم الاستشعار، مقترنة بالطابع المفتوح للقنوات اللاسلكية، وتطالب بإيجاد حلول مبتكرة تتوازن مع الأداء.

For further reading on security best practices in wireless sensor networks, consult NIST Special Publication 800‐153] guidelines, the IETF’s RFC 7925 for IoT security protocols, and the ]OWASP IoT Security Guidance[5]