（信息与通信工程专业论文）多跳蜂窝网络基于信誉节点协作机制的研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科：工科 专业：信息与通信工程 研究方向：无线通信与信号处理 作者：王立 指导老师：吴蒙教授博导 b i l l l l l l l i i i i i j lr l l l l l l l i tri脚ljj f y 1 7 5 5 3 5 5 题目：多跳蜂窝网络基于信誉节点协作机制的研究 英文题目：r e s e a r c ho nr e p u t a t i o n b a s e dn o d ec o o p e r a t i o nm e c h a n i s m i n m u l t i h o pc e l l u l a rn e t w o r k r ， 主题词：多跳蜂窝网络信誉系统动态激励路由选择安全检测 k e y w o r d s ：m u l t i h o pc e l l u l a rn e t w o r kr e p u t a t i o ns y s t e m d y n a m i ci n c e n t i v e r o u t i n gs e c u r i t yd e t e c t i o n 南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 多跳蜂窝网络是一种结合了a dh o c 多跳转发的蜂窝通信系统。它将自组织通信方式 引入蜂窝网络，允许终端之间通过多跳转发直接进行通信甚至组成局域子网。由于a dh o e 网络较之蜂窝网具有更大的吞吐量、更低的功率损耗和更高的数据传输速率等特点，而蜂 窝网相比于a dh o c 网络又有覆盖范围大、集中管理等优势，多跳蜂窝网络已经引起了学 术界和产业界越来越多的关注，并认为它将是第四代移动通信系统的一个过渡。 目前，多跳蜂窝网络的实现大多是将a dh o e 网络简单叠加在现有的蜂窝网络上，而 忽略了a dh o c 网络自身的问题。本文在蜂窝网的辅助下从节点协作机制入手，基于信誉 系统，对节点的动态激励，路由选择和安全检测三个方面展开研究。我们在动态激励方案 a r m 的基础上，提出了基于响应管理的a r m 改进型方案，改进了节点信誉值的计算方法， 明确了节点历史信誉值和当前信誉值的关系，增加了响应管理模块，对节点进行状态分类， 并采取相应的措施。在路由选择方案m o o r 的基础上，提出了基站辅助的全网络m o o r 改进型方案，完善了网络功能，改进了路由中节点信誉值的评价方法。为了让节点公平参 与网络，我们不再局限于某些成功路由，而是考虑整个网络。在安全检测系统c d s 的基础 上，改进了路由中欺骗节点的检测机制，降低了可疑节点的评价权值，根据欺骗节点攻击 行为的多样性，将现有的观察窗口长度从单一性改进成短期，中期，长期三种不同的长度。 基于n s 2 我们实现了三种改进方案的仿真，并进行了一系列性能分析。进一步证明了 改进后的节点协作方案能够有效解决多跳蜂窝网络中节点激励，路由选择和安全检测方面 的问题。减少了自私节点和欺骗节点的不良行为，改善了路由评价机制，提高了网络吞吐 量，加强了节点的安全。 关键字：多跳蜂窝网络信誉系统动态激励路由选择安全检测 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t m u l t i h o pc e l l u l a rn e t w o r k ( m c n ) i sa ni n t e g r a t e dc e l l u l a r a n da dh o cr e l a ys y s t e m ， w h i c hi n r e o d u c e ss e l f - o r g a n i z i n gc o m m u n i c a t i o ni n t oc e l l u l a rn e t w o r k t h i sk i n do fn e t w o r k a l l o w st h ep 2 pc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ei n t e r n a ln o d e sa n da l s ot h ec o n s t r u c t i o no fl o c a la r e a n e t w o r kb yt h em u l t i - h o pf o r w o r d i n gm o d e b e c a u s ea dh o cn e t w o r kh a sm o r et h r o u g h p u t ， l o w e rl o s so fp o w e r ，h i g h e rs p e e do fd a t at h a nc e l l u l a rn e t w o r kw h i l ec e l l u l a rn e t w o r kh a s g r e a t e ra d v a n t a g e so fc o v e r a g ea r e aa n dc e a t r a l i z e dm a n a g e m e n tt h a na dh o cn e t w o r k ，t h e m c na t t a r t sm o r ea n dm o r es t u d ya n da t t e n t i o nf r o mt h ea c a d e m i ca n di n d u s t r i a lc i r c l e s ，w h i c h i sc o n s i d e r e da sat r a n s i t i o np l a n n i n go f4 g n o w a d a y s ，m c ni sm o s t l yc o m p o s e db ya dh o cn e t w o r ko v e r l a y i n go nc e l l u l a rn e t w o r k s i m p l y i nt h i st h e s i s ，w ef o c u so nt h en o d ec o o p e r a t i o na n db a s eo nr e p u t a t i o ns y s t e mt o r e s e a r c ht h r e ea s p e c t so ft h en o d e s d y n a m i ci n c e n t i v em e c h a n i s m ，r o u t i n gm e c h a n i s ma n d s e c u r i t yd e t e c t i o nm e c h a n i s mw i t ht h eh e l po fc e l l u l a rn e t w o r k w ep r o p o s eai m p r o v e ds c h e m e t or e s p o n s em a n a g e m e n tb a s eo na r m w ee x p l i c i tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eh i s t o r y r e p u t a t i o nv a l u ea n dc u r r e n tr e p u t a t i o nv a l u ea n dc l a s s i f yt h e s en o d e si n t od i f f e r e n ts t a t e t h e n s y s t e mt a k e sv a r i o u sm e a s u r e sa c c o r d i n gt on o d e s s t a t e s b a s e do nm o o r ，w ep r o p o s ea i m p r o v e ds c h e m et ot h ee v a l u a t i v em e t h o do fn o d e s r e p u t a t i o nv a l u ea n d t h ef u n c t i o no ft h e n e t w o r k w ec o n s i d e rt h ew h o l er e l a y i gn o d e si nt h em c ni n s t e a do ft h en o d e st h a t si nt h e s u c c e s s f u lr o u t e s b a s e do nt h ec d s ，w ei m p r o v et h em e c h a n i s mo fd e t e c t i n gc h e a t i n gn o d e s a n dr e d u c et h er e p r e s e n t a t i v ev a l u eo fs u s p i c i o u sn o d e s a c c o r d i n gt ot h ed i v e r s i t yo fa g g r e s s i v e b e h a v i o r , w ec h a n g et h ew i n d o w sl e n g t hf r o mt h es i n g l eo n e t ot h et h r e ed i f f e r e n tl e n g t h s w ec a r r yo u tt h r e ei m p r o v e ds c h e m e so nn e t w o r ksi m u l a t ev e r s i o n2 ( n s 2 ) t r i u m p h a n t l y a n dt h e nm a k eas e r i e so fa n a l y s i so np e r f o r m a n c e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e s es c h e m e sc a n r e s o l v et h ep r o b l e m so fn o d e s i n c e n t i v e ，r o u t i n g ，s e c u r i t yd e t e c t i o ni nm c n o u rs c h e m e s r e d u c et h em i s b e h a v i o r so fs e l f i s hn o d e sa n dc h e a t i n gn o d e s ，i m p r o v et h ee v a l u a t i v em e c h a n i s m o fr o u t e r s ，r a i s et h en e t w o r k st h r o u g h p u ta n de n h a n c et h en o d e ss e c u r i t y k e y w o r d s ：m u l t i h o pc e l l u l a rn e t w o r k ，r e p u t a t i o ns y s t e m ，d y n a m i ci n c e n t i v e ，r o u t i n g ， s e c u r i t yd e t e c t i o n i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t 。i i 目萄毛i i i 第一章绪论。1 1 1 多跳蜂窝网络的研究背景和意义1 1 2 多跳蜂窝网络的研究现状一4 1 3 本文研究内容和章节安排一6 第二章信誉系统与多跳蜂窝网络一8 2 1 信誉系统8 2 1 1 功能和模块构成9 2 1 2 特征分类1 1 2 1 3 研究现状1 4 2 1 4 面临的挑战15 2 2 多跳蜂窝网络1 6 2 2 1 性能特点1 6 2 2 2 节点激励机制1 6 2 2 3 路由特征：18 2 2 4 路由安全问题一2 0 2 3 本章小结2 1 第三章基于信誉的节点动态激励机制_ 2 2 3 1 相关工作2 2 3 2 现有的基于信誉的节点动态激励方案2 3 3 2 1 实施前提2 3 3 2 2a r m 方案的整体介绍2 3 3 2 3a r m 的模块功能一2 4 3 3 基于响应管理的a r m 改进型方案2 7 3 3 1 信誉管理模块的改进一2 7 3 3 2 增加响应管理模块2 8 i i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目 3 4 仿真设置和结果分析 3 4 1 仿真设置 3 。4 2 结果分析 3 5 本章小结 第四章基于信誉的节点路由选择机制 4 1 相关工作 4 2 现有的基于信誉的节点路由选择方案 4 2 1m o o r 的整体介绍 4 2 2m o o r 的功能构成一3 6 4 3 基站辅助的全网络m o o r 改进型方案一3 8 4 3 1 网络功能的改进一3 9 4 3 2 信誉评估的改进一3 9 4 4 性能分析4 0 4 4 1 丢包率分析一4 2 4 4 2 吞吐量分析一4 2 4 5 本章小结4 3 第五章基于信誉的节点安全检测系统4 4 5 1 相关工作4 4 5 2 现有的基于信誉的节点安全检测系统4 5 5 2 1c d s 网络模型与结构4 5 5 2 2 活动报告的规定和会话的分类4 6 5 2 3 欺骗检测模块4 8 5 2 3 1 观察阶段4 9 5 2 3 2 交互阶段5l 5 3 改进的节点安全检测系统5 1 5 3 1 观察阶段的改进一5 1 5 3 2 交互阶段的改进5 2 5 4 系统的安全分析和仿真5 3 5 5 本章小结：5 6 第六章总结与展望5 7 i v 南京邮电大学硕士研究生学位论文 6 1 工作总结 6 2 未来工作展望一 致谢 参考文献 作者攻读硕士学位期间发表的论文。一 v 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 多跳蜂窝网络的研究背景和意义 自2 0 世纪9 0 年代以来，无线通信技术获得了长足的发展，不断地影响着人们的生产 和生活方式，可以说它正在改变着当今世界，也正在创造着未来世界。在用户需求以及产 业价值链需求的不断驱动下，无线通信相关的各种新概念、新技术层出不穷，无线通信系 统也经历了从第一代到第三代的演变过程。 ， 目前，单纯的语音业务已经不能满足人们的需求，取而代之的将是一个语音、数据、 图像融为一体的新业务类型，用户可以从中获得更加丰富的业务体验。现有的无线网络在 不断增长的高速数据业务以及宽带多媒体业务需求下，面临了系统容量以及通信质量等多 方面的压力。 于是，人们已开始翘首以待下一代无线通信系统的到来。文献 1 】在对第四代移动通信 系统的展望中指出“未来的移动通信系统在本质上将是异构的，形成一个集成的网络环境， 各类无线技术和接入系统以一种互补的形式存在”。这代表了未来无线网络的一种融合方 式，因为每一种技术都有其特定的适用范围，多技术共存将是很长一段时间内必然存在的 现象，这些异构网络的存在也反映了现实世界的复杂性和多样性。同时，这些不同的技术 在各自的演进过程中不是完全独立的，而是相互补充、相互竞争、相互推动，最终将走向 完全融合。 尽管各种不同的标准在物理层上存在着很大的差异，但是从网络架构上划分，无线通 信系统主要有两种截然不同的拓扑结构：一种是以蜂窝网为代表的星形结构；一种是以自 组织网络为代表的分布式的网状拓扑结构。星形结构具有中央控制设备，可以提供良好的 q o s 保证，但是基站往往成为约束系统吞吐量的瓶颈。网状的拓扑结构更为灵活，可以提 供更高的系统容量，并在遇到突发事件时具有更好的健壮性，可是由于缺乏中心控制，通 信质量往往得不到保证。尽管当前蜂窝网仍是主流通信服务商提供服务时所采用的网络结 构，但是随着大流量、高速率的新业务的普及，容量受限将成为蜂窝网一个无法回避的问 题。而自组织网络以其在吞吐量上的优势逐渐吸引了人们的关注，所以从网络架构上寻求 一种融合来满足人们对未来移动通信的要求，即蜂窝网和自组织网络的融合问题成为一个 新的研究热点。 ( 1 ) 蜂窝移动通信网 1 查室塑皇奎竺婴主堕窒生兰垡笙苎翌二兰堑笙 一个蜂窝网主要包括三个部分：移动台、基站和骨干网。基站是连接无线网络和有线 骨干网的一个转换设备。蜂窝小区内的移动台必须通过基站收发信息，从而形成一种星形 的拓扑结构。所以一个蜂窝小区的建成首先需要固定设备基站的建立。现在通用的g s m 网络、3 g 网络都是基于蜂窝网的结构，这种网络构架的优点在于：通过固定设备基站的转 发，通信链路的质量得到很好的保证，便于对移动用户进行认证、授权、计费及无线资源 的统一分配和管理。缺点就在于：由于小区容量受限，在热点地区，网络拥塞严重，掉话 率高；由于无线电波的衰耗和阴影效应，小区内产生盲区，处于盲区中的终端无法正常通 信；基站过大的发射功率会对其他的移动终端产生干扰，产生远近效应。 ( 2 ) 移动自组织网络 移动自组织网络，即m a n e t ( m o b i l ea dh o cn e t w o r k ) ，是一种没有基础设施支持，完 全由移动终端构成的网络。在自组织网络中，当两个移动终端在彼此的通信覆盖范围内时， 它们可以直接通信。但是由于移动主机的通信覆盖范围有限，如果两个相距较远的主机要 进行通信，则需要通过它们之间的其他节点转发才能实现。因此在自组织网络中，终端同 时还是路由器，担负着寻找路由和转发数据包的工作。 对等终端直接通信，而无需任何固定设备的支持，这是自组织网络和传统的无线网络， 如蜂窝网或是无线局域网，之间的一个非常显著的区别。通过将业务分散在整个网络，自 组织网络避免了星形网络受制于中心节点瓶颈效应的缺陷，使得自组织网络在系统容量上 和传统蜂窝网相比具有很大的优势【2 , 3 , 4 】。但是路由上中间节点的增多也会给数据包带来额 外的延迟负担，文献 5 分析了在具有延迟约束情况下，自组织网络的容量，而文献 6 ，7 】就 系统容量和端到端的延迟进行了折衷考虑。类似的，文献 8 】提出了通过拓扑控制的策略来 提高自组织网络的容量。此外，由于自组织网络采用分布式技术，没有中心控制节点的管 理，当网络中某些节点或链路发生故障时，还可以通过其他节点的中继继续通信。整个网 络由移动节点自由组合，不依赖于任何有线设备，因此自组织网络具有较强的自组性和可 扩展性，并且由于组网简单，具有很高的机动性。 ( 3 ) 多跳蜂窝网络 将蜂窝网和自组织网络这两种截然不同的网络架构融合在一起，是一个较为复杂的问 题，将牵涉到各级协议栈的改动，甚至是硬件设备的变化。相关的研究方向大致可以划分 为两类： l 、认为蜂窝网和自组织网络处于不同的制式，针对下一代开放架构的无线通信系统 1 0 - t 5 】，把融合问题演绎为研究如何实现异构网络之间的互联互通，这往往需要通 过硬件上的改动，由设置中间件或是多模终端来实现。 2 = 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 2 、在蜂窝网的单一空中接口上实现直联模式的扩展，通过软件升级将自组织网络特 性融入蜂窝网，从而构成个混合网络模式。 在第一种融合方式下，尽管集成的网络也呈现出混合拓扑结构，但是就某一种空中接 口而言，网络拓扑仍是单一的，本文考虑的是此种情况。多跳蜂窝网络中的节点同时具有 传统的蜂窝网通信以及对等节点直联通信的能力，并借助基站这个中心控制器进行一定程 度的协调，利用自组织网络灵活的拓扑结构，实现在保证通信质量的同时提高系统容量的 目的。而且，蜂窝网的中心控制辅助，也可以让自组织网络的容量得到进一步的提升。图 1 1 为多跳蜂窝网络的示意图。 骨干网 h o c 分配的蜂窝 控制信道 a dh o e 链路 蜂窝链路 图1 1多跳蜂窝网络的示意图 多跳蜂窝网络使a dh o c 网络具备直联功能的意义主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 节省发送功率 由于电磁波在空间传输时，信号功率是随距离以指数关系衰减( 根据不同传输环境， 可能为2 4 次方的关系) 。如果终端到基站距离较远，通过其他对等终端的中继，把一段 长距离传输分成多个短距离传输，可以有效的节省终端的发送功率。这样，小区中每条蜂 窝链路的传输功率都不会很高，从而减少了小区内和小区间信号的干扰。 ( 2 ) 节省无线资源 无线资源是珍贵的，对于近距离对等通信的场合，通过一条直联链路取代了蜂窝网模 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 式下的上行和下行链路。同时，a dh o c 节点可以借助蜂窝基站对全局信息的掌握获得更有 效更安全更可靠的路由选择机制。 ( 3 ) 扩大小区覆盖范围 很多位于小区边缘的节点，由于距离较远以及发送功率有限，无法和基站建立通信链 路。如移动通信系统的覆盖区域内存在的一些“死区”：一种是任何信号都不可到达；另 一种是高速率业务不可到达，但有同步信号，信令信号，低速率语音业务信号可以到达“死 区”。但是如果能够获得其他节点的中继，那么这些节点也可以建立通信链路，从而扩大 了小区的覆盖范围。 ( 4 ) 提高系统吞吐量 首先由于前面一点的原因，更多的节点可能接入系统。其次由于将长链路分为多个短 链路，使得各条短链路上通信质量更好，从而可以支持更高的传输速率，这在一定程度上 也提高了系统的吞吐量。 ( 5 ) 均衡业务流量 在一些热点地区，基站往往成为整个小区通信的瓶颈。那么小区内业务可以通过节点 之间的直联链路进行通信，到外小区的业务也可以通过小区边缘处的节点中继到相邻小 区，借助邻区基站进行通信，从而缓解了基站的“瓶颈”效应。例如，在某个时间段，a 小区是业务量大的热点小区，基站所有的无线信道都被用户使用，而相邻的小区b ，有大 量的空闲信道，这时，a 小区中的用户可以打开a dh o c 接口，通过其他移动节点的中继 利用小区b 中的蜂窝信道进行通信。 1 2 多跳蜂窝网络的研究现状 a dh o c 和蜂窝网络的融合在带来性能改善的同时，也会引出许多新的技术问题。目前， 针对这些问题的研究正广泛展开，以探讨各种新型混合网络模型的可行性，并寻求性能和 可行性之间良好的结合点。这些问题主要包括框架结构、路由、计费、切换、信道分配、 编址问题、负载均衡、其他关键技术等等。 ( 1 ) 框架结构 框架结构是研究一种新型网络首先要解决的关键技术问题。国外的一些研究人员已经 提出了一些新型的网络模型，但这些模型多数是针对网络的某一具体问题而提出的，它们 所带来的性能优势也是局部的。例如，i c a r 模型仅仅是为蜂窝网流量均衡问题而设计， a g s m 模型是专为解决蜂窝网覆盖盲区问题而设计等。同时，在现有网络框架中还有很多 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一苹绪论 问题未能统一。例如，网络中是否设置专用的中继节点，多种通信方式是否使用同样的无 线资源等。因此，必须综合考虑各项网络性能，才能构造出具有较高网络优势的框架结构。 ( 2 ) 路由 路由是网络互联要考虑的首要问题之一。多跳蜂窝网络的路由需求不同于传统的蜂窝 网和a dh o c 网，其通信方式的多元化以及节点类型的多样性使得蜂窝网和a dh o c 现有的 路由协议都不能满足其需要。一方面，多跳蜂窝网络的通信方式可分为传统蜂窝方式、a d h o c 方式和混合方式。其中，混合方式是多跳蜂窝网络所特有的通信方式，给路由机制带 来了新的要求。另一方面，多跳蜂窝网络中不仅有预设的基础网络设施，而且还可能有一 些专门设置的计算能力和存储能力都更为强大的中继节点，如i c a r 中的a r s 。这些具备 完全或部分“中心”功能的节点可以获得一定覆盖区域内的节点位置信息和网络拓扑信息， 从而为路由的计算和路径的选择起到一定的辅助作用。所以，设计多跳蜂窝网络路由机制 时必须合理的利用这些节点，将分布式路由和“中心节点”的辅助相结合来提高全网的性 能。 t ( 3 ) 计费 多跳蜂窝网络自身的特性对计费机制产生了新的要求。首先，许多通信业务只是由节 点间的中继转发来完成，而不需要经过基站。因此，基站对于覆盖范围内的业务并不拥有 完备的信息。其次，电信运营商已不再是服务的唯一提供者，负责中继转发的中间节点也 为通信用户提供了相应的服务。这些中间节点在进行数据存储和转发的过程中耗费了自己 的能量，甚至会影响自身的通信业务，所以必须给予一定的补偿来激励其为其他的用户进 行数据的转发。第三，用户的移动性会造成通信链路的重新配置，从而增大了统计计费信 息的难度。这些特性就要求必须针对多跳蜂窝网络设计新的计费机制，以保证准确记录为 用户提供服务的其他用户的身份、服务时间和传输流量等信息。 ( 4 ) 切换 所谓切换，是指当移动台在通话过程中由于自身移动或者外界干扰造成通话质量下降 时，必须改变原有的话音信道而转接到一条新的空闲话音信道上，以继续保持通话的过程。 在多跳蜂窝网络中，不仅有传统的信道问切换，还有通信方式之间的切换。具体而言，在 多跳蜂窝网络中的3 种通信方式：自组织方式( a dh o c 方式) 、传统蜂窝方式和混合方式 ( 经过多跳中继最终接入基站) ，当这几种通信方式都能实现用户的通信需求时，就不可 回避地要解决切换到哪种通信方式的问题，通信方式的不同将直接影响网络系统的整体性 能，因此在选择时必须综合地考虑当前网络资源的利用率、网络负载的均衡程度、业务的 q o s 要求、以及用户的移动特性等各种因素，以达到最佳网络性能。 5 ： 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 ( 5 ) 信道分配 信道分配机制是无线网络中的主要技术问题之一。在多种通信方式共存的情况下，实 际的网络环境中往往会同时存在各种通信场景。如何协调使用有限的信道资源，做到既不 影响各小区的通信性能又能最大程度地改善网络容量是现有机制不曾涉及的问题。目前， 国内外对同一网络中不同通信模式间的信道分配机制的研究尚处于起步阶段，均未涉及详 细、可行的分配策略及具体问题的定量分析。 ( 6 ) 编址问题 人们除了要随时随地通信之外，也希望能接入互联网，获得各种多媒体业务和更多的 信息。因此，多跳蜂窝网络也要考虑到与互联网的接入融合。在u m t s 蜂窝网络中，g g s n 是通向互联网的接口，也负责节点的编址工作，所以多跳蜂窝网络中蜂窝模式下接入互联 网是相对容易的。g g s n 的编址方式也可以应用于a dh o c 模式之下，可以通过g t p 隧道 与a dh o e 网关相连，以使得a dh o c 模式下的节点通过蜂窝网络接入互联网。当然，a dh o c 网络也可以采用i p v 6 、移动i p 等进行编址，可以将i p v 6 等作为a dh o c 路由的扩展，直 接在a dh o e 模式下接入互联网。 ( 7 ) 负载均衡 有研究发现，多跳蜂窝网络中的节点所承担中继转发业务的多少和该节点在网络中的 位置以及周围区域节点密度有关【1 6 】。靠近网络中心的节点，要比网络边沿的节点承担更多 的中继转发业务。这就使得处于网络中心区域的节点最早消耗完自身的能量，从而造成网 络中心区域节点的密度降低，并增大了这一区域其他节点的负担，形成恶性的循环。这种 区域性的节点密度降低一方面会导致网络出现分割，另一方面也会对正在进行的业务产生 影响，造成网络吞吐降低。所以，负载均衡算法是混合网络中需重点研究的问题之一。目 前实现负载均衡的方法主要是对最短路径的路由发现机制进行改进，搜索多条备份路径。 业务发起时，由节点自主地选取一条链路节点负载最小的路径进行数据传输，或者由基站 根据全网当前的负载分配和吞吐从搜索出的路径中选取一条路径指配给用户。 ( 8 ) 其他关键技术 除上述关键技术外，混合网络中的网络容量、用户身份的鉴权认证、安全保障、q o s 保障以及移动性管理等也是多跳蜂窝网络中要研究的关键技术问题。 1 3 本文研究内容和章节安排 本论文在深入剖析当前多跳蜂窝网络中的节点协作行为及信誉系统的激励措施的基 6 堕室墅皇奎堂堕主塑塑竺兰垡笙茎 翌二雯堕笙 础上，分别从节点激励机制，路由选择机制以及安全检测机制等三个不同的角度进行研究： l 、在动态激励方案a r m 的基础上，提出了基于响应管理的a r m 改进型方案。改进 了节点信誉值的计算方法，明确了权衡节点历史信誉值和当前信誉值的方法，并 且根据节点信誉值进行分类，采取不同的响应措施。 2 、在路由选择方案m o o r 的基础上，提出了基站辅助的全网络m o o r 改进型方案。 改进了网络功能，考虑了网络中所有转发节点，不再局限于某个成功路由中的节 点，完善了路由评价机制。 3 、在安全检测系统c d s 的基础上，改进了路由中欺骗节点的检测机制。降低了可疑 节点的评价权值，根据欺骗节点攻击行为的多样性，将现有的观察窗口长度从单 一改进成短期，中期，长期三种不同长度。 7 然后对研究成果分别做了性能分析和结果仿真。仿真结果表明：改进的三个方案均在原来 的基础上有了不同程度的提高。 论文的章节安排如下： 第一章介绍了多跳蜂窝网络的研究背景和研究内容，阐述了本论文的主要工作； 第二章介绍了信誉系统的功能和模块组成、特征分类、研究现状及面临的挑战，同时 又阐述了多跳蜂窝网络的性能特点，节点激励机制，路由特征以及路由安全问题。 第三章深入剖析了现有的多跳蜂窝网络中基于信誉的节点动态激励机制a r m ，并提 出了改进型方案，并对其进行网络吞吐量，自私节点数量变化等性能方面的分析和仿真。 第四章具体分析了多跳蜂窝网络中基于信誉的路由协议，并根据现有的路由选择机制 m o o r ，提出了改进型方案，并对改进后路由协议的丢包率和吞吐量做了分析和仿真。 第五章从多跳蜂窝网络的节点安全检测为切入点，分析了优秀的激励机制应具备的三 方面原则，根据现有的基于信誉的节点安全检测系统( c d s ) ，针对欺骗检测模块，对现有 方案进行改进，并对改进后方案进行了安全分析和仿真。 第六章对本论文进行了总结并对未来工作进行了展望。 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章信誉系统与多跳蜂窝网络的研究 2 1 信誉系统 第二章信誉系统与多跳蜂窝网络 互联网为人们提供了前所未有的机遇去接触到那些存在于过去的，难以获得的甚至不 可能获得的宝贵资源。无论是晦涩难懂的著作还是非常专业的服务，抑或是潜在的合作伙 伴，连接全球的互联网都有能力把这些资源整合起来，让每个人触手可及，丰富人们的经 济，政治和文化生活。 生活中的合作机制如法律体系，稳定的合作伙伴等等，是通过人与人之间的信任交流， 长期相处，约定俗成，而逐渐成为人们共同的价值观，这是现实世界。根据上述思想，同 时为了充分获得全球互联和公平交易带来的好处，人类社会需要发展一种新的信任机制来 确保陌生人之间在互联网上的有效合作，约束恶意行为的产生和传播。 在建立正规的法律和中央集权体系之前，很多原始的社交活动都依赖于信誉作为经济 和社会活动的准绳，一直到现在人们的社会经济活动也有着信誉的影响，例如个人诚信档 案，银行的信用卡等等。信誉网络是解决人们在互联网上建立信任关系的早期方案。信誉 网络不需要建立昂贵的监管机构去管理人们之间的合作。 这些古老且有效的解决互联网上建立信任关系的方案正在逐渐兴起。在线信誉机制， 又称为信誉系统，它拥有良好的信誉管理体系，安全的网络环境，便捷的沟通渠道，正在 被人们所追捧。人们正式通过这样的网络分享信息和经历，讨论共同的话题包括公司合作， 产品销售，服务理念甚至世界新闻等等。 信誉系统的工作原理是在网络中找到与自己要求相符的供应商后，从中选择一个或者 多个最值得信赖的进行交互。一般的信誉模型的工作流程主要包括信誉信息的检测、计算、 更新三部分，其中信誉信息的查找又分为本地查找和外地查找两种。假设源节点为a ，考 察节点为b ，即a 希望获取b 的信誉信息。 a 节点则调用一个r e p u t a t i o n ( ) 算法获取b 的信誉信息，整个过程可以用算法描述如下 【1 7 】： v o i dr e p u a t i o n ( ) l o e a l i n f o = l o c a l m o n i t o r ( i db ) ；本地检测 e x t e r n a l i n f o = e a t e m a l m o n i t o r ( i db ，i d w i t n e s s ) ；j l 部检测 8 o 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章信誉系统与多跳蜂窝网络的研 g e n e r a l i n f o = c a l c u l a t e ( l o c a l i n f o ，e x t e r n a l i n f o ) ；信誉计算 i f ( i s s a t i s f a c t o r y ( g e n e r a l i n f o ) ) 判断是否交易 d e a l ( ) ；交易 u p d a t e r e p u t a t i o n ( ) ；信誉更新 e l s e e x i t ； 2 1 1 功能和模块构成 在移动a dh o c 网络( m a n e t ) 中，节点既是路由又是终端。由于缺少路由设施， 们不得不通过相互协作进行通信。网络层的合作即是路由的建立和数据包的转发。不良行 为意味着节点偏离了正常的路径轨迹，违反了数据包的转发规则 1 8 j 。产生这些行为的节点 称之为自私节点。自私节点并不意味着节点本身是恶意的，而是节点客观的固有属性【1 8 】 只愿消耗网络资源而不愿提供服务( 严格说来每个节点都是自私的，只有在合适的激 励机制下，节点才会表现出合作的行为，但在本文中只有在激励机制下表现出不良行为的 节点才被认为是私自节点) 。恶意行为则是指节点在主观上有针对网络或其他节点的蓄意 破坏行为，比如一个节点发起一次恶意指控攻击或者促使另一个节点丢弃数据包，从而威 胁到网络安全。随着i t 行业的兴起，信誉系统在很多领域得到了广泛应用，人们利用信誉 系统获得可靠的信息，排除潜在的恶意行为。r e s n i c k 和z e c k h a u s e r 指出了信誉系统的三 个功能【。9 】： 1 、提供充足的信息判断正常节点和恶意节点； 2 、鼓励并促使恶意节点做出合法行为； 3 、防止恶意节点加入到信誉网络中。 总而言之，一个信誉系统的目标就是让节点能够在含有自私节点或恶意节点的网络环 境中适应并且作出响应。要达到这样的目标需要有监视，信誉，响应三部分模块组成。 ( 1 ) 监视 监视的目的就是收集网络中节点的直接信息。监视系统通过观察节点行为发现那些有 不良行为的节点。在m a n e t 网络中不转发行为只是各种各样不良行为中的一种，其他的 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章信誉系统与多跳蜂窝网络的研究 关于路由的攻击更值得关注，如黑洞攻击，灰洞攻击，虫洞攻击。我们把不良行为分成数 据包丢失，篡改，伪造，超时等几类：很多不良行为都能通过直接观察发现，检测结果在 文献 2 0 】中有所提及。 为了发现不良行为，节点会处理接收到的数据包( 如从目的节点回送的确认消息意味 着路由上的所有节点准备好了转发数据包) ：同时，他们用增强型确认( p a c k ) 消息来监 听路由中下一跳的转发行为。路由中的节点都使用全向天线。举个例子，观察节点不需要 通过重传机制去监听一个时段内( 如l o o m s ) 的被观察节点，它只要监听传输过程中是否 有数据包的头被非法修改，就可发现是否有不良行为产生。由于物理层原因，如超出了信 号覆盖范围，发生噪声干扰，阴影效应等造成的传输失败，超时后允许重传：如果长时间 显示链接失败，节点可认为是路由出错。如果发生链接故障，在观察节点的接收端口会收 到大量链接错误的消息，直至超出p a c k 生存时间。 除了我们所熟知的各种不良行为，节点也能像人类的免疫系统一样自主地学习网络中 新的不良行为【2 1 1 。 ( 2 ) 信誉 在线拍卖系统上的信誉系统通过买卖家之间的信息反馈对这些参与者进行信誉评价。 信誉系统设计之初有两种主要思想：第一，激励行为良好的节点避开网络中信誉评价较差 的节点；第二，为选择潜在的合作伙伴提供一种客观的评价依据。 很多场合都用到“信誉”和“信住”这两个词，有时甚至混用。在此，我们定义“信 誉”为被观察节点参与网络活动，遵守网络基本协议的能力，如在m a n e t 中，节点参与 路由建立和数据包转发的能力：“信任”为节点参与网络策略性协议的能力，这些策略性 协议基于并维护路由协议。观察节点将被观察节点的可靠性作为衡量“信任 的依据。 j + ： 使用间接信息( 如从其他节点获得信誉信息) 可以使节点在选择可疑节点之前发现不 良行为。因此，有了间接信息的参考，m a n e t 中的节点不需要满足所有节点转发的请求， 而是有选择性地帮助那些在路由中信誉良好的节点。 ( 3 ) 响应 信誉检测系统的目标是隔离那些有不良行为的节点，避免让它们参与到路由建立和数 据包转发的过程中来，拒绝为它们服务。这种隔离措施有三个目的：第一，剥夺不良行为 节点参与网络的机会，将它们的影响降到最小化；第二，激励节点的行为良性化，尽可能 地为网络服务；第三，通过隔离路由中不良行为的节点提供更好的网络服务。 监控，信誉和响应三部分模块协调合作，评价节点的转发行为，存储并更新节点的信 誉值。信誉系统的最大优势就是提升了网络吞吐量，降低了丢包数量【2 2 】。节点需要对网络 l o ， 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章信誉系统与多跳蜂窝网络的研究 流量抓包，检查数据包是否对自己有用。这个过程消耗的资源，例如电池耗电量，网络开 销等远比简单的信誉计算高的多。 2 1 2 特征分类 在m a n e t 中，信誉系统的特征可以分为信息的表示及分类，间接信息的使用，信任 机制，救赎机制和二次响应。 ( 1 ) 信息的表示及分类 信誉系统将监视的事件存储下来，并对该事件进行信誉评估，然后依据信誉值进行分 类，最后做出响应。 当节点i 测量节点j 的信