（计算机科学与技术专业论文）车载自组织网络安全路由协议scar的研究.pdf

独创性声明 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 武汉理工大学或其他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。 签名： j 瞎 日期：型：罕苎旦至：旦 学位论文使用授权书 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 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务o ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：d 路 导师( 签名) ：套铲忆日期b p j i f 碍知回 摘要 车载自组织网络( 啪t v e h i c l ea dh o cn e t w o r k s ) 是一种车辆之间、车辆 与路边基站之间通信的移动自组织网络( m a n e t ：m o b i l ea dh o en e t w o r k s ) ，随 着经济的发展，交通工具的使用量也与日俱增，所以智能交通系统是当前移动 自组网应用最为广泛的领域之一。由于车载自组网节点移动速度快、网络拓扑 变化频繁、节点之间是对等的、网络的自组织等特点，决定了车载自组网不同 于其他的移动自组网络。所以，如何设计一种路由协议可以保障信息实时可靠 地传输，是车载自组网的研究难点。在车载网应用中，基于拓扑的路由算法会 出现报文延时和大量包丢失的现象；基于地理位置的路由算法更适应于网络拓 扑变化频繁的场景，所以比较适合于车载自组网络。 本文在c a r ( c o n n e c t i v i t y a w a r er o u t i n g ) 协议的基础上进行改进，提出了一 个新的安全车载自组网路由协议s c a r ( s e c u r i t yc o n n e c t i v i t ya w a r er o u t i n g ) ， 该协议改进了c a r 的安全缺陷，为c a r 增加了消息认证功能。其中使用了新的签 名认证算法h c s r t e s l a ，该算法在t e s l a 的基础上，加入哈希链自我更新算法。 该算法可以为车载网提供源认证，能够抵抗车载网中针对路由的主动攻击。针 对s c a r 协议，采用n s 2 对其进行仿真测试，并编写p e r l 分析程序对跟踪文件进 行分析，计算报文传输的平均时延、报文的接收率。基于n s 2 的仿真实验表 明，当存在网络攻击的情况下，s c a r 协议可以抵御源攻击，保证路由的正确 性，让报文传输接收率维持在一个较高的水平。 本文的创新之处主要有以下三个方面： ( 1 ) 分析比较了车载网安全签名算法，t e s l a 签名算法认证时间短的优点 更适合于车载自组网。针对t e s l a 算法中哈希链会耗尽的缺陷，提出一种新的 基于可自更新哈希链的算法：h c s r t e s l a 。 ( 2 ) 分析了c a r 协议的实用性和安全问题，针对c a r 协议存在安全缺 陷，本文在h c s r t e s l a 签名算法的基础上提出一种安全车载网路由协议s c a r ， 新协议利用源认证算法，可以防止车载网中的黑洞等主动攻击，可以保证源消 息的真实性和完整性。 ( 3 ) 在l i n u x 系统中，使用n s 2 仿真平台，对c a r 路由协议以及s c a r 路 由协议进行了仿真测试，并且对其性能进行了对比。s c a r 协议可以为系统提 供安全性，保证路由传输中数据报文的正确性。 关键字：车载自组网，安全，c a r ，认证，仿真 a b s t r a c t v a n e t ( v e h i c l ea dh o en e t w o r k s ) i sak i n do fm a n e t ( m o b i l ea dh o e n e t w o r k s ) ，w h i c hc o m m u n i c a t e sb e t w e e nv e h i c l e sa n dr o a d s i d ei n f r a s t r u c t u r e s w i t h t h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y , t h ea m o u n to fc a r sh a si n c r e a s e d r a p i d l y , s ot h e i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e mi sw i d e l yu s e di nt h ef i e l d so fm a n e ta p p l i c a t i o n v a n e th a v es o m ec h a r a c t e r i s t i c sa sf o l l o w s ：t h en o d e so fv a n e tm o v ef a s t ， n e t w o r kt o p o l o g yc h a n g e sm o r er a p i d l y , t h en o d e sa r ep e e r - t o - p e e r , s e l f - o r g a n i z a t i o n a n ds oo n , w h i c hd e t e r m i n et h ev a n e ti sd i f f e r e n tf r o mo t h e rt y p e so fm a n e t s o f o r t h ev a n e t , h o wt o d e s i g nan e wr o u t i n gp r o t o c o lg u a r a n t e e di n f o r m a t i o n t r a n s m i s s i o nt i m e l ya n dr e l i a b l yi sn e c e s s a r y g e n e r a l l yt h e r ea r em a i n l yt w or o u t i n g a l g o r i t h mi nm a n e t , o n ei st o p o l o g y b a s e dr o u t i n ga l g o r i t h m ，w h i l ei nv a n e ti t h a sa h i 曲d e l a yo fm e s s a g et r a n s m i s s i o na n dam 瓣o fp a c k e tl o s t ；t h eo t h e ri s p o s i t i o n - b a s e dr o u t i n ga l g o r i t h m ，w h i c hi sa d a p tt ot h es c 圮n et h a tn e t w o r kt o p o l o g y c h a n g e sf r e q u e n t l y , i t i sm o r es u i t a b l ef o rv a n e t t h et h e s i sp r o p o s e san e ws e c u r er o u t i n gp r o t o c o lf o rv a n e t s - - s c a r , w h i c h i sb a s e do nt h ec a r p r o t o c 0 1 t h en e wp r o t o c o li m p r o v e dt h es e c u r i t yo fc a r ，a d d e d a u t h e n t i c a t i o nm e c h a n i s m b a s e do nt h et e s l a a l g o r i t h m ，t h ep a p e rp r o p o s e san e w s e c u r es i g n a t u r ea l g o r i t h m h e s r t e s l a , t h ea l g o r i t h mu s e sas e l fr e n e w a lt e s l ah a s h c h a i na l g o r i t h m t h i sa l g o r i t h mc a np r o v i d et h es o u i c ea u t h e n t i c a t i o n , a n dr e s i s tt o r o u t i n ga t t a c k f o rt h es c a rp r o t o c o l ，w em a d es i m u l a t i o no nn s 2 ，w r i t t e np e r l p r o g r a mt oa n a l y s i st h et r a c ef i l eo f t h ee x p e r i m e n tr e s u l t s ，c a l c u l a t e dt h ea v e r a g ee n d t oe n dl a t e n c yo fp a c k e t sa n dt h er e c e i v er a t i oo fp a c k e t s e x p e r i m e n t sr e s u l t ss h o w t h a tw h e nr o u t i n ga t t a c ke x i s t e d ，s c a ri si m m u n et os o u r c ea t t a c k , g u a r a n t e e st h e c o r r e c t n e s so fr o u t i n g , a c h i e v e ss a t i s f a c t o r yp a c k e tr e c e i v er a t i o ，a n dm a i n t a i n st h e r e c e i v er a t i oo fp a c k e t sa tah i g h e rl e v e l t h ei n n o v a t i o no ft h i sp a p e rp l a c em a i n l yi nt h ef o l l o w i n gt h r e ea s p e c t s ： ( 1 ) t h ep a p e ra n a l y s e sa n dc o m p a r e s s e v e r a lv a n e ts e c u r es i g n a t u r e a l g o r i t h m s t e s l as i g n a t u r ea l g o r i t h mh a st h ea d v a n t a g et h a ta u t h e n t i c a t i o nt i m ei s s h o r t ，s 0i ti sm o r es u i t a b l ef o rv a n e t a sh a s hc h a i nw o u l de x h a u s ti nt e s l a a l g o r i t h m ，t h et h e s i sp u t sf o r w a r dan e wa l g o r i t h mb a s e do nh a s hc h a i ns e l fr e n e w a l a l g o r i t h m ：h c s r t e s l a ( 2 ) t h ep a p e ra n a l y z e st h ep r a c t i c a l i t ya n ds a f e t yo fc a rp r o t o c o l ，b e c a u s eo f i i s o m es h o r t c o m i n ge x i s t e di nc a r p r o t o c o l ，t h et h e s i sp r o p o s e san e ws e c u r ev e h i c l e a dh o cn e t w o r k sr o u t i n gp r o t o c o ls c a rb a s e do nt h eh c s r t e s l as i g n a t u r ea l g o r i t h m t h en e wp r o t o c o lu s e ds o u r c ea u t h e n t i c a t i o na l g o r i t h m ，w h i c hc a r lp r e v e n tt h eb l a c k h o l ea t t a c k , e t c , b e s i d e si ta l s oc a ng u a r a n t e et h ea u t h e n t i c i t ya n di n t e g r i t yo ft h e m e s s a g e s ( 3 ) i nt h i st h e s i s ，w es i m u l a t ec a rr o u t i n gp r o t o c o la n ds c a rr o u t i n gp r o t o c o l w i t ht h es i m u l a t i o n p l a t f o r mo fn s - 2 ，i nt h el i n u xs y s t e m ，a n dc o m p a r et h e p e r f o r m a n c eb e t w e e nt h e m f r o mt h ec o m p a r i s i o n , w em a d et h ec o n c l u s i o nt h a t , s c a r p r o t o c o lp r o v i d e ss e c u r i t yf o rt h en e t w o r kr o u t i n gp r o t o c o l ，a n dm a i n t a i n st h e m e s s a g e sc o r r e c t l yi nt h et r a n s m i s s i o np r o c e s s k e yw o r d s ：v a n e t ，s e c u r i t y ，c a r ，a u t h e n t i c a t i o n ，s i m u l a t i o n n l 第1 章引言 目录 1 1 1 研究背景及意义1 1 1 1 研究背景1 1 1 2 研究意义2 1 2 国内外研究及应用现状3 1 2 1 国外发展及研究现状3 1 2 2 国内研究现状。5 1 3 主要研究内容及论文安排5 第2 章背景知识 7 2 1 无线移动自组网概述7 2 1 1 无线移动自组网的发展。7 2 1 2 无线移动自组网体系结构7 2 1 3 无线移动自组网路由协议9 2 2 车载自组织网络1 5 2 2 1 车载自组网体系结构。1 5 2 2 2 车载自组织网络特点。1 6 2 2 3 车载自组织网络相关技术1 7 2 3 车载网路由协议2 0 2 4i ：- d l r 2 ：1 2 5 车载网签名认证方法2 2 2 6t e s l a 简述2 3 2 7 哈希链自我更新算法。2 3 2 8 网络仿真工具2 4 2 8 1n s 2 。2 4 2 8 2 其它仿真工具2 7 2 8 3v a n e t m o b i s i m 2 7 2 9 本章小结：2 8 第3 章h c s r t e s l a 安全签名算法 2 9 3 1 引言2 9 3 2h c s r t e s l a 算法流程2 9 3 3h c s r t e s l a 算法安全性分析。3 1 3 4 本章小结3 2 i 第4 章车载网安全路由协议s c a r 3 3 4 1 引言3 3 4 2s c a r 协议报文格式3 3 4 3s q 蛾协议流程。3 4 4 4 本章小结。3 6 第5 章网络性能仿真分析 3 7 5 1 引言3 7 5 2 网络性能仿真3 7 5 2 1 仿真环境3 7 5 2 2 移动节点场景设置3 8 5 2 3 创建c b r 数据流场景4 0 5 2 4t c l 文件。4 1 5 2 5 仿真测试生成仿真结果文件。4 4 5 3 仿真结果与分析4 5 5 3 1p e d 程序分析结果t r a c e 文件4 5 5 3 2g n u p l o t 绘图工具画图4 7 5 4s q 螺协议分析4 8 5 5 本章小结5 0 第6 章结论 5 1 6 1 总结5 1 6 2 展望5 1 参考文献 致谢 硕士期间公开发表的论文 5 2 5 5 5 6 武汉理工大学硕士论文 1 1 研究背景及意义 第1 章引言 本章开篇主要介绍车载自组织网络的发展背景，定义及其发展的现状和未 来发展的方向等；以及车载自组织网络路由协议的发展，和其安全性方面问题 的研究。并且在最后声明了该研究课题的意义和内容，从而展示了文章的内容 和结构的整体框架。 1 1 1 研究背景 车载自组织网络( 椰：v e h i c l e a dh o cn e t w o r k s ) ，是专门为车辆间通 信而设计的无线自组织网络，将自组织网络技术创造性地应用于车辆间的通 信，使驾驶员能够及时的获取交通信息：例如交通系统中其他车辆的速度、位 置和方向等，以及实时的交通道路状况信息。车载自组织网络的目的是建立一 个车辆间通信的平台，用来促进交通的效率，并且还可以为驾驶员的出行带来 安全和方便，使人们感到更加的方便和舒适。 交通安全越来越引起人们的关注，交通拥堵和交通事故逐渐成为人们生活 中一个重要的问题。很多政府部门和自动化部门认识到了这种挑战，根据世界 各国交通状况及交通事故的报告显示，交通状况的恶劣性随着车辆的增多越来 越严重，除了交通安全和便利的问题外，像网络接入、娱乐、以及付费服务等 集成到车辆之中，以便使人们越来越方便舒适。所以现在政府部门和研究院所 已经设立许多车载自组网的研究项目，开始研究车载自组织网以及路由协议中 存在的安全问题。 2 l 世纪的今天，人民逐渐富裕起来，汽车也慢慢成为生活中不可缺少的交 通工具。据网站统计，2 0 1 0 年我国的汽车销量约为1 8 0 0 多万辆，为世界第一。 车辆的增多也带来了越来越多的交通问题：如交通拥堵造成的时间浪费，以及 交通事故的增多等。并且由此而带来的经济损失也是巨大的，必须设法降低这 种损失。 智能交通系统( i t s ：i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) 成为当前迫切需 要，为了解决这一系列的交通问题，各国政府和研究院都投入到i t s 的研究和 开发中来。智能交通系统通过g p s 卫星定位系统、无线电传送技术、信息技术 和系统集成技术等，建立一个车辆之间、车辆与道路基站之间通信的智能交通 系统，解决交通中的拥堵、安全等问题，用来提高驾驶员的安全性、便利、以 武汉理工大学硕士论文 及舒适性。所以车载自组织网络便成为当前智能交通系统研究中非常重要的领 武汉理工大学硕士论文 点的高速移动性、网络拓扑变化频繁、以及城市中无线信号传输的特性等，车 载网在消息认证，消息完整性和不可否认方面的设计显得尤为重要口1 。 综上所述，网络通信性能( 通信中断) 和网络通信安全是车载自组网的两个 重要因素。采用签名认证可以提高网络的安全性，所以设计一种基于签名的安 全路由协议是非常重要的。 1 2 国内外研究及应用现状 1 2 1 国外发展及研究现状 移动自组织网络是一种无线分布式结构网络，拥有自组织、多跳路由、没 有中心的概念。车载自组织网络( v a 椰：v e h i c l ea d h o en e t w o r k s ) ，是移动 自组织网络的一个发展延伸，可以定义为高速移动的户外自组织网络，或者从 其发展历史可定义为自组织的智能交通信息系统( s o t i s ，s e l f o r g a n i z i n gt r a f f i c i n f o r m a t i o ns y s t e m ) 。车载自组织网的主要思想就是在无线通信的基础上，车辆 这间可以相互通信传送信息报文，自动地连接建立起一个移动网络，把车辆看 成一个个节点，节点即是发送者、接收者、又当作是一个路由器，因此车辆之 间的通信一般采用多跳路由的方式来完成。 整个车载自组织网络的结构可分为：车辆之间的通信( v 2 v ，v e h i c l et o v e h i c l e ) ；车辆与路边基站之间通信( v 2 i ，v e h i c l et oi n f r a s t r u c t u r e ) ；基站与车 辆节点的通信( 1 2 v ，i n f r a s t r u c t u r et ov e h i c l e ) 。 现如今，由于交通系统发展壮大，世界上各大研究机构纷纷成立车载自组 网的研究项目，各大高校也开始将车载网列入热点研究项目之一，科研人员已 经开始了对车载网络协议各层技术的研究。 车载自组织网络使用专用短程通信技术( d s r c ，d e d i c a t e ds h o r tr a n g e c o m m u n i c a t i o n ) ，为此，美国f c c 在5 9 g h z 频段里专门为车载网d s r c 分配 了7 5 m h z 的带宽；在欧洲，欧盟专门分配了3 0 m i - l z 以供车辆之间的通信。协 议标准被嵌入到了d s r c 里，例如i e e e8 0 2 1 l p 标准定义了物理层和链路层的 信息；i e e e1 6 0 9 定义了网络上层的一些特殊的标准。网络层路由协议主要集中 于基于位置的路由协议标准，例如g p s r 、g s r 协议等。因为移动自组网络中 传统的路由协议应用在车载网中时，性能表现不好，丢包率比较严重，例如基 于拓扑的a o d v 、d s r 协议等。车载网路由协议，主要分析交通中的车流量以 及距离，来找出到达目的车辆节点的最优路径。 最早的车辆之间通信的研究起源于日本，在2 0 世纪的8 0 年代，由日本的自 动化电子技术协会发起。并且在随后的研究中不断突破，2 0 0 0 年，发布了一个 3 武汉理工大学硕士论文 协作驾驶的示范系统：d e m 0 2 0 0 0 ，拥有检测道路障碍，避开它们重新选择路 线等特点，这便是很早车辆通信系统的模型。现在，美国和欧洲国家也开始投 入研究，较为著名的研究机构有： ( 1 ) c a r t a l k 】：c a r t a l k 2 0 0 0 是一个欧洲开展的研究工程，主要基于车辆之 间通信的驾驶服务系统。主要目的发展车辆间合作帮助信息系统，以及制定将 来的车辆自组织网的协议标准。和七个合作伙伴，包括汽车制造商、部件供应 商、科研院所以及高校，针对合作帮助信息系统里面的车辆驾驶的安全问题、 交通系统的拥堵和碰撞问题，提出解决方案。 ( 2 ) c 2 c - c c h l ：2 0 0 5 年，奥迪、宝马、克莱斯勒、大众等6 家欧洲汽车公 司共同成立了车辆间通信联盟“c a r - 2 - c a rc o m m u n i c a t i o nc o n s o r t i u m 。该联盟的 目的是开发旨在利用无线局域网技术的车间通信，以及车辆与基础设备间的通 信的欧洲通用标准。以及通过分配无线电频率，开发并测试相应的无线系统。 2 0 1 1 年发表了基于多路径缓和的城市加强型的c a d l l 结构等。 ( 3 ) f l e e t n e t 【5 】：有3 所大学和6 家公司为了推动车间的通信发展而建立了 “i n t e m e to nt h er o a d ”项目。2 0 0 0 年，f l e e t n e t 项目开始启动，通过测试获得了 珍贵的数据资料，并且最终形成了一套成品。在后续的研究中，开展了新的项 目n o w ，2 0 0 4 年开始启动“n e t w o r ko nw h e e l s ”项目，在后续的研究项目中吸引 了宝马和大众两大世界级汽车制造商的加盟。n o w 的主要目的是为了制定车辆 间通信的通信标准，以及保护车辆间数据的安全性问题，并且最终的研究结果 将交付c 2 c - c c 标准组织。 ( 4 ) w i l l w a r n ( w i r e l e s sl o c a ld a n g e rw a r n i n g ) 和a d a s e ( a d v a n c e d d r i v e r a s s i s t a n e es y s t e m si ne u r o p e ) ：两个项目专注于道路的安全性研究。 w i l l w a r n 嘲旨在为驾驶员提供信息提示，以便在安全事故发生时给驾驶员提 供帮助，车辆之间、车辆与基站的通信是技术研究难点；a d a s e 口1 旨在为欧洲 的道路安全提供保障，减少发生交通事故的可能性。 ( 5 ) c o m c a r 1 ：提出了一种全新的涉及移动通信网络的“c o m m u n i c a t i o n a n dm o b i l i t yb yc e l l u l a ra d v a n c e dr a d i o ”项目。c o m c a r 主要关注是基于口移 动服务的交互式的、不对称的技术。这也是目前车辆之间通信要解决的主要技 术难点。 除此之外，还有一些著名的研究机构，如c h a u f f e u r 、d r i v e 等；还有 一些有名的高校研究项目，如美国的v i i 、马里兰大学( 美国) 的t r a f ! f i c v i e w 研究项目、c i c 法国研究机构一起合作研究的项目等。 4 武汉理工大学硕士论文 1 2 2 国内研究现状 车载自组织网络在近几年渐渐引起人们的重视，但是目前还处于研究的初 级阶段。国内对车载自组织网络的研究主要集中于各大高校之中，在最近的几 年中，各个学校针对自己研究的方向，提出了一些论点并发表了相关的论文， 但是距世界上研究水平还有一段距离。 在车载自组织网络的数据链路层，针对m a c 协议的研究主要有：北京邮电 大学的支持优先级的m a c 机制阻1 ，由i e e e8 0 2 1 1 标准的突发机制引出一种新 的概念：接力传输与接力中断。在m a c 帧从源节点到目的节点的传输过程中， 按照优先级的不同，从而得出不同的接力中断，并加入信道竞争的概念，一次 中断便增加信道竞争一次，从而来区分优先级。并且对此进行仿真测试：北京 科技大学的m a c 层安全结构体系n 帕，就车载自组织网m a c 层存在的安全问题 进行分析研究，并总结和评估了现在的安全性问题解决方案，针对车载自组织 网络的特点，提出了自己的安全结构体系。其中高校，像解放军信息工程大学 的研究重点也主要集中于m a c 层协议以及路由协议方向面。 在车载自组织网的网络层，针对路由协议的研究主要有：南京邮电大学的 基于邻居节点竞争的转发策略n 1 1 ，文章就目前的路由协议：g s r 、g p s r 、r l s 以及s a r 协议，进行了分析，指出了其中存在的问题，随后提出了基于邻居节 点竞争的转发策略的车辆间通信路由协议的概念；北京航空航天大学软件开发 实验室提出的分层结构的d s r 路由协议n 幻，文章分析了城市里车辆运动的特点 及规律，结合这些规律，并采用层次路由算法，对d s r 路由协议加以改进，能 有效减少网络中节点通信的跳数，从而减少数据传输的开销：其它还有，如北 京邮电大学提出的竞争转发的车载网路由协议，并提出了网络通信中断时报文 传输的方案；西北工大的路由协议研究分析，借助于q u a l n e t 仿真软件，对不 同的路由协议进行了测试。 关于现实应用方面，车载自组织网的研究主要有：同济大学的分布式的智 能交通服务系统n 朝，该系统结合了实际交通情况，进行分析测试，相比之下， 能更好地解决交通堵塞等问题，对于紧急突发事情增加了应对策略，从而增加 了交通系统的安全性；华东师范大学提出的车载自组网w a v e 架构n 钔，是一种 高性能的广播协议，专为安全交通应用服务，并且经过了相关仿真测试，证明 了其高效性和正确性。 1 3 主要研究内容及论文安排 本文首先对车载自组织网络技术进行了概述，对其产生的时代背景、以及 5 武汉理工大学硕士论文 发展作了介绍。随后对其特有的性质进行介绍，并介绍了移动自组织网络中常 用的路由协议，并对它们在车载自组织网络中应用的性能进行分析；并介绍了 适合车载自组织网络的基于地理位置的路由协议，针对其缺少安全机制，特设 计一种安全签名算法来为其提供安全保证，并对其可应对的攻击类型进行分 析，随后设计出s a 咏安全路由协议，对改进的路由协议进行仿真测试。 本文章节结构安排如下： 第一章引言，简单介绍车载自组织网络的研究背景和意义，通过移动自组 织网络发展历史和意义，以及车载自组织网络的重要性来阐述。 第二章是背景知识，介绍了无线移动自组织网络的特点和体系结构，以及 无线移动网络的一些传统的路由协议；然后针对车载自组织网络不同于无线移 动网络的特点，对车载自组织网络路由协议进行分析；并对c a r 协议、t e s l a 签名算法、车载网安全签名认证方法、以及哈希链自更新算法进行了综述；最 后对目前流行的网络仿真工具进行了简述，并对n s 2 作了进一步的介绍。 第三章针对t e s l a 算法中哈希链会耗尽的问题，设计了一种新的可自更新 的t e s l a 算法h c s r t e s l a 。 第四章根据c a r 协议存在的安全问题，利用h c s r t e s l a 签名算法设计一种新 的安全车载网路由协议s c a r ，可以提供网络节点的源认证，保证了路由协议 的安全性，增加了a 坻协议的安全性。 第五章在l i n u x 操作系统中，使用世界公认的权威仿真软件n s 2 ，对改进 后的安全协议s c a r 进行性能仿真，并对仿真结果进行分析，将存在攻击的安 全与不安全的仿真数据进行对比，并对结果进行分析。 第六章结论，对于当前的车载自组织网络安全路由协议研究作了总结，对 本文的创新点作了阐述与总结；然后对安全算法设计中的不足进行了介绍，并 对后续的研究方向进行了展望。 6 武汉理工大学硕士论文 第2 章背景知识 2 1 无线移动自组网概述 2 1 1 无线移动自组网的发展 m a n e t ( m o b i l e a d h o cn e t w o r k s ) ，起源于1 9 7 2 年的d a r p a 的无线电分组 交换网络的项目n 司。项目的初衷是为了满足军事方面的研究及应用，因此长时 间以来，m a n e t 一直为军方所控制和应用。二十世纪中期，随着无线电标准 的出现，m a n e t 逐渐为外界认识并加以利用。1 9 9 1 年被i e e e 标准委员会改名 为a dh o e 网络，此时无线电分组交换网络已经用于军事行动和一些救援行动 中，此时的a dh o c 网络也只是为了特殊情况而临时组建的移动网络。1 9 9 7 年 i e t f ( i n t e m e te n g i n e e r i n g t a s k f o r c e ) 正式成立了m a n e t 工作小组，专门为移 动自组网研究路由协议算法，并制定出相应的标准。这也使移动自组网的研究 和应用从单独的军方转移到民用之中，目前基于口技术的发展，促进了移动自 组网通信的灵活性与开放性。 在过去几年中，随着越来越多的移动设备应用于生活之中：手机、个人掌 上电脑、笔记本、以及其它便携式数字设备，无线网络的发展壮大，并且在信 息处理方式上发生了革命性变化。更多的用户使用无线移动设备，使得服务运 营商更多的投入到无线网络的研究中。当前，大多数通信要通过移动基站来进 行，例如：两台笔记本之间的通信要通过无线接口，手机通话要通过移动手机 信号基站。 但是设立基站成本不菲，并且有些情况下( 如：偏远地区或是军事情况中) 没有基站，此时对于无线设备之间的通信要面临没有基站的困难；并且对于笔 记本、p d a s ( p e r s o n a ld i 西t a l a s s i s t a n t ：掌上电脑) 、和一些无线网络节点( 传 感器节点) 来说，只能提供短矩离无线通信功能，此时迫切需要解决没有基站情 况下节点之间的通信，所以发展无线移动自组网络势在必行。 2 1 2 无线移动自组网体系结构 在m a n e t 中，节点之间的通信独立于任何基站或集中式管理，以端到端 形式进行。和不在通信范围内节点通信时，经过中继节点多跳转发报文给目的 节点。节点又可作为一个独立的路由器进行报文转发，因此在无线移动网络 中，节点的分散性导致故障检测和节点管理变得非常困难。在m a n e t 中，节 7 武汉理工大学硕士论文 点的移动是不可预见的，网络拓扑变化很频繁，节点在通信范围的移进和移出 变得不可预测，因此会造成路由的变动，更有甚者在传输过程中造成报文分组 的延迟或丢失。因为m a n e t 不依赖于集中管理控制，无线节点周期性地获取 周围邻居节点的信息，动态地更新路由。基于这个原理，移动的节点即使不在 通信范围内，也可以利用节点的路由表进行查询并转发报文进行通信。 但是节点使用的电池能量有限，节点可以利用的处理能力的资源也非常有 限；并且由于节点又扮演着路由器的作用和用户终端的角色，需要更多的能量 来支持节点转发报文。和有线网络相比，无线网络中节点在网络传输上性能远 低于有线网络，无线电线路间的通信会受到多路访问、信号衰退、噪音以及碰 撞干扰等情况的影响，造成无线网络的吞吐量不能达到理想的最大系统容量。 每个节点依赖于一个或多个接口通过不同的频段，并且每个节点的硬件或软件 设备都不尽相同，所以针对如此多样性的网络设计一个标准协议和算法，相对 来说比较困难。 m a n e t 特点如下： ( 1 ) 移动自组织：无线网络与有线网络不同，节点会不停地移动，节点的 位置便会发生改变；a dh o e 网络具有独立组织网络的特点，即可以不依赖外部 设备，节点便可以迅速地、自动地组成一个网络。 ( 2 ) 节点对等无中心：移动节点之间的地位是平等的，就如同一个p 2 p 对 等网络；a dh o e 网络没有特别的控制中，凸, ( c o n t r o lc e n t e r ) ，而且移动节点的加入 和离开会在任何时候发生，但网络结构的变化不会影响整个网络的节点通信。 ( 3 ) 网络拓扑变化性：a dh o c 网络中，节点的可移动性，并且方向以及速 度不相同，导致网络结构会发生变动。 ( 4 ) 多跳路由：节点之间通过无线电信号传送，由于无线电信号的传播受 到距离和障碍物的限制，发送节点传送报文到目的节点，若是邻居节点，则一 跳路由即可完成发送；有时候距离可能很远，必须经过多个节点的转发，才能 到达目的节点，所以a dh o e 必须支持多跳路由。 ( 5 ) 无线信道的特殊性：由于不同于有线网络通信，无线网络通信中信道 带宽比较小，而且质量不好。在节点发送上要考虑功率、距离、以及节点之间 的干扰问题等。所以无线通信中信道复用技术也将是一个研究重点。 ( 6 ) 安全因素：无线通信网络相较于有线通信网络，更容易受到各种网络 攻击。例如：被动攻击的窃听；主动攻击的入侵、黑洞攻击、旁路攻击、以及 拒绝服务式攻击等。所以在无线网络中特别强调身份认证的问题。 由于移动节点本身的特点，无法每时每刻受到监控，节点会被窃听或是篡 改。因此可能存在一些攻击如：窃听、欺骗、拒绝服务式攻击等。由于 8 武汉理工大学硕士论文 m a n e t 中包含了成百上千的节点，因此相比其它小规模网络，会遇到更多挑 战，如在寻址、路由、位置管理、安全性、以及无线技术等方面的设计。 无线技术协议标准包括，无线局域网、无线个人网、宽带无线接入网、以 及无线区域网，协议标准参数如下： 表2 1 ：i e e e 的无线协议标准 b i t t e c h n o l o g yf r e q u e n c yr a n g e r a t e ( m b p s ) 8 0 2 1 1 a5 45g i - i z1 0 4 0 m 8 0 2 1 1 b 1 1 2 4g h z2 5 1 0 0 m 8 0 2 1 1 9 5 42 4g h z2 5 5 0 m 8 0 2 1 5 112 4g h z1 0 1 0 0 m 8 0 2 1 5 31 1 0 4 8 03 1 0g i - l z1 0m 8 0 2 1 63 2 1 3 41 0 6 6g i - l z2 5k m 8 0 2 1 6 a e1 5 7 5 6g h z ， 1 0 0 0 m 最大移动速度只支持步行4 0 0 k m h 国内一般使用g s m 移动通信技术，a - g s m 是l u c e n t 公司资助研究的支持 自组织技术的移动通信技术，主要针对g s m 系统中移动台的中继技术进行研 究，以此来增大g s m 网络覆盖半径。所以g s m 技术也可以尝试性地应用于车 载网中。 美国和日本专用于车载自组网系统的d s r c 标准( d e d i c a t e ds h o r tr a n g e c o m m u n i c a t i o n ：专用短距离通信技术) ，2 0 0 3 年，美国的f c c 专门为车载网系 统通信分配了7 5 m 1 4 _ z 的信道。如下图所示： 带i 鼬耐南悖硒睇一 溯帮伽 1 s 一咖a 慵i 憎l l 铀1 5 勰 s o n 秘c h 酬 l j c e n t r e 甜a 懈r m 一 1 , f m , c j 4 ta 喇m i l c h t l 1 黑 s r 蛹鲁c h 舢一l j 图2 4 ：d s r c 频段示意图删 1 8 武汉理工大学硕士论文 d s r c 频道分成7 个1 0 m h z 的信道，如图1 7 2 信道是用于安全的车辆碰