0 引言

    移動自組網（Mobile Ad Hoc Network,，MANET）由許多可以相互通信的移動設備組成,，網絡中的節(jié)點可以自由移動，形成一個無縫連接的自組織網絡,，其不需要任何基礎通信設施協(xié)助,，在軍事通信、救災搶險,、環(huán)境監(jiān)測等領域有著廣泛應用^[1],。由于MANET網絡中的節(jié)點可以自由移動，導致網絡的拓撲結構經常變化,，通信鏈路存在中斷風險,，導致包丟失率增大。當路由中斷后,，重新尋找路由需要耗費時間,，造成端到端傳輸時延增大，并降低了網絡的吞吐量,。同時,，由于MANET網絡中的設備的功率,、內存和存儲容量有限，網絡中的所有設備需要共享帶寬,，這要求路由設計時需考慮能量損耗問題,。因此，最優(yōu)路由選擇是目前移動自組網面臨的主要挑戰(zhàn)^[2-4],。

    目前,，結合MANET的網絡特性，已提出了許多有意義的路由協(xié)議,，如AODV^[5-8],、DSR^[9-11]等。這些路由協(xié)議結合報文送達率,、端到端傳輸時延,、包丟失率、網絡吞吐量等性能指標,，提出了最優(yōu)的路由選擇策略,。在多跳網絡中，各個節(jié)點無法獨立完成數據傳輸任務,，多節(jié)點之間的通信極易受到攻擊,，安全性成為移動自組網路由協(xié)議亟待解決的重要問題之一^[12]。

    為增強路由協(xié)議的安全性,，許多路由協(xié)議對各節(jié)點發(fā)送和接收的數據進行加密和鑒別,。如SEAD^[13]路由協(xié)議采用單向hash鏈鑒別路由表更新報文中的序列號等信息，驗證報文的可靠性,。Ariadne^[14]在DSR路由協(xié)議的基礎上增加數字簽名技術，可以阻止多種類型的拒絕服務（Denial of Service,，DoS）攻擊,。ARAN^[15]在AODV路由協(xié)議的基礎上采用公共密鑰加密和鑒別IP地址，防止路由被復制,。SAODV^[16]也是在AODV路由協(xié)議上增加安全措施來增強路由的安全性,，具體是采用數字簽名鑒別報文的不變部分，采用hash鏈保護跳數信息,。然而,，現(xiàn)有的安全路由協(xié)議主要關注信息認證，而忽略了路由發(fā)現(xiàn)之后數據的機密性,。

    本文提出一種兼顧數據完整性和機密性的安全路由協(xié)議,，采用消息認證碼（MAC）和加密密鑰算法認證源節(jié)點、目的節(jié)點和中間節(jié)點,，采用μTESLA協(xié)議^[17]保護數據的機密性,，采用單向hash函數降低帶寬占用率和運算復雜度,，可以在保證路由基本性能要求的前提下防范多種網絡攻擊，提高路由的安全性能,。

1 自組網路由協(xié)議的安全性

    移動自組網中常用的路由協(xié)議是AODV和DSR,。這兩種協(xié)議都是按需路由協(xié)議，網絡中的節(jié)點只在通信需要時才會交換路由信息,。但這些協(xié)議并沒有考慮通信的安全性,，在傳輸過程中沒有保護節(jié)點之間的位置等信息，所有通信范圍內的無線設備都可以獲取網絡中傳輸的內容,，極易受到冒充身份,、修改數據包內容等攻擊。

    對路由協(xié)議的攻擊主要分為兩類：主動攻擊和被動攻擊,。被動攻擊只會偷聽網絡中傳輸的數據,，不會擾亂網絡。主動攻擊會復制,、修改和刪除節(jié)點之間交換的數據,，降低網絡性能甚至破壞網絡，影響更為惡劣,。按照攻擊所使用的工具進行分類,，還可將攻擊分為外部攻擊和內部攻擊。外部攻擊是典型的主動攻擊,，試圖阻塞網絡,、傳播錯誤路由信息甚至關閉整個網絡。這些攻擊通常需要采用防火墻,、加密等安全措施來防范,。內部攻擊主要由惡意節(jié)點發(fā)起，此類攻擊更加隱蔽^[18-20],。表1列出了一些常用的攻擊類型和防范措施,。

    對各節(jié)點發(fā)送和接收的數據進行加密和鑒別是保證通信安全性的主要途徑。常用的加密方式有hash鏈和數字簽名兩種,。表2列出了現(xiàn)有的常用安全路由協(xié)議及加密方式,。

2 兼顧數據完整性和機密性的安全路由協(xié)議

    本文假定無線網絡中的網絡連接是雙向的，所有節(jié)點都有同步時鐘,，在寬松的時鐘同步下使用間隔密鑰,。加密密鑰在節(jié)點之間生成和發(fā)布，這樣網絡中的每兩個節(jié)點之間都共享一個加密密鑰,，如源節(jié)點S和目標節(jié)點D之間共享的加密密鑰是K_SD,。本文采用μTESLA協(xié)議保證數據的機密性，信息認證使用消息認證碼和加密密鑰方式,。

2.1 μTESLA協(xié)議

    一般地,，認證廣播需要一個非對稱機制,，然而非對稱密碼機制的運算量大、存儲空間耗費多,，難以應用于資源緊張的設備上,。μTESLA協(xié)議采用一個延遲透露的對稱密鑰來解決上述問題，是一種高效的廣播認證方案,。在μTESLA協(xié)議中,，密鑰鏈中的每一個密鑰與一個時段相對應，該時段內發(fā)送的所有數據包采用相同的密鑰鑒別,。譬如,，假設數據包P₁和P₂在時段1發(fā)送，采用密鑰K₁加密,；P₃在時段2發(fā)送,，采用密鑰K₂加密。當接收到這些數據包之后,，首先通過一個單向函數K₀=F(K₁)鑒別K₁,，如果鑒別成功，接收端采用密鑰K₁解密數據包P₁和P₂,。同樣地,，在其他時段，只要節(jié)點接收到前一個時段的密鑰K_j,，就采用一組單向函數K_i=F^j-i(K_j)來鑒別密鑰K_j,。鑒別成功則授權新的密鑰K_j，用于解密時段i和j之間接收到的所有數據包,。這里,，單向函數采用hash函數。

    在這一策略中,，將密鑰透露從數據包廣播中獨立出來,，只與時段相關聯(lián)，當前密鑰通過專有的數據包周期性地進行廣播,。

2.2 路由認證

    幾乎所有的路由攻擊都是由惡意入侵或者假冒攻擊來改變路由數據,。為了阻止這些攻擊,，負責解釋路由信息的每一個節(jié)點必須鑒別數據的原始性和完整性,。本文結合密鑰和單向hash函數生成消息認證碼，依據消息認證碼對路由中各節(jié)點進行認證,。

2.2.1 路由請求

    如圖1所示,，源節(jié)點S想要建立其與目的節(jié)點D之間的路由，這樣源節(jié)點開啟朝向目的節(jié)點的路由發(fā)現(xiàn),，向其一跳鄰居廣播一個路由發(fā)現(xiàn)包,。

    每一個節(jié)點沿著路徑重復以上步驟,，更新數據包和轉發(fā)廣播至目的節(jié)點。數據包中,，(h₀,，h₁，…,，h_n)包含了用于中間節(jié)點鑒別的地址和節(jié)點序列號信息,。

2.2.2 路由應答

    當接收到路由請求數據包之后，目的節(jié)點沿著相反的路徑發(fā)送一個應答數據包（REP）給源節(jié)點,。

    第一個中間節(jié)點接收到從目的節(jié)點D到源節(jié)點S的應答數據包為：

    同樣地,，其他中間節(jié)點也將自身的MAC密鑰附在REP包上，不斷地轉發(fā)給前一跳,。最終,，REP包到達源節(jié)點的形式為：

    當源節(jié)點接收到路由應答包后，采用中間節(jié)點的MAC密鑰和H_D來鑒別報文,。

2.2.3 路由維護

    自組織無線網絡的拓撲結構經常變化,，網絡中的節(jié)點可能增加或者減少，這樣路由可能中斷,。當路由中斷之后,，路由錯誤報文（RERR）將從錯誤發(fā)生位置發(fā)送到源節(jié)點，然后初始化一個新的路由請求,。

    如圖2所示,，假設節(jié)點C脫離了節(jié)點B的傳輸范圍，這樣節(jié)點B就會生成一個路由錯誤報文,，并通過中間節(jié)點B和A發(fā)送給源節(jié)點A,，方式為：

    當源節(jié)點S接收到RERR報文之后，依據中間節(jié)點的MAC密鑰鑒別這些MAC,。鑒別成功后,，源節(jié)點重新請求路由發(fā)現(xiàn)去尋找一個新的路由。

2.2.4 數據機密性

    現(xiàn)有的自組織網絡安全路由協(xié)議主要關注于認證,，很少考慮路由發(fā)現(xiàn)之后的數據機密性,。本文利用μTESLA協(xié)議中的單向函數保護數據的機密性。在路由階段,，P通過中間節(jié)點的路由請求包傳送到目的節(jié)點,，采用源節(jié)點和中間節(jié)點的加密密鑰解密。

    單向函數的初始密鑰K₀分布在所有節(jié)點之間,，目的節(jié)點可以采用單向函數鑒別K_i,，表示為：

    這樣，接收端可以解碼時段i發(fā)送的所有數據包。當時段i結束之后,，密鑰K_i消失,，源節(jié)點發(fā)送新的密鑰K_i+1。目的節(jié)點接收包含新密鑰的報文后,，仍采用單向函數鑒別密鑰K_i+1,，鑒別成功后用其解密所有在i+1時段發(fā)送的數據包。

3 仿真分析

3.1 仿真環(huán)境與評價指標

    本文選用國際上通用的NS2仿真平臺^[21]（主要仿真參數見表3）,，將本文路由協(xié)議與AODV^[5],、ARAN^[15]、SAODV^[16]路由協(xié)議進行對比,，從抗攻擊能力方面定性對比不同協(xié)議的性能,，從報文送達率、路由開銷和端到端平均時延3個方面定量評價不同協(xié)議的性能,。

定量評價指標為^[22]：

    (1)報文送達率：目的節(jié)點接收到的數據包與實際發(fā)送的數據包的比率,；

    (2)路由開銷：路由包與數據包的比率；

    (3)端到端平均延遲：從源節(jié)點發(fā)出報文到目的節(jié)點接收到報文所用的時間的平均值,。

3.2 安全性分析

    表4對比了不同方法采用的安全措施和抗攻擊能力,。其中，AODV協(xié)議沒有采用安全措施,，故難以抵抗各種攻擊,；ARAN采用數字簽名進行信息認證，可以抵抗黑洞攻擊,；SAODV采用數字簽名和hash鏈結合的方式進行信息認證,，可以抵抗DOS和黑洞攻擊。本文方法除了采用密鑰和單向hash函數生成的消息認證碼進行信息認證之外,，還采用μTESLA協(xié)議保證數據的機密性,，可以抵抗目前主流的DoS、黑洞和蟲洞3種攻擊,。

3.3 性能評測

    圖3顯示了4種路由協(xié)議在不同節(jié)點數量下的報文送達率對比情況,，圖4顯示了4種路由協(xié)議在不同節(jié)點數量下的路由開銷對比情況，圖5顯示了4種路由協(xié)議在不同節(jié)點數量下的端對端平均時延對比情況,。

    從圖3可以看出,，節(jié)點數量越多，報文送達率越低,。與其他方法對比,，本文方法的報文送達率下降最緩慢，且當節(jié)點數量相同時,，本文方法的報文送達率高于其他方法,。

    從圖4可以看出，隨著節(jié)點數量的增加,，4種方法的路由開銷也都增大,，但本文方法的增速較慢，且當節(jié)點數量超過50之后本文方法的路由開銷最小,。

    從圖5可以看出,，端到端平均時延也會隨著節(jié)點數量的增加而增大。本文方法的平均時延低于ARAN和SAODV兩種增加安全措施的路由協(xié)議,，盡管高于AODV協(xié)議的端到端平均時延,，但安全性能得到了很大提升。

4 結束語

    本文提出了一種基于MAC和μTESLA的安全路由協(xié)議,，可以解決現(xiàn)有移動自組網安全路由協(xié)議難以兼顧數據完整性和機密性的難題,。該方法包括兩個部分：(1)信息認證，主要措施是采用單向hash函數和密鑰生成消息認證碼,，依據消息認證碼進行信息認證,，保護數據的完整性；(2)數據機密性保護,，采用μTESLA協(xié)議傳輸加密后的數據包,，該協(xié)議采用對稱密鑰的延遲透露策略實現(xiàn)非對稱密碼機制，可以有效降低廣播認證的資源消耗,。通過與現(xiàn)有的AODV,、ARAN和SAODV等主流路由協(xié)議進行定性和定量對比分析，證實本文方法不僅抗攻擊能力強于其他路由協(xié)議,，而且報文送達率,、路由開銷和端到端時延等路由評價指標也優(yōu)于其他路由協(xié)議。

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作者信息:

楊官霞1，周  頔2,，張  展3

(1.浙江長征職業(yè)技術學院 計算機與信息技術系,，浙江 杭州310023；

2.四川文理學院,，四川 達州635000,；3.河南理工大學 電氣學院，河南 焦作454000)