（计算机应用技术专业论文）基于身份签名的安全olsr协议研究.pdf

摘要 无线移动自组网( a dh o cn e t w o r k s ) 是一种新兴的网络技术，具有单独组网 能力和自组织的特点，在军事、民用、灾害营救等领域具有广泛的应用前景， 已成为当前无线通信领域研究的一个热点。 o l s r ( o p t i m i z e dl i n ks t a t er o u t i n g ) 协议是a dh o c 网络中重要的先应式路 由协议，在这种协议中，无论是否有通信需求，每个节点都采用周期性的路由分 组广播、交换路由信息，维护一张包含到达其他节点的路由信息表。在协议中， 每个节点周期发送h e l l o 、t c 消息包等来建立和维护路由，如果使用在没有任 何安全保护的网络情况下，这些网络拓扑信息将会暴露给那些想监听的任何人 和机器面前，并且易受到各种攻击，网络的完整性和安全性将会受到破坏。相 对于其他已有的相关研究，本论文主要采用了基于身份签名的机制来保证网络 的完整性和安全性。主要涉及的工作内容如下： ( 1 ) 了解a dh o c 网络的发展、产生、现状、特点、研究热点和应用等；并对 a dh o c 网络中o l s r 协议的安全性进行深入研究。 ( 2 ) 对0 p n e t 网络仿真进行了深入学习和研究，熟悉o p n e t 的建模，仿真流程 和网络仿真等的应用。 ( 3 ) 对密码编码学与网络安全的知识进行了深入学习和研究；并对o l s r 协议 的进行安全性设计，提出了移动a dh o c 网络基于身份签名机制的安全优化链路 状态路由协议i d b s s o l s r ( s e c u r i n go l s rr e l i e do ni d e n t i t y b a s e d s i g n a t u r e ) 。 ( 4 ) 在网络仿真工具o p n e t 下，对新协议i d b s - s o l s r 进行了建模和仿真。 ( 5 ) 学习和研究了国际公认的a v i s p a ( a u t o m a t e dv a l i d a t i o no fi n t e m e t s e c u r i t yp r o t o c o l sa n da p p l i c a t i o n s ) 工具集中的体系结构、l p s l 2 i f 编译器和 h l p s l 形式化描述语言，基于h l p s l 形式化语言编写了i d b s s o l s r 协议脚本，在在 l i n u x 环境下进行形式化验证。 文章主要特色和创新之处如下： ( 1 ) 利用身份签名机制的公钥加密算法实现数字签名，提出i d b s s o l s r 协 议，该协议增加数据完整性、来源真实性、防止篡改和抗重放攻击等安全服务。 ( 2 ) 使用国际公认的网络仿真工具o p n e t 仿真新协议，仿真结果表明该协议 相对采用r s a 机制，产生的网络延时较小。 ( 3 ) 最后采用h l p s l 形式化描述语言对改进的协议进行代码编写、运行和验 证，结果表明该协议能够达到既定的安全目标。 关键字：协议，安全，i d b s s o l s r ，o p n e t ，a v i s p a a b s t r a c t w i r e l e s sm o b i l ea dh o cn e t w o r k sa r eak i n do fn e w l ya r i s e nn e t w o r kt e c h n i q u e ， t h e yh a v et h ea b i l i t yt oo r g a n i z et h en e t w o r ka l o n ea n dc a nb e u s e di nm a n y e n v i r o n m e n t s ，f o re x a m p l e ，m i l i t a r ya r e a ，l a we x e c u t i n g ，a n dd i s a s t e rr e s c u i n gf i e l d s e t c n o wa dh o cn e t w o r k sh a v eb e c o m eav e r yi m p o r t a n tr e s e a r c hf i e l di nr e c e n t y e a r s n e o p t i m i z e dl i n ks t a t er o u t i n g ( o l s r ) i sap r o a c t i v er o u t i n gp r o t o c o l ，w h i c hi s a p p l i e di nt h em o b i l ea dh o en e t w o r k s t h ep r o t o c o li sa no p t i m i z a t i o no ft h e c l a s s i c a ll i n ks t a t ea l g o r i t h mt a i l o r e dt ot h er e q u i r e m e n t so fam o b i l ew i r e l e s sl a n i nt h i sk i n do fr o u t i n gp r o t o c o l ，r e g a r d l e s sw h e t h e rh a v i n gt h ec o r r e s p o n d e n c en e e d ， e a c hn o d eb r o a d c a s t st h eg r o u p i n gm e s s a g ep e r i o d i c a l l y ，a d o p t se x c h a n g i n gr o u t i n g m e s s a g ee a c ho t h e r ，a n df o r m sar o u t i n gt a b l ef i n a l l y e a c hn o d ef o r w a r d st h e t o p o l o g yi n f o r m a t i o ns u c ha st h e “h e l l o ”o r “t c ”m e s s a g ep e r i o d i c w h i l ei nt h e p r o g r e s sb e c a u s eo fs o m er e a s o n ，s u c ha se x i s t e n c em a l i c eo ri n v a l i d a t i o no ri n s e r t e d i n v a l i dc o n t r o li n f o r m a t i o ns o m en o d e sw i l lr e s u l tt ot h ei n t e g r i t ya n ds a f e t yo ft h e n e t w o r k c o m p a r i n gw i t h t h eo t h e rr e l a t e dr e s e a r c h ，t h et h e s i sg u a r a n t e e st h e i n t e g r i t ya n dt h es e c u r i t yb a s e do nt h em e c h a n i s mo fi d e n t i t ys i g n a t u r e ，a n dt h em a i n c o n t r i b u t i o n sa r ed e s c r i b e da sf o l l o w s ： ( 1 ) a n a l y z e st h ea p p e a r a n c e ，t h ea c t u a l i t y , t h ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h ed e v e l o p m e n t ， t h er e s e a r c hh o t s p o ta n dt h ea p p l i c a t i o no ft h ea dh o cn e t w o r k s ，a n dm a k e sa n i n - d e p t hs t u d yo nt h es e c u r i t yo fo l s rp r o t o c o li na dh o cn e t w o r k s ( 2 ) m a k e sa l li n - d e p t hs t u d ya n dr e s e a r c ho nt h eo p n e tn e t w o r ks i m u l a t i o n ， a n dd i s c u s s e st h em o d e l i n go fo p n e t , t h ef l o wo fs i m u l a t i o na n dt h ea p p l i c a t i o no f n e t w o r ks i m u l a t i o n ( 3 ) e l a b o r a t e st h ei n f e r r e dk n o w l e d g eb o t hi nt h ec r y p t o g r a p h ya n dt h en e t w o r k s e c u r i t y , d e s i g n st h es e c u r i t yo ft h eo l s rp r o t o c o l ，a n dak i n do fi m p r o v e ds e c u r i t y o fo l s rr e l i e do ni d e n t i t y b a s e ds i g n a t u r ef o ra dh o ci sa l s op r o p o s e d ( 4 ) m o d e l sa n ds i m u l a t e st h en e wp r o t o c o li d b s s o l s rb a s e do nt h en e t w o r k s i m u l a t i o nt o o lo p n e t ( 5 ) d i s c u s s e st h ea r c h i t e c t u r eo fa v i s p a ( a u t o m a t e dv a l i d a t i o no fi n t e r n e t s e c u r i t yp r o t o c o l sa n da p p l i c a t i o n s ) ，l p s l 2 1 fa n dh l p s l m e a n w h i l et h es c r i p to f i d b s s o l s rp r o t o c o li sc o d e db yh l p s l ，w h i c hi sv a l i d a t e di nl i n u xs y s t e m t h em a i nc h a r a c t e r sa n di n n o v a t i o n so ft h et h e s i sa r ed e s c r i b e da sf o l l o w s ： i i ( 1 ) a ni m p r o v e dp r o t o c o li d b s - s o l s rb a s e do nt h ep u b l i c - k e yc r y p t o g r a p h y a l g o r i t h m so ft h em e c h a n i s mo fi d e n t i t ys i g n a t u r ei sp r o p o s e d ，w h i c hi m p l e m e n t st h e d i g i t a ls i g n a t u r ea n dp r o v i d e ss u c hs e c u r i t ys e r v i c e sa sd a t ai n t e g r i t y , s o u r c e sr e a l i t y , a v o i dj u g g l ea n da n t i - r e p l a ya t t a c k sa n ds oo n ( 2 ) t h ei m p r o v e dp r o t o c o li d b s s o l s ri ss i m u l a t e db yo p n e t , w h i c h i sa n i n t e r n a t i o n a ln e t w o r ks i m u l a t i o nt o o l ，a n dt h er e s u l t si n d i c a t et h en e t w o r kt i m e - l a p s e o fi d b s - s o l s rp r o t o c o li ss m a l l e rt h a nt h a to fr s a - o l s r ( 3 ) i nt h ee n d ，t h ei m p r o v e dp r o t o c o l i sc o d e db yh l p s l , w h i c hi sa f o r m a l i z a t i o nd e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，a n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e p r o t o c o lc a nm e e tt h er e q u i r e m e n to f t h es a f e t y k e yw o r d s ：p r o t o c o l ，s e c u r i t y , i d b s - s o l s r ，o p n e t , a v i s p a i i i 武汉理t 大学硕士学位论文 心 o l s r i d b s s o l s r a v i s f a h l p s l t c m p r m p r s m a n e t e c c c d h p b d h p f s m m s n t t l i c i i f 缩略词 a c c e s sp o i n t o p t i m i z e dl i n ks t a t er o u t i n g s e c u r i n go l s rr e l i e do ni d e n t i t y - b a s e ds i g n a t u r e a u t o m a t e dv a l i d a t i o no fi n t e r n e ts e c u r i t yp r o t o c o l s a n da p p l i c a t i o n s h i g hl e v e lp r o t o c o ls p e c i f i c a t i o nl a n g u a g e t o p o l o g yc o n t r o l m u l t i p o i n tr e l a y m p rs e l e c t o r m o b i l ea dh o cn e t w o r k e l l i p t i cc u r v e sc r y p t o g r a p h y c o m p u t a t i o n a ld i f f i e e l l m a np r o b l e m b i l i n e a rd i f f i e - h e l l m a np r o b l e m f i n i t es t a t e m a c h i n em o d e l i n g m e s s a g es e q u e n c en u m b e r t i m e t ol i v e i n t e r f a c ec o n t r o li n f o r m a t i o n i n t e r m e d i a t ef o r m a t 独创性声明 r 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生 ( 签名) ：麴日期：7 ，彦，夕，二 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名，：五敝导师c 签名，：整丝些日 期：砌，罗7 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景及课题来源 第1 章引言 2 0 世纪9 0 年代末以来，在无线通信领域有一种新的网络技术正在迅速发 展并很快从军事通信领域迅速渗透到民用通信领域，这就是无线自组织多跳移 动通信网络a dh o e 网络【1 】【2 】【3 】。我们经常提及的无线通信如移动通信技术 一般都是集中式控制的，即是有中心的，它们通常要基于预先架设的网络设施 才能运行，例如，蜂窝移动通信系统要有基站和移动交换中心等设施的支持；无 线局域网一般也工作在有接入a p ( a c c e s sp o i n t ) 矛h 有线骨干网的模式下；但对于 有些特殊的应用场合，有中心的移动通信技术却不能胜任，比如，发生了地震、 水灾、火灾等重大灾难后，固定的通信网络设施可能全部损毁或无法正常工作， 或处于偏远或野外地区无法依赖固定或预设的网络设施进行通信时，这就需要 一种能够临时快速自动组网的移动通信技术，作为移动通信的一个重要分支a d h o c 网络技术可以满足这些特殊场合的需要。 a dh o c 网络可以在没有基础设施支持的情况下提供灵活多变方便的通信， 这种通信拓宽了移动通信的应用领域，具有光明的前景。这种不依赖任何固定 网络设施又能快速布设的自组织网络技术也迅速应用到如无线局域网、个域网、 传感器网络等；a dh o c 网络技术具有单独组网能力和自组织的特点使它成为当 前通信领域研究的一个热点。 1 2 研究内容和文章创新 1 2 1 研究内容 本课题研究的主要内容是分析了o l s r 4 l ( o p t i m i z e dl i n ks t a t er o u t i n g ) 协 议的基本思想、路由建立机制和安全性威胁等，在论文中主要在o l s r 协议的 路由建立和维护的安全机制上提出了基于身份签名机制的数字签名和h a s h 链进 行完整性安全性的保护，这样报文接收者可以验证发布者是否为合法节点，增 加了o l s r 协议的安全性；同时使用业界著名的网络性能仿真软件o p n e t l 5 - 7 1 进行仿真；最后，采用国际公认i 妁a v i s p a l 8 l ( a u t o m a t e dv a l i d a t i o no fi n t e r n e t 武汉理工大学硕士学位论文 s e c u r i t y p r o t o c o l sa n da p p l i c a t i o n s ) 分析工具，编写h l p s l ( h i g hl e v e lp r o t o c o l s p e c i f i c a t i o nl a n g u a g e ) 的形式化描述语言代码，通过输入安全协议的参与者标 识、运行环境、实现目标和攻击者等变量，并指定其预期的安全特性，进行安 全性的形式化验证。 本论文主要的研究工作如下： “ ( 1 ) 对a dh o c 网络的发展现状、特点、研究热点和应用等作了了解；对a dh o c 网络中的路由协议和o l s r 协议的安全性进行深入研究。 ( 2 ) 对o p n e t g 习络仿真进行了深入学习和研究，熟悉o p n e t 的特点，仿真 流程和网络仿真等的应用。 ( 3 ) 对密码编码学与网络安全的知识进行了深入学习和研究；并对o l s r 协 议的进行安全性设计，提出了移动a dh o c 网络基于身份签名机制的安全优化链 路状态路由协议i d b s s o l s r ( s e c u r i n go l s rr e l i e do ni d e n t i t y b a s e d s i g n a t u r e ) 。 ( 4 ) 在网络仿真工具o p n e t 下，对新协议i d b s - s o l s r 进行了建模和仿真。 ( 5 ) 学习和研究了a v i s p a s e 具集中的体系结构，h l p s l 2 i f 编译器，h l p s l 形式化描述语言等。并用h l p s l 描述语言对设计改进的o l s r 协议进行安全性 认证分析。 1 2 2 文章创新 在研究过程中，文章主要内容和创新如下： ( 1 ) 利用身份签名机制的公钥加密算法实现数字签名，提出i d b s s o l s r 协 议，该协议增加数据完整性、来源真实性、防止篡改和抗重放攻击等安全服务。 ( 2 ) 使用国际公认的网络仿真工具o p n e t 仿真新协议，仿真结果表明该协 议相对采用r s a 机制，产生的网络延时较小。 ( 3 ) 最后采用h l p s l 形式化描述语言对改进的协议进行代码编写、运行和验 证，结果表明该协议能够达到既定的安全目标。 1 3 论文结构 第1 章主要介绍了研究背景、课题来源和研究内容。 第2 章主要对本文用到的基础知识进行了概述，首先对a dh o c 网络和路 2 武汉理工大学硕士学位论文 由协议进行了攒述，对表驱动路由协议和按需路由协议两类协议中典型的具体 协议作了概述和比较，然后重点介绍了o l s r 协议；对当前流行的密码算法h a s h 函数及o p n e t 仿真进行了阐述。 第3 章是论文的主体设计部分。首先介绍了相关研究，然后分析了o l s r 协 议中存在的安全威胁，并基于身份签名和h a s h 链机制，改进o l s r 协议，提出 了基于身份签名机制的i d b s s o l s r 协议，并对协议的流程进行具体的形式化 描述。 第4 章对设计的i d b s s o l s r 协议进行建模仿真，并进行性麓的比较分析。 第5 章在l i n u x 操作系统下，利用a v i s p a 分析工具，采用h l p s l 形式化 描述语言对改进的o l s r 路由协议进行代码编写并运行，验证其安全性。 第6 章是对整个论文的工作作出了总结和展望。 3 武汉理： 大学硕+ 学位论文 第2 章基础知识 本章介绍了论文中涉及的基础知识， 行了介绍，然后详细介绍了o l s r 协议， 数和网络仿真软件等作了必要介绍。 2 1a dh o c 网络概述 主要对a dh o e 网络中的路由协议进 并对论文中涉及的密码算法、h a s h 函 a dh o c 网络技术是一种特殊的无线移动通信网络，是由一组带有无线收发 装置的移动终端组成的一个多跳的临时性的自治系统，可以在没有基础设施支 持的情况下提供灵活方便的通信，所有节点地位平等，具有移动终端所需的功 能，而且具有报文转发能力，无需设置任何中心控制节点，具有很强的抗毁性。 当通信的源节点和目的节点分布在直接通信范围之内时，它们可以通过中间节 点转发报文进行通信；有时节点间的通信可能要经过多个中间节点的转发，即 报文要经过多跳( m u l t i h o p ) 才能到达目的地，这是a dh o c 网络与其他移动通 信网络的最根本区别1 1 j i 引。 a dh o c 网络的结点通过分层的网络协议和分布式算法相互协调，实现网络 的自组织和运行，因此被称为多跳无线网( m u l t i h o pw i r e l e s sn e t w o r k ) 、自组织 网络( s e l f - o r g a n i z e dn e t w o r k ) 或无固定设施的网络( i n f r a s t r u c t u r e l e s sn e t w o r k ) a dh o c 网络中每个移动终端兼备路由器和主机两种功能，作为主机终端需 要运行面向用户的应用程序；作为路由器，终端需要运行相应的路由协议，根据路 由策略和路由表参与分组转发和路由维护工作。 2 1 1a dh o c 网络的特点 a dh o e 网络与传统的无线网络相比具有如下特点1 9 j ：a dh o c 网络具有独立 组网能力；无中心结构，所有节点的地位平等；没有严格的控制中心，所有节点通 过分层的网络协议和分布式算法协调各自的职责；由普通节点共同协作完成的 多跳路由；网络的拓扑状态是动态的，但终端节点的移动性具有局限性和有限 等特点。这些特点使得a dh o c 网络在体系结构、网络组织和协议设计等方面都 与现有的无线通信系统( 如无线局域网) 有着显著的区别【卜3 】| 9 】。在表2 1 中详 4 武汉理工大学硕十学位论文 细列出了a dh o c 网络与现有无线网络的区别： 表2 1a dh o c 网络与现有无线网络的主要区别 i x 现有的无线网络a d h o c 网络 比较的内容 无线网络结构有中心，单跳无中心，多跳 拓扑结构 固定 动态建立灵活多变 有无基础设施支持有无 安全服务质量较好较差 配置速度慢快 生存时间 长短 路由选择和维护容易困难 网络健壮性低高 研究重点 物理层和链路层 协议的所有层 中继设备基站和有线骨干网无线节点和无线骨干网 中继节点的特点 基站有多部收发信机，全双工方式通信， 无线节点通常只有部收发信机，半 有专用硬件，易于实现全网同步双工方式工作不易实现全网同步 无线节点的控制管理 由基站集中负责，无线节点必须先与基由无线节点本身负责，通常采用分布 站通信，再通过基站与目的节点通信式方式 2 1 2a dh o c 网络的路由协议及分类 a dh o c 网络是由一组具有路由功能的节点组成的分布式无线多跳网络，因 为网中节点的传输范围有限，源节点在向目的节点发送数据时，通常需要其他 节点的辅助。从功能上讲，路由协议是通信网络中的一套将业务数据从源节点 指引到目的节点的机制。路由协议主要包括路径产生( p a t hg e n e r a t i o n ) 、路径选 择( p a t hs e l e c t i o n ) 和路径维护( p a t hm a i n t e n a n c e ) = - 项核心功能。其中，路径产生 是指根据集中式或分布式的网络状态信息和用户业务需求生成路径；路径选择 是指根据网络状态信息和用户业务状态信息选择最恰当的路径。在自组网路由 协议中，路径产生和路径维护这两项功能通常合在一起称为路由发现；路径维 护是指对所选路径进行维护。由于a dh o c 网络是一种没有预设基础设施的网 络，它工作于无线环境，通信带宽受限，并且节点具有移动性，因此，路由协 议还必须充分考虑这些因素所造成的影响【1 1 】。 5 武汉理工人学硕十学位论文 a dh o c 网络的路由协议设计需要综合考虑业务需求、网络能力、a dh o c 网络特点和运行环境、路由协议基本功能等诸多因素。图2 1 给出协议示意图【2 j ： a dh o c 网络特性 无线连接 节点移动性 无既设网络基础设施 业务需求 上 路由协议 t 网络能力 图2 1 路由协议的定义和功能 路由功能 路径产生 路径选择 路径维护 依据不同的标准，a dh o c 网络的路由协议有不同的分类方式【l 】1 2 】【3 】【1 0 1 ，按 照路由建立的方式不同，a dh o c 网络路由协议可分为先应式路由协议i 和按需路 由协议。 先应式路由协议又称为表驱动路由协议，在这种路由协议中，无论是否有 通信需求，每个节点都采用周期性的路由分组广播，交换路由信息，维护一张 包含到代其他节点的路由信息的路由表。当检测到网络拓扑结构发生变化时， 节点在网络中发送更新消息，收到更新消息的节点将更新自己的路由表，并维 护准确的路由信息，使源节点一旦要发送分组，可以立即获得指向目的节点的 路由。协议中包括邻居节点探测和路由广播两个过程，路由广播通常采用洪泛 的方式向全网周期广播“h e l l o ”、“t c 等分组，如o l s r 4 1 t b r p f 1 2 】等。 按需路由协议主要包括“路由发现”和“路由维护”两个过程1 1 引。当源节 点需要获得目的节点的路由，而该路由又没有在路由表中时，路由发现过程将 被激活，节点采用洪泛的方式，向整个网络广播路由请求分组。当有路由分组 到达目的节点时，目的节点将向源节点发出路由请求应答分组。这样，在源与 目的节点之间会建立起双向“激活路径 。激活路径建立所需的时间定义为路由 建立延时。随着拓扑结构的变化，当激活路径上的某段链路发生中断时，路由 维护过程将被启动。路由维护可以采用两种不同的策略：从断点处开始修复路 径或通知源节点重新启动路由建立过程。按需路由协议包括d s r l l 5 】、a o d v 1 4 】 等。 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 3a dh o c 网络的安全性 在a dh o c 网络中，路由协议是网络运行的基石。任意节点之间的通信前提 必须是路由协议正常运行。路由协议最基本的功能就是发现维护网络拓扑结构 ( 因为a dh o c 的网络拓扑结构是动态的、不断改变的) 和确保每个节点能够获取 最新的路由信息。理想的自组网路由协议应该具有以下特点l 7 j ： ( 1 ) 采用分布式的路由算法。 ( 2 ) 具有自适应能力，可适应快速变化的网络拓扑结构； ( 3 ) 无环路； ( 4 ) 控制开销少，具有可扩张性，适应于大规模网络。 由于a dh o c 网络有着自身的特殊性，从安全性的角度看h 引，与传统网络相 l l a dh o c 网络本身存在许多脆弱性【1 7 】【1 8 】，表现在：节点之间的无线链路非常 容易受到如被动窃听、主动干扰、数据篡改、假冒、消息重放以及拒绝服务等 攻击；动态变化的网络导致节点间的信任关系不断变化，给密钥管理带来了 困难；节点可以自由漫游并与邻近节点通信，在加入或离开一个子网时无需 任何声明。这样，在大多数情况下无法为大多数节点都建立信任关系，不能排 除一些想要破坏网络完整性的恶意节点及一些包含内部攻击或外部攻击【1 9 】的 节点。 在a dh o c 网络领域中一个重要问题就是如何维持网络的完整性m 。根据协 议的规范说明，a o d v 、d s r 、o l s r 和t b r p f 等协议都允许任意节点参与到网 络中，但这都是基于假设所有的节点都是正常运行的前提下的，如果这个假设 只是部分满足，那么这个网络中存在的恶意节点将可能破坏网络的完整性。这 样路由协议中数据通信时如何保持网络的完整性是一个迫切的问题。但路由协 议中的现有机制还不能较好处理恶意行为的节点，对于先应式路由，特别在 o l s r 协议中，一个方法是确信只有“可信”节点才能进入网络，并且只有这些 可行节点才能接收转发信息。 由于a dh o c 网络特点及有限的安全性，使得与传统网络的相比：传统的安 全机制将不再适用，传统的加密和认证机制无法实现，静态配置的网络安全方 案不再适用；传统的防火墙等无从部署。 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 2o l s r 协议 2 2 1o l s r 协议的基本思想 o l s r 4 】协议是一种先应式的链路状态路由协议，又称为表驱动路由协议， 它是为了适应a dh o c 网络的需求，对纯链路状态算法进行优化而形成的。在 这种路由协议中，无论是否有通信需求，没个节点采用周期性的路由分组广播， 交换路由信息，维护一张包含到达其他节点的路由信息的路由表。当检测到网 络拓扑结构发生变化时，节点在网络中发送更新消息。收到更新消息的节点将 更新自己的路由表，以维护准确的路由信息；源节点一旦要发送分组，可以立 即获得指向目的节点的路由。 o l s r 协议包含了邻居节点探测和路由广播两个过程，节点向各通信端口 周期广播“h e l l o ”分组，来实现邻居节点探测；路由广播通常采用洪泛方式 向全网扩散。o l s r 实质上是先应式的，所以具有寻找路由时延小的优点，但 是，它仅支持双向链路；同时o l s r 对纯链路状态所做的优化有【2 】【4 1 ： ( 1 ) 采用多点中继( m p r ，m u l t i p o i n tr e l a y s ) 机制减小了控制分组的洪泛范 围； ( 2 ) 缩减了控制分组的大小：节点并不发布与所有邻节点相连的链路信息， 只发布它与部分邻居的链路子集，也就是说节点只发布与它的m p rs e l e c t o r 间 的链路信息。 o l s r 协议中每个分组携带最新的序列号，在接收端，根据序列号地大小 就可以区分新旧信息，所以不要求按序传输控制分组；o l s r 逐跳( h o p b y h o p ) 查找路由，它要求节点周期地发送t c ( t o p o l o g yc o n t r 0 1 ) 分组来发布m p r s e l e c t o r 信息，以帮助其他节点建立到它地路由。这样在o l s r 中，节点周期 地交换信息来维护网络拓扑并要求每个节点保存它到网络中所有可达的目的节 点的路由，因此它特别适用于网络规模大、节点分布密集的网络f 1 4 1 。 2 2 2o l s r 协议的关键技术 o l s r 协议的核心【2 】【4 l 是多点中继m p r ( m u l t i p o i n tr e l a y ) 。多点中继的思想 是通过减少同一个区域内相同控制分组的重复转发次数来减少网络中心广播分 组的数量。网络中的每一个节点选取其邻节点的一个子集用于转发节点发送的 控制分组，这些被选择的节点就称为该节点的m p r ，而该节点的就称为这些 8 武汉理工大学硕士学位论文 m p r 的多点中继选择节点( m p rs e l e c t o r ) 。假设节点n 的m p r 是从与n 有双 向链路的一跳邻居中选择的，因此，通过多点中继选择路由，自动地避开了在 单向链路上传输数据分组地问题。由此可见，节点n 的邻节点被分为两类： m p r 和非m p r 。节点n 发送的广播分组通过m p r 转发能到达节点n 的邻节 点的两跳范围以外的其他节点。对于节点n 的非m p r ，收到来自节点n 的广 播分组，只进行读取和处理，但不进行转发。为了实现这一点，每个节点都维 护着一张m p rs e l e c t o r 列表，记录当前有哪些节点选择它作为m p r 。 每个节点从其一跳邻居节点中选择自己的m p r 集，使得该节点通过这个集 合转发的分组能够覆盖该节点所有的两跳范围的邻节点。节点n 的多点中继集 m p r ( n ) 是节点n 的邻节点的任意子集，她满足以下条件：n 的每个两跳邻节 点都必须有到达m p r ( n ) 的双向链路，且节点n 与m p r ( n ) 间的链路也是双向 的，m p r 集越小，路由协议性能越好。 o l s r 协议根据选择的m p r 集来计算到所有目的节点的路由，即m p r 用 于组成给定节点到网络中任意节点的路由。网络中每个节点周期的广播它的 m p rs e l e c t o r 的信息。每个节点收到这一m p rs e l e c t o r 的信息后，计算并更新 自己到达每个己知节点的路由。因此，路由就是通过从源节点到目的节点的 m p r 的逐跳节点系列。 2 2 3 协议描述及流程 1 协议描述 o l s r 4 l 路由协议是由i e t fm a n e t ( m o b i l ea d h o cn e t w o r k ) i 作组提出 的一种表驱动式的链路状态路由协议，节点之间需要周期性地交换各种控制信 息，通过分布式计算来更新和建立自己的网络拓扑图，被邻节点选为多点中继站 ( m u l t i p o i n tr e l a y 。m p r ) 的节点需要周期性地向网络广播控制信息。控制信息中 包含了把它选为m p r 的那些节点的信息( 称为m p rs e l e c t o r ) ，只有m p r 节点 被用作路由选择节点，非m p r 节点不参与路由计算。o l s r 还利用m p r 节点 有效地广播控制信息，非m p r 节点不需要转发控制信息。o l s r 主要采用两种 控制分组：h e l l o 分组和t c ( t o p o l o g yc o n t r 0 1 ) 分组。h e l l o 用于建立一个 节点的邻居表，其中包括邻居节点的地址以及本节点到邻居节点的延迟或开 销，o l s r 采用周期性地广播h e l l o 分组来侦听邻居节点的状态，节点之间无 线链路的状态包括：非对称链路，对称链路和连接m p r 的链路。同时h e l l o 分 9 武汉理工大学硕士学位论文 组用于计算该节点的m p r ，h e l l o 分组只在一跳的范围内广播，不能被转发； 与之相反，t c 分组必须被广播到全网，在t c 分组中包含了选为m p r 的邻居节 点的信息，节点根据收到的t c 分组来计算出网络的拓扑图。 在初始化阶段，如图2 2 所示，当节点a 收到一个来自于邻居节点b 的 h e l l o 分组，a 将b 放入自己的邻居集中，并将到b 的链路标记为非对称状 态，然后，在a 向b 发送h e l l o 分组时，在h e l l o 分组中就包含有b 是a 的 非对称状态的邻居节点的信息，当b 收到该h e l l o 分组时，b 就将在邻居集中 将a 的状态更新为对称状态，同理，在b 再次向a 发送h e l l o 分组时，h e l l o 分组中就包含了a 是b 的对称状态的邻居节点的信息，当a 收到该h e l l o 分 组时，a 就在邻居集中将b 的状态更新为对称状态。 下下 _ b _ a 日b + - a _ 日卜 土b ( 非对称)a ( 对称) 上 a ( 对称) 图2 2 邻居侦听 在o l s r 中m p r 是为了减少网络中控制信息的转发而采用的一种优化 方法，为了有效地进行t c 分组在全网中的广播，同时，考虑到无限链路带宽的局 限性，又必须对广播分组数量进行控制，o l s r 不再采用传统的链路状态路由协 议中的方法( 每个节点的邻居节点都要转发t c 分组) ，而是在该节点的邻居节点 中选择一部分节点来转发t c 分组，这些被选中的节点称为多点中继m p r 。网 络中各节点独立地计算自己的m p r ，在计算m p r 时采用的方法是：节点与m p r 之间必须是双向对称链路，节点所发送的分组通过m p r 的中继，能够到达所有 的两跳邻居节点，如果能够满足这一点，那么m p r 就能有效地进行t c 分组的 转发，同时，应该使m p r 的数量尽量的少，每个节点都要周期性地转发t c 分组， 在t c 分组中就包含了将该节点选为m p r 的邻居节点地址( 称为m p r s e l e c t o r ) ，当节点收到t c 分组时，首先判断自己是不是属于源节点的m p r ，如果 发现自己属于源节点的m p r ，再根据t c 分组中的序列号来判断该t c 分组是 否是最新的，如果是，则转发该t c 分组，否则丢弃该分组。通过m p r 机制来控制 t c 分组在网络中广播的规模，减少控制分组给网络带来的负荷，同时避免形成广 1 0 、 a 称 耐 一 b l bl 武汉理工大学硕士学位论文 播风暴。为了压缩t c 分组的长度，通常在t c 分组中并没有包含源节点所有邻 居节点的地址，而仅仅是其m p rs e l e c t o r 的地址，这些消息足以让网络中的各个 节点形成网络拓扑图，进而独立地根据最短路径优先的原则来计算路由表。图 2 3 是节点a 的多点中继集。 弋； 力 o 多 图2 3 节点a 的多点中继 2 协议流程 1 算法描述 ( 1 ) 邻居侦听 每个节点必须检测它与哪些邻节点间有双向链路；节点周期地广播h e l l o 分组，它携带了其节点的信息和链路状态。并且h e l l o 分组只在一跳范围内 传输。在图2 - 4 中，节点j 若能收到来自节点i 的h e l l o 分组就说明有i 到j 的链路；若进一步发现该h e l l o 分组的邻节点地址字段中有 的地址，就认 为i 与节点j 之间的链路是双向的。 ( 2 ) m p r 的选择 网络中的每个节点独立地选择自己的m p r 集，并转发该m p r ，使节点发 送的控制分组可以被传送到其他的两跳邻居节点。计算m p r 集需要知道一跳 和两跳邻居的信息。o l s r 协议使用本地发送h e l l o 分组来获取一跳邻居信 息。对于节点i 的跳邻节点j 而言，i 的跳邻节点( 除j 外) 就是节点j 的 两跳邻节点。节点i 发送h e l l o 分组的同时附上它自己的一跳邻居列表，当 节点j 收到节点i 发送的h e