Ad hoc網(wǎng)絡中基于區(qū)塊鏈的AODV協(xié)議改進研究

閆帥領，孟 彬，房月華，宋凌云，趙 鑫

（1衡水學院數(shù)學與計算機學院 河北 衡水 053000）

（2衡水學院經(jīng)濟與管理學院 河北 衡水 053000）

（3衡水學院生命科學學院 河北 衡水 053000）

（4衡水學院科研處 河北 衡水 053000）

1 引言

AODV協(xié)議最早由Charles E.Perkin和Elizabeth M.Belding-Royer于1999年提出，它基于傳統(tǒng)的距離向量算法，采用序列號的方法避免了環(huán)路的發(fā)生和過時路由的產(chǎn)生[1-2]。該協(xié)議包括路由建立與路由維護兩個階段。AODV協(xié)議在安全的網(wǎng)絡環(huán)境下可快速地查找到一條由源節(jié)點到目的節(jié)點的路徑，然而當網(wǎng)絡環(huán)境中存在惡意節(jié)點時，該協(xié)議便可能選擇了惡意節(jié)點充當路徑節(jié)點而引發(fā)數(shù)據(jù)傳輸過程中的路徑頻繁中斷。因此，很多學者提出了很多的改進方法：文獻[3]針對Ad Hoc網(wǎng)絡的黑洞節(jié)點對AODV協(xié)議路由查找過程中的破壞，提出了一種基于安全遞歸的認證鏈改進機制，該機制可有效防止黑洞節(jié)點對路由建立過程的破壞，效果顯著；文獻[4]針對AODV協(xié)議執(zhí)行過程中引發(fā)的節(jié)點由于消耗過大而失效問題，提出了一種負載均衡的改進AODV協(xié)議，此協(xié)議針對可避免網(wǎng)絡阻塞，增強網(wǎng)絡的健壯性；文獻[5-6]在AODV協(xié)議的效率方面提出了改進相應的協(xié)議，最終在網(wǎng)絡性能比如時間延遲、控制開銷等方面得到了顯著的改善。

綜合上述研究可知，目前在對AODV協(xié)議進行改進研究時，主要集中在不安全環(huán)境中對某一種惡意節(jié)點的防范或者是在安全環(huán)境下提高網(wǎng)絡性能，而在不安全環(huán)境中對未知的惡意節(jié)點進行防范研究并不多。因此，本文針對未知惡意節(jié)點的情況提出了一種基于區(qū)塊鏈的改進AODV協(xié)議，該協(xié)議能夠通過將惡意節(jié)點進行排除路徑節(jié)點選擇的方式，建立一條相對穩(wěn)定的最終路由，進而確保數(shù)據(jù)包的投遞率。

2 BIAODV協(xié)議

當Ad Hoc網(wǎng)絡中一個節(jié)點向另一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包時，我們將發(fā)送數(shù)據(jù)包的節(jié)點稱為源節(jié)點，接收數(shù)據(jù)包的節(jié)點稱為目的節(jié)點。網(wǎng)絡中每一個節(jié)點維護兩張路由表，其中第1張路由表中記錄著曾經(jīng)與該節(jié)點通信的歷史路徑信息，第2張路由表則搜集節(jié)點可直接通信的節(jié)點信息以形成直接通信區(qū)塊。當有源節(jié)點向目的節(jié)點發(fā)送有數(shù)據(jù)包時，首先此源節(jié)點檢查自身的第1張路由表中是否保存有到目的節(jié)點的路徑，如果有，則按照此路徑進行數(shù)據(jù)包的發(fā)送；否則，啟動路由建立過程。網(wǎng)絡中的每一個節(jié)點周期性地向其周圍廣播探測包，當鄰居節(jié)點收到探測包后便會產(chǎn)生一個對應的響應包。收到響應包的節(jié)點即在自身的第2張路由表中記錄對應信息，并生成信息區(qū)塊。信息區(qū)塊中包含的信息有：區(qū)塊號、鄰居節(jié)點地址信息、本節(jié)點地址、上一地址預留空間和下一地址預留空間。

2.1 路由建立

路由建立的過程是由源節(jié)點發(fā)出的請求分組RREQ，經(jīng)過網(wǎng)絡中的節(jié)點到達目的節(jié)點，再由目的節(jié)點按照逆路徑發(fā)送響應包到源節(jié)點，而源節(jié)點根據(jù)響應包所記錄的路徑信息形成一條由源節(jié)點到目的節(jié)點的路徑的過程。具體過程主要可描述為以下的步驟。

第1步：源節(jié)點將自身的信息區(qū)塊設定為原始區(qū)塊，產(chǎn)生一個路由請求分組RREQ，并將其廣播給相鄰節(jié)點。

第2步：當鄰居節(jié)點收到RREQ分組后，查看是否有同樣的EERQ包（具有相同ID號和源節(jié)點標識的EERQ包）經(jīng)過。若有，則放棄該包，結束。若沒有，則建立反向路由并將自身的信息區(qū)塊的上一地址預留空間填充為RREQ的發(fā)送節(jié)點地址，進入第2步。

第3步：檢查該節(jié)點是否為目的節(jié)點，若是，則依據(jù)建立的反向路由信息向源節(jié)點返回路由應答分組RREP，設置信息區(qū)塊的下一地址空間為end結束標志，形成完整的路徑區(qū)塊鏈。否則，進入第3步。

第4步：查詢其路由表，檢查有沒有到目的節(jié)點的路由并且該路由足夠新（即其路由表中的序列號大于或等于RREQ中的目的序列號），若存在，則依據(jù)建立的反向路由信息向源節(jié)點返回路由應答分組RREP，并填充相應的區(qū)塊信息的上一地址空間和下一地址空間，結束。否則，進入第4步。

第5步：更新自身路由表，并將該RREQ分組廣播給自己的相鄰節(jié)點。并將下一地址預留空間信息周期性地填充鄰居節(jié)點，以測試是否存在到達目的節(jié)點的路徑信息，以形成完整的路徑區(qū)塊鏈。進入第2步。

經(jīng)過以上5步便形成了源節(jié)點到目的節(jié)點的完整路徑信息，其路徑信息會以區(qū)塊鏈的形式存在，假設網(wǎng)絡經(jīng)過3個節(jié)點的數(shù)據(jù)轉發(fā)便到達目的節(jié)點則區(qū)塊鏈的形式見圖1，同時對應的中間節(jié)點均存儲有源節(jié)點到目的節(jié)點的完整路徑信息備份。

圖1 路徑區(qū)塊鏈

2.2 路由維護

在路由的維護階段，BIAODV采用差錯處理包RERR進行路由的維護與修復，RERR包是由出錯節(jié)點產(chǎn)生的，其包含了目的節(jié)點地址、目的節(jié)點序列號以及節(jié)點的跳數(shù)等內容。當出現(xiàn)鏈路破裂或下一跳不可達時，出錯節(jié)點原路返回RERR包，并刪除包含不可達節(jié)點的路由信息，沿途傳輸RERR報文的中間節(jié)點也將刪除路由表中的相應信息。出錯節(jié)點替換信息區(qū)塊的下一地址空間節(jié)點，尋找到達下一不可達信息的下一跳節(jié)點，以修補原有路由信息。

3 實驗仿真

本文采用NS3網(wǎng)絡仿真軟件，設置移動節(jié)點在100 m×100 m區(qū)域內移動，節(jié)點數(shù)量設置為100個，其中惡意節(jié)點的一組內包含黑洞節(jié)點10個、蟲洞節(jié)點3個、不合作節(jié)點3個。并且每個節(jié)點以Random Way Point模型移動，即節(jié)點隨機移動至一個位置，停留一段時間后再移動至另一個目的地，直到仿真時間結束。

由圖2可知，本文所提出的改進AODV協(xié)議（BIAODV）在路徑中斷率上明顯低于傳統(tǒng)的AODV協(xié)議，最主要的原因是本文算法采用了區(qū)塊鏈技術，在選取路徑中間節(jié)點的過程中比較了節(jié)點的穩(wěn)定性以選取更優(yōu)的節(jié)點擔任路徑節(jié)點。因此，建立了更為穩(wěn)定的路由，并提前對可能斷裂的節(jié)點實施了有效的補救措施。隨著惡意節(jié)點數(shù)量的增加，傳統(tǒng)的AODV協(xié)議由于在路徑節(jié)點的選擇中未考慮節(jié)點自身情況，最終導致路徑中存在惡意節(jié)點而不斷發(fā)生鏈路斷裂的情況。

圖2 鏈路中斷概率隨惡意節(jié)點變化

由圖3可知，本文所提出的改進AODV協(xié)議（BIAODV）較傳統(tǒng)的AODV協(xié)議有更好的數(shù)據(jù)投遞率，而且隨著惡意節(jié)點數(shù)的增加，這種優(yōu)勢就更加的明顯。主要原因是BIAODV每一個節(jié)點維護的區(qū)塊中均包含可與其直接通信的節(jié)點，路徑斷裂的概率大大降低，從而可保證數(shù)據(jù)包的準確投遞。

圖3 數(shù)據(jù)投遞率與惡意節(jié)點變化

4 結語

本文提出的改進的協(xié)議（BIAODV）使得每個節(jié)點存儲其鄰居節(jié)點，在路徑的查找過程中利用節(jié)點的信息區(qū)塊的連接方式，逐步查找最終的路徑信息，進而形成完整的路徑區(qū)塊鏈。該協(xié)議相對于傳統(tǒng)的AODV協(xié)議具有更好的數(shù)據(jù)包投遞率和更優(yōu)的鏈路中斷特性。