基于AODV協(xié)議安全性的改進算法

陳 龍，陳 琳 (長江大學(xué)計算機科學(xué)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

基于AODV協(xié)議安全性的改進算法

陳 龍，陳 琳 (長江大學(xué)計算機科學(xué)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方便、快捷，但其安全性是應(yīng)用上的薄弱環(huán)節(jié)。通過對AODV 協(xié)議分析研究及對路由發(fā)現(xiàn)和路由維持進行加密認(rèn)證，提出了一種基于加密認(rèn)證的改進的AODV協(xié)議(DES-AODV)，并利用NS2仿真軟件對DES-AODV協(xié)議進行了仿真。仿真結(jié)果表明，該算法在可信路由方面具有較好的安全性，付出一定的消耗代價可以較好的阻擊針對路由發(fā)現(xiàn)和路由維護的攻擊。

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)；AODV；安全；路由協(xié)議

移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種無線、分布式、動態(tài)自組織網(wǎng)絡(luò)，不需要依靠固定通信基礎(chǔ)設(shè)施，組網(wǎng)非常方便、快捷，多應(yīng)用于援救、戰(zhàn)場、會議、探險或危險環(huán)境中的目標(biāo)監(jiān)控等場合。由于網(wǎng)絡(luò)動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、資源受限和無線通信等特點，使得路由協(xié)議安全比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)要復(fù)雜的多，節(jié)點的覆蓋范圍廣和地理位置的不確定性使其極易受到攻擊，因而帶來了很大的安全隱患。由于移動自組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點地理位置不確定、網(wǎng)絡(luò)資源有限，如何在提高安全性的同時又能保證網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量，是目前的研究熱點。為此，筆者基于AODV路由協(xié)議，設(shè)計了一種高效安全的路由方案(DES-AODV)，以消耗少量的網(wǎng)絡(luò)資源為代價，來提高網(wǎng)絡(luò)路由和通信的安全性。

1 AODV協(xié)議及安全性分析

1)AODV協(xié)議 無線自組網(wǎng)按需平面距離矢量路由協(xié)議(Ad Hoc On Demand Distance Vector Routing，AODV)分為2個階段：路由發(fā)現(xiàn)和路由維護。路由發(fā)現(xiàn)階段即當(dāng)源節(jié)點要發(fā)送信息時，先在路由表里查找到目的節(jié)點的路由，若找到則直接發(fā)送，否則就通過廣播路由請求RREQ(路由請求報文)信息來查找路由。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點收到RREQ信息，首先到路由表里搜索到達目的節(jié)點或一個擁有足夠新的到目的節(jié)點路由表項，有則回復(fù)RREP(路由回復(fù)報文)消息，源節(jié)點可以通過收到的RREP消息在路由表項建立到達目地節(jié)點路由[1]。

網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都要進行路由維持，在路由表中都需要保持一個相應(yīng)目的地址的路由表項，以實現(xiàn)逐跳轉(zhuǎn)發(fā)。在維護路由表的過程中，AODV協(xié)議通過發(fā)送HELLO消息給鄰居節(jié)點或鏈路修復(fù)及路由斷開后發(fā)送RERR(路由錯誤報文)消息來進行路由的維護，每個節(jié)點周期性的向鄰居節(jié)點發(fā)送HELLO消息，如果在一定的時間后，某一個節(jié)點沒有收到它的鄰居節(jié)點發(fā)送過來的HELLO消息，就認(rèn)為與該鄰居節(jié)點的聯(lián)系斷開，則會開始一系列的路由修復(fù)，該節(jié)點立刻廣播一個RREQ給不可達的節(jié)點，當(dāng)有到不可達節(jié)點有效的路由的中間節(jié)點或不可達本身節(jié)點接受到了這個消息，則會回復(fù)一個RREP給源節(jié)點，到達不可達的節(jié)點的路由會重新建立，假如路由的修復(fù)過程失敗，節(jié)點會向所有的鄰居節(jié)點廣播RRER消息，通過RRER消息的廣播，其他節(jié)點就知道鏈路斷開，以此來維護和修改路由表[2]。

2)AODV協(xié)議安全性分析 移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，路由協(xié)議的攻擊方式有2種：主動攻擊和被動攻擊。主動攻擊是攻擊者主動發(fā)送數(shù)據(jù)包來消耗網(wǎng)絡(luò)資源，使得網(wǎng)絡(luò)不能正常運行；被動攻擊又叫消極攻擊，攻擊者并不消耗網(wǎng)絡(luò)資源，只監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)中的路由消息，竊取有效信息以達到某種目的[3]。

AODV路由發(fā)現(xiàn)過程采用泛洪方式，消耗的資源較多，因此需要控制泛洪RREQ查找的頻率。攻擊者可以利用這一點，大量連續(xù)發(fā)送偽造的RREQ報文，在整個網(wǎng)絡(luò)中查找路由，這會使得整個網(wǎng)絡(luò)都是偽造的RREQ報文，占用大量無線通信帶寬，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞，使正常節(jié)點無法通信，網(wǎng)絡(luò)的性能大大降低，這種攻擊是利用路由協(xié)議本身功能發(fā)起的攻擊，對AODV路由協(xié)議而言是正常的通信活動，卻對網(wǎng)絡(luò)性能有嚴(yán)重的影響，這種攻擊需要長時間的觀測才能檢測出來。偽造節(jié)點還可以修改控制信息，修改路由的序列號，在AODV路由協(xié)議中，對RREQ的有效應(yīng)答必須有比RREQ更大的目的序列號，攻擊者通過修改序列號將自己插入到通向發(fā)送節(jié)點的路徑中，從而可以攔截通向目的節(jié)點的數(shù)據(jù)。AODV協(xié)議還規(guī)定，當(dāng)一個節(jié)點在收到多個屬于同一個路徑的RREQ的時候，只會轉(zhuǎn)發(fā)最先收到的請求包，如果惡意節(jié)點使目的所有鄰居節(jié)點最先收到RREQ經(jīng)過該惡意，使目的節(jié)點忽略通過其他正確路徑到達的路由請求，進而使源節(jié)點和目的節(jié)點的通信經(jīng)過該惡意節(jié)點。路由維護一樣存在一定的安全隱患，像路由表的溢出攻擊，由于移動設(shè)備內(nèi)存原本就不大，用于路由表的空間更加有限，惡意節(jié)點可以通過偽造大量的虛假路由信息，這些信息通往不存在的節(jié)點，從而使網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的路由表空間被虛假信息所占用，使得真實的路由信息被丟棄。

2 基于AODV的改進協(xié)議(DES-AODV)

1)DES-AODV設(shè)計策略 AODV協(xié)議雖然提高了無線網(wǎng)絡(luò)的路由效率，但是過于簡單，存在著各種各樣的問題，尤其是安全性方面的問題。為了使改進后的DES-AODV協(xié)議的路由效率不明顯降低，DES-AODV協(xié)議的設(shè)計思想是在AODV協(xié)議的基礎(chǔ)上嵌入了加密機制，通過加密方式來識別節(jié)點收到的路由請求包和路由維護包是否合法，具體策略是對路由發(fā)現(xiàn)和路由維護過程進行局部加密，在路由請求和路由發(fā)行過程中所發(fā)送的的數(shù)據(jù)包的頭部添加一個字段，在路由發(fā)現(xiàn)、路由維護階段對該字段賦值并通過DES(Data Encryption Standard)加密算法對該字段進行加密，即在AODV協(xié)議中嵌入DES加密算法，對AODV協(xié)議中的路由發(fā)現(xiàn)、路由維護處理模塊中的sendHello、sendReply、sendRequest、sendError進行加密處理，字段值事先約定好，每一個合法的節(jié)點都知道該字段的值來進行身份驗證，當(dāng)然這個值不是固定的可以根據(jù)自己的需要而定，在路由發(fā)現(xiàn)和路由維護階段接收方在收到發(fā)送方發(fā)來的數(shù)據(jù)包后首會查看該字段并對其解密，若解密后的字段值與發(fā)送前的值相同，則說明該數(shù)據(jù)包是由合法節(jié)點發(fā)送過來的，并進行相應(yīng)的路由處理，若不同則說明該數(shù)據(jù)包是可疑節(jié)點發(fā)送來數(shù)據(jù)，不予處理或者報告上一級在它鄰居可能存在著可疑節(jié)點以便進行相應(yīng)的處理，很大程度上阻止了惡意節(jié)點利用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自身的特點而進行的攻擊。

2)DES-AODV協(xié)議的安全性 當(dāng)攻擊者利用路由發(fā)現(xiàn)的特點，大量連續(xù)的發(fā)送偽造的RREQ報文，鄰居節(jié)點便會檢測出來該消息是由惡意節(jié)點發(fā)送的，不會對該消息進行轉(zhuǎn)發(fā)，不會使整個網(wǎng)絡(luò)都是偽造的RREQ報文，占用大量無線通信帶寬而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞，保證了正常的節(jié)點的通信，網(wǎng)絡(luò)的性能不會因為惡意節(jié)點的攻擊而大大降低，這種攻擊是利用路由協(xié)議本身功能發(fā)起的攻擊，對AODV路由協(xié)議而言是正常的通信活動，對網(wǎng)絡(luò)性能有嚴(yán)重的影響，改進后的DES-AODV協(xié)議避免了這種現(xiàn)象的發(fā)生。針對路由維護過程中的路由表的溢出攻擊，改進后的DES-AODV協(xié)議可以在惡意節(jié)點發(fā)送偽造大量的虛假路由信息被及時檢測出來不予理睬，不會導(dǎo)致真的路由信息丟失，從而在一定程度上阻擊了針對路由發(fā)現(xiàn)和路由維護所發(fā)起的一系列攻擊，提高了網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性[4-5]。

表1 仿真參數(shù)

3 仿真試驗及結(jié)果分析

仿真試驗用的是仿真軟件NS2搭建的網(wǎng)絡(luò)仿真平臺，通過仿真與評估來驗證改進后的路由協(xié)議的有效性，仿真參數(shù)如表1所示。

1)路由發(fā)現(xiàn)延時 發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)前，需要一定的時間的路由發(fā)現(xiàn)來建立路由表，由路由發(fā)現(xiàn)的延時來分析，在路由發(fā)現(xiàn)階段中嵌入了解密機制后協(xié)議是否依然可以正常工作，仿真試驗結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出，DES-AODV協(xié)議在路由發(fā)現(xiàn)階段與AODV協(xié)議在路由發(fā)現(xiàn)階段延時基本差不多，只有在那些路由跳數(shù)比較多的節(jié)點間傳輸時會有一些差別。DES-AODV協(xié)議沒有給網(wǎng)絡(luò)增加很大的負(fù)載，沒有出現(xiàn)節(jié)點在路由發(fā)行階段找不到路由或數(shù)據(jù)包超時丟失的情況，說明改進后的是DES-AODV協(xié)議是可行的。

2)數(shù)據(jù)包的投遞率分析 目的節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)包與源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包之比為投遞率，數(shù)據(jù)包投遞率仿真結(jié)果如圖2所示，在AODV路由協(xié)議下包的投遞率為51.88%，在DES-AODV路由協(xié)議下包的投遞率為51.26 %。由以上數(shù)據(jù)可以看出改進后的DES-AODV路由協(xié)議與AODV路由協(xié)議數(shù)據(jù)包的投遞率有微小的區(qū)別，改進后數(shù)據(jù)包的投遞率比之前要約低些，丟包率略大，在網(wǎng)絡(luò)通信中數(shù)據(jù)的丟失是很正常的現(xiàn)象，微小變化不會影響正常的網(wǎng)絡(luò)通信。

圖1 路由發(fā)現(xiàn)延時

圖2 數(shù)據(jù)包的投遞率分析

圖3 數(shù)據(jù)包傳輸延時分析

3)數(shù)據(jù)包傳輸延時分析 數(shù)據(jù)包傳輸延時是指接收端接受數(shù)據(jù)的時間減去發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)包的時間。 圖3所描述的是DES-AODV協(xié)議的延時與AODV協(xié)議的延時之差，由圖3可以看出延時曲線在0附近波動，說明改進后的DES-AODV路由協(xié)議與AODV路由協(xié)議在延時方面基本一致，說明對路由發(fā)現(xiàn)過程加密認(rèn)證不影響數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)時間。可以看出DES-AODV路由協(xié)議與AODV路由協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)傳輸性能上面沒有明顯的差距，進一步說明了改進后的是DES-AODV協(xié)議的可行性。

4 結(jié) 語

基于AODV協(xié)議提出了一種對路由協(xié)議局部加密進行身份驗證的方式來提高路由的安全性，并將這種系統(tǒng)在理論上進行了詳細(xì)設(shè)計，并做了仿真試驗。試驗結(jié)果表明，加密雖然使網(wǎng)絡(luò)增加了路由發(fā)現(xiàn)階段和路由維護延時，但這種影響非常小并不影響網(wǎng)絡(luò)正常運行，在安全性方面能有效的防止惡意節(jié)點針對路由發(fā)現(xiàn)和路由維護進行的攻擊，在一些特殊的領(lǐng)域相較于網(wǎng)絡(luò)攻擊所帶來的損失消耗一定的網(wǎng)絡(luò)資源是值得，然而在正常的通信中可能帶來的延時開銷任然是一個不足之處，還有待下一步的研究。

[1]鄭相全.無線自組網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使用教程[M].北京:清華大學(xué)出版社，2004.

[2]陳玲，王華.移動Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究——一種基于AODV路由協(xié)議的改進算法[J].微計算機信息，2006,22(3)：167-169.

[3]趙海燕. Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中QoS保障的路由算法研究[D].濟南：山東師范大學(xué), 2008.

[4]張串絨,張玉清,李發(fā)根,等. 適于ad hoc網(wǎng)絡(luò)安全通信的新簽密算法[J]通信學(xué)報, 2010(3):8-11.

[5]吉祖勤, 方元康. Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)安全路由協(xié)議SDSR設(shè)計[J]. 計算機工程, 2011(16):132-136.

[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.03.030

TP393

A

1673-1409(2012)03-N090-03

2012-01-15

湖北省自然科學(xué)基金項目(2011CDC126)。

陳龍(1986-)，男，2011年大學(xué)畢業(yè)，碩士生，現(xiàn)主要從事計算機網(wǎng)絡(luò)安全及路由協(xié)議方面的研究工作。

陳琳(1972-)，男,1992年大學(xué)畢業(yè)，博士，副教授，現(xiàn)主要從事計算機網(wǎng)絡(luò)和通信與信息系統(tǒng)方面的教學(xué)與研究工作。