（模式识别与智能系统专业论文）基于簇的移动ad+hoc网络模糊入侵检测系统的研究.pdf

江苏大学硕士研究生毕业论文 摘要 移动a dh o e 网络( a i n e t ) 是一种特殊形式的移动计算机网络，与传统 有线网络相比，它具有无需基础结构、易于搭建和任意移动等内在优势。但是随 之而来也带来了诸多不利因素，例如无线的通信媒介和网络中难于监控的恶意行 为导致了a d h o e 网络存在更高的安全风险。许多研究已经证明，传统的入侵检 测方法不能有效地检测出这种新环境下的入侵行为，因此如何在a dh o e 网络环 境下实现入侵检测已经成为一项重要的研究课题。 本文首先综述了m a n e t 所面临的一些安全问题，指明了m a n e t 的安全目 标、安全弱点和安全威胁，扼要地介绍了入侵检测的基础知识着重分析了 m n e t 入侵检测系统目前的研究情况，讨论了设计m a n e t 入侵检测系统所面 临的困难，并对目前存在的问题给出可能的解决方法 传统的m a n e t 入侵检测a g e n t 模型在设计上通常采用双检测模块结构，它 们分别负责本地和全局的入侵检测任务。我们在分析了早期入侵检测模型的基础 上，提出了一种基于簇的移动a d h o e 网络模糊入侵检测系统结构模型( c n d s ) 。 在c f i d s 中，入侵检测a g e n t 采用了单检测模块结构，该结构不仅能够实现协 同检测，而且还大大地减少了传统结构的复杂度。同时a g e n t 问的协调机制也更 趋于合理和有效。在检测算法方面，我们采用了路由行为分析的方法，并结合模 糊理论，设计实现了模糊入侵检测算法，该算法具有检测率高、计算简单、实时 性好等特点。 c f i d s 模型系统结构的网络拓扑基础和实现前提是网络的分簇结构。针对 c f i d s 模型的系统结构和a dh o e 网络的特点，本文提出了一种有效的针对 m a n e t 入侵检测a g e n t 分布的分簇算法d m c h s 。该算法在逻辑上将整个网 络分割成一系列相互连通的簇。然后根据簇的大小并以节点的剩余能量、可信性 和公平性为判断依据在簇内选择出一定数目的节点成为簇首节点，以实现协同检 测。同时该算法能自适应地维护簇首和周期性地选择簇首。从定性分析可看到， 该方案具有簇首节点选择公平、合理，入侵检测可靠性高等优点。 接着，为了仿真实现d m c h s ，本文介绍了n s 2 仿真平台和给出了d m c h s 算法的仿真框架，并根据该框架设计实现了d m c h s 算法的n s 2 仿真程序。最 后，通过仿真试验定量分析和评价了d m c h s 算法的性能，实验结果显示该算法 具有簇首分布均匀、合理，报文监测比率高等优点。 关键词：移动a dh o e 网络，入侵检测系统，模糊入侵检测，分簇，仿真 江苏大学硕士研究生毕业论文 a b s t r a c t a san e wf a s h i o no fc o m m u n i c a t i o n , m o b i l ea dh o cn c t w o r k ( m a n e nh a s b e c o m eav e r yh o tr e s e a r c ht o p i c c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lw i r e dn e t w o r k ，i t n o to n l yh a sw i d eo p e na n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s b u ta l s oh a si n h e r e n ta d v a n t a g e s s u c ha sm i n i m a li n f r a s t r u c t u r er e q u i r e m e n t s ，e a s eo fs e t u pa n dm o b i l i t y b t i tt h e d i s a d v a n t a g e sa l s oo c c u r ，s u c ha sh i g hs e c u r i t yr i s k sd u et ot h ew i r e l e s sm e d i u mo f c o m m u n i c a t i o na n dt h ed i f f i c u l t yo fm o n i t o r i n gt h en e t w o r kt od e t e c tm a l i c i o u s b e h a v i o re t e p r e v i o u ss t u d i e sh a ds h o w nt h a tt h et r a d i t i o n a li n t r u s i o nd e t e c t i o n a p p r o a c h e sa r ei n a d e q u a t ef o re f f e c t i v ei n t r u s i o nd c t c c t i o ni na ne n v i r o n m e n tw i t h d r o p p i n gn o d e sa n dr a p i d l yc h a n g i n gn e t w o r kt o p o l o g i e s t h e r e f o r ei ti si m p o r t a n tt o r e s e a r c hh o wt oa c h i e v ee f f e c t i v ei n t r u s i o nd e t e c t i o ni nh l n e t i nt h i st h e s i s ，w em a k ea na n a l y s i sa h o u ts e c u r i t yf o ra dh o cn e t w o r k s ，w h i c h i n c l u d e st h ea i mo fs e c u r i t y ，t h ev u l n e r a b i l i t i e so fs e c u r i t ya n dt h et h r e a t st os e c u r i t y i i la dh o cn e t w o r k sf i r s t i na d d i t i o n , w eb r i e f l yd e s c r i b et h eb a s i ck n o w l e d g ea h o u t i n t r u s i o nd e t e c t i o n 1 1 舱几w ee m p h a s i z eo nt h ed i s c u s s i o u sa b o u ts t a t eo ft h ea r to f i n t r u s i o nd e t e c t i o ns y s t e m ( i d s ) f o ra dh e cn e t w o r k s ，t h ed i f f i c n l t i e st od e s i g nt h e m a b e ti d s a n dt h ea n a l y s i so fv a r i o u si n t r u s i o nd e t e c t i o nm e t h o d sp r e s e n t e d c u r r e n t l y m e a n w h i l e w eg i v eas o l u t i o nf o ri d s i na dh o cn e t w o r k s 1 1 艟c o n v e n t i o n a l i a n e ti n t r u s i o nd e t e c t i o na g e n tm o d e l sc o m m o n l yh a v e s t r u c t u r eo fd o u b l ed e t e c t i o nm o d u l e s w h i c ha r ei nc h a r g eo ft h el o c a li n t m s i o n e n g i n ea n dc o o p e r a t i v ed e t e c t i o ne n g i n er e s p e c t i v e l y o nt h eb a s eo fa n a l y z i n g p r e v i o u s i n t r u s i o nd e t e c t i o nm o d e l ，w ep r e s e n tac l u s t e r - b a s e df u z z yi n t r u s i o n d e t e c t i o ns y s t e mm o d e lf o rm a n e tc a l l e dc f i d s i nc f i d s am o b i l ea g e n t f r a m e w o r ka d o p t sas i n g l ed e t e c t i o nm o d u l e ，w h i c hc a nn o to n l yd oc o o r d i n a t i n g d e t e c t i o n , b u ta l s od e g r a d ec o m p l e x i t yo ft h ec o n v e n t i o h a la r c h i t c c t l l r e n 地 c o o p e r a t i o nm e c h a n i s mb e t w e e na g e n t si sm o r er e a s o n a b l e a tt h es a m et i m e ， c o m b i n i n gw i t hf u z z yt h e o r y , w ep r e s e n ta na l g o r i t h r ao fr o u t eb e h a v i o ra n a l y s i s b a s e do na o d vp r o t o c o l ，w h i c hh a sc h a r a c t e d s t i c so fh i g hd e t e c t i o nr a t e ，s i m p l e c a l c u l a t i o na n df m er e a l - t i m ep e r f o r m a n c e c l u s t e rs t r u c t u r ei st h et o p o l o g i c a lb a s ea n dp r e c o n d i t i o nf o r t h ei d sa r c h i t e c t u r ei n m a n e t , s i n c et h ep e r f o r m a n c eo fc l u s t e r i n ga l g o r i t h mf o ri d sd i r e c t l ya f f e c t st h e w h o l ec a p a b i l i t yo fi d s a e c o r d i n gt ot h ec f i d ss y s t e ma r c h i t e c t u r ea n dt h e c h a r a c t e r i s t i co fm a n e t - w ip r e s e n tac l u s t e r i n ga l g o r i t h mf o ri n t r u s i o nd e t e c t i o n a g e n td i s t r i b u t i o ni nm o b i l ea dh o cn e t w o r k s 仍m c h s ) t h ea l g o r i t h md i v i d e st h e n e t w o r ki n t o8s e to fc l u s t e r st h a ti n t e r c o n n e c ti nl o g i c t h e n , n o d e si nt h es a m e c l u s t e re l e c ta n dm a i n t a i nc e r t a i nn u m b e ro fc l u s t e r - h e a d st or u nt h ei n t r u s i o n d e t e c t i o na g e n t st oi m p l e m e n tc o o p e r a t i v ed e t e c t i o na c c o r d i n gt ot h er e s i d u a le n e r g y , i m p a r t i a l i t ya n dd e p e n d a b i l i t yo fn o d e s n 地n u m b e ro fc l u s t e r - h e a d si nac l u s t e ri s d e t e r m i n e db yt h es i z eo f t h ec l u s t e r f r o mt h eq u a l i t a t i v ea n a l y s i s w ec a n 瓣t h a ti t h a sh i g hs e c u r i t ya n ds t r o n gc a p a b i l i t yt ot o l e m t ei n t r u s i o n f i n a l l y , w ei n t r o d u c et h es i m u l a t i o nt o o lo fn s 2a n dd e s c r i b et h es i m n l a t i o n f r a m e w o r kt h a tc a nb eu s e dt be v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo fd m c h sa l g o r i t h m f u r t h e r m o r e ，w eg i v et h es i m u l a t i o ni m p l e m e n t a t i o no ft h ea l g o r i t h i ni nd e t a i l b y s i m u l a t i o n , w ea n a l y z ea n de v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo ft h ec l u s t e r i n ga l g o r i t h m q u a n t i f i c a t i o n a l l y 1 1 l ee x p e r i m e n tr e s n l t ss h o wt h a tt h ea g e n td i s t r i b u t i o ni se v e na n d r e a s o n a b l ea n dt h er a t i oo f d e t e c t i n gp a c k e t si sh i g h k e yw o r d s ：m o b i l ea dh o cn e t w o r k , i n t r u s i o nd e t e c t i o ns y s t e m ，f i l z 巧i n t r u s i o n d e t e c t i o n , c l u s t e r i n g ，s i m u l a t i o n n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密团。 学位论文作者签名：角b ，瓠峭 签字日期：加俨，月牙日 坞一 名 7 易 名 期 签 日 师 字 导 签 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：春盈一薹朔 日期：矽1 ) 7 年 岁月 2 孑日 江苏大擘硕士研究生毕业论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 通信和网络技术的迅猛发展加速了信息的交流，人们追求在任何时间、任何 地点与任何人进行任何种类的信息交换。随着微电子技术与通信理论的迅速发 展，无线通讯网络获得了跨越式的发展，已经成为全球通信网络的主要组成部分， 最根本的原因在于无线通信网络使人们摆脱了通信线路的束缚，更接近于个人通 信的需要。 无线通信网络能够快速、灵活、方便地支持用户的移动性而使它成为个人通 信和i n t e m e t 的发展方向。目前几乎所有的通信系统都与无线通讯方式有关【l ，2 ，3 l ， 比如蜂窝系统、无绳系统、卫星通信系统、无线局域网与无线广域网 6 v l a n w a n ) 、移动i p 、无线a t m 、分组无线网( p r n e 3 3 、移动a dh o e 网络 ( m o b i l e a dh o e n e t w o r k s ，m n 】玎) 等等，而对无线和移动的相关研究已经成 为通信系统中最主要的部分。 移动a dh o e 网络独立于任何静态的基础设施，可即时建立。它主要应用在 抢险、抗灾、救援、探险、军事行动、应急任务和临时重大活动等需要快速建立、 移动灵活的通信系统的场合中。移动a dh o e 网络是一个复杂的系统，所涉及的 研究内容非常广泛，目前对它的研究和应用已经发展成为通信领域的一个独立分 支，存在许多需要进一步研究的问题，如路由算法、服务质量、组播、安全保障 等。 由于战争领域等特殊环境的需要，移动a d h o e 网络的安全问题已经引起人 们极大的关注。入侵检测系统作为安全的第二道保护屏障在有线网络中已获得成 功应用，并解决许多安全性问题，为其在移动a dh o e 网络里的研究提供了宝贵 的经验和可借鉴的研究方向。因此，移动a dh o e 网络入侵检测系统的研究具有 重要的理论意义和实用意义。 本文研究工作得到了江苏省青蓝基金项e 1 ( 1 1 9 1 1 7 0 0 0 4 ) 的资助。 1 2 移动a dh o e 网络的概念及特征 移动a dh o e 网络是由具有无线通信能力的移动节点组成的，是一种网络拓 扑任意可变和临时性的动态自组织网络系统1 4 ，5 一，其中每个节点既可作为主机 也可作为路由器使用作为主机，节点运行面向用户的应用程序；作为路由器， 江苏大学硕士研究生毕业论文 节点间可以通过无线连接构成任意的网络拓扑，节点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。移动a d i - i o c 网络又被称为多 跳无线网、自组织网络、无固定设施的网络或者对等网络。图1 1 描述了个由 三个主机组成的简单的a dh o c 网络。 ：k ：一：_ ：- 、 j j fj 。芬。c j| 八i 直 。 蕊嚆 、二弘纛 o ) 是一个系数，可根据不同的网 络环境进行适当的调整。x 越大，局域网越繁忙，m c x ) 的值越小，一个异常行为 是路由攻击的可能性越小 3 3 2 基于a o d v 协议的模糊入侵检测算法设计 3 3 2 1a o d v 协议的路由行为规则模型 在传统的有线网络中，通常可以对数据包的格式和字段进行分析而得到入侵 行为，而移动a dh o c 网络中路由攻击不仅包括恶意数据包，而且包括了非法的 路由行为，例如较为典型的攻击包括丢包、篡改路由信息、重放路由包等，遭此 攻击甚至可能造成网络瘫痪。要知道一个节点的行为是否遵从了路由规范，必须 事先知道正常的路由行为。 江苏大学硕士研究生毕业论文 ( 1 ) a o d v 路由发现过程 a o d v 协议是一种按需路由协议1 4 5 1 。a o d v 路由协议的寻路过程如图3 4 所示。 当源节点( s ) 需要发送数据给目的节点( d ) 时，首先查找自己的路由信息表，若没 有到达目的节点的路径就生成一个r r e q ( r o u t cr e q u e s t ) ，并向邻居广播。邻居 节点收到r r e q 后，首先检查最近是否收到过该r r e q ，若收到过则把包抛弃。 然后再看自己是否为目的节点，若是目的节点就生成- - 4 r r e p f r o u 培r e p l y ) 并 按反向路径发送回给源节点( s ) 。若是中间节点就先检查自己的路由信息表内是 否有到达目的节点( d ) 的路径，如果有到达目的节点的路径则生成一个r r e p 并 按原路径反向发给源节点( s ) ，如果没路则继续向邻居广播r r e q ，直到找到路径 为止。中间节点收到r r e p 后，首先要更新自己的路由信息表，之后按原路径单 向转发r r e p ，直到到达源节点( s ) 。若源节点重发一定数量的r r e q 且在一定时 间内还没有收到r i 也p 则放弃寻路。 蠢节点 目帕苇点 - 瞄由谓求嘘e q 路线 - j o 路由回复r 靴蛋路缱 = = = = = 建立的路由缝路 图3 4a o d v 路由协议寻路过程 a o d v 通过周期性的广播h e l l o 信息来监视链路状态，若节点在使用某个链路 时发现该链路断开，将从路由信息表中删除包含该断开链路的路由，并向源节点 发送r e r r ( r o u t ee r r o r ) ，通知源节点将对应路由从路由信息表中删除，沿途转 发l 球e r 的节点也删除自己路由信息表中的对应路由。a o d v 协议通过使用目 的序列号( s e q u e n c e n u m b e r ) 的方式保证路由信息的最新度和路径的无环性。 ( 2 ) 路由建模 根据a o d v 路由协议的路由发现过程，我们建立标准的路由行为模型。 一个路由请求报文r r e q 包含如下字段： ； 其中：r r i 明- i d 请求报文的d ； s f c a d d r 源节点的i p 地址： 江苏大学硕士研究生毕业论文 s l c - n t u n 源节点序列号； d s t a d d r 目的节点的i p 地址； d s t - n u m 目的节点的序列号； h o p - c o u n t 从源节点到当前接收到l 源e q 的节点的跳数。 一个路由应答报文r r e p 包含如下字段： ； 其中：h o p - c o u n t 从源节点到目的节点的跳数； s r c - a d d r 源节点的i p 地址； d s t - a d d r 目的节点的i p 地址； d s t - n u m 目的节点的序列号； l i f e t i m e 生存时间即收到i 毗p 的节点认为该路由的有效时间。 一个路由出错报文r e r r 包含如下字段： ： 其中：u n r e a c h - d e s t c o u n t 不可到达的节点的跳数，至少为l ； u n r e a c h - d s t a d d r 不可达的目的节点的i p 地址； u n r e a c h - d s t n u m 不可达的目的节点的序列号； e x u n r e 撇h - d s t a d d r 额外不可达的目的节点的p 地址； e x u n r e a c h - d s m u m 额外不可达的目的节点的序列号。 一个h e l l o 报文包含如下字段： 其中：h o p - c o u n t 从源节点到目的节点的跳数； d s t - a d d r 目的节点的i p 地址； d s t - n u m 目的节点的序列号； l i f e t i m e 生存时间即收到硒也p 的节点认为该路由的有效时问。 定义1 s ( s c to f a c t i o n ) ，s o ( s e to f a c t i o nc o u n t ) ，s o ( s e to f o b j e c t ) s , = ( b r o a d c a s t , u n i c a s t , o ) 是行为模式的集合，0 表示不进行任何动作； s 。= o ，1 ，2 ， ，是非负整数的集合，表示一个节点行为重复的次数； s o = ( r r e q ，r r e p ，姗r ，o ) ，是行为对象的集合，o 表示空对象； 定义2 r o u t i n gb e h a v i o ro b j e c t 是一个三元组：( a c t i o n , c o u n t , o b j e c t ) ，用于 描述移动节点的一次路由行为。其中： a c t i o n s 。，c o u n t es 。，o b j e c t es o ( o ，0 ，o ) 是一个特殊对象，表示节点没 有进行任何动作。 a o d v 路由协议的标准的路由行为模型可定义如下： 江苏大学硕士研究生毕业论文 一个节点接收到一个r r e q 包时，节点可能的路由行为定义如表3 3 所示。 表3 3 标准的脚也q 包行为 情况正常路由行为 ( s r c a d d r , r r e q d ) 已经存在( o ，0 ，o ) ( s r c - a d d r , r r e q - i d ) 不存在 o r o a d c a s t , 1 ，r r e q ) ( 】) m y a d d r - - d s t - a d d r( 咖j 瓯l ，r r e p ) ( 2 ) 缓存中有到目的地址的的路由 一个节点接收到一个r r e p 包时，节点可能的路由行为定义如表3 4 所示 表3 4 标准的r r e p 包行为 情况正常路由行为 ( 1 ) m y a d d m - s t c - a d & ： ( o o o ) ( 2 ) m y a d d r ；es r c - a d d r 并且收到至少一个r r e p ，并 且目的节点的序列号比收到过的r r e p 的要小。 ( 1 ) m y a d d rs r c - a d d r 节点没有收到过该r r e p ；( u n i c a s t , i ，n e p ) ( 2 ) m y a d d r ；es r c - a d d r 并且这个r r e p 的目的节点序 列号比原来收到过的要大。 一个节点接收到一个r e 硒t 报文时，节点可能的路由行为定义如表3 5 所示。 表3 5 标准的r e r r 包行为 情况正常路由行为 m y a d d rs r c - a d d r ，并且在缓存e e s r c a d d r 不可达( b r o a d c a s t , 1 ，r e r r ) 其它情况 ( o ，o t o ) 3 3 2 2 路由行为模糊检测方法 在c f i d s 的设计中，模糊检测分析模块的设计是关键的核心部件。它利用数 据收集模块收集到的邻居节点的路由信息来识别入侵行为，并将检测判断结果送 往该代理的协调检测模块进行处理。图3 5 表示出该检测分析模块的模糊检测数 据流分析图的过程。 江苏大学硕士研究生毕业论文 i 塑竖墼l i ： 路由行为分类 接收包阿白阿发黼 、。_ _ ，、- - r ，7 。白仨弓0 i 广 生= i 南n o s ：g do f n o n m t i v eo b j e c t i 堡墨璺蔓j茹罐路由行为磁齑蠢合) 广_ = i j - 。1 圆萌强由行为对象的集合) i 闻僦懒i 。 圈3 5 模糊检测数据流分析图 数据收集模块在收集到一定量的数据信息后，将该组信息传送给检测分析模 块进行入侵检测分析，数据包的分析过程包括以下步骤： ( 1 ) 首先将获得的数据包分成两个集合：s r ； p a c k e t - r e c e i v e d ，s l = p a c k e t - s e n t ，s ，是被检测节点a 收到的数据包，s 。是五发送的数据包； ( 2 ) 根据上面建立的a o d v 标准路由行为模型，对于s ，中的每个数据包， 都可以得到一个正常节点应该采取的路由行为对象r b o ，因此，根据s ，可以得 到一个标准的路由行为对象的集合s 1 1 0 ( s e to f n o r m a t i v eo b j e c t ) ： ( 3 ) 对于s r 中的每个包在s 。中搜索与之对应的p s 包。搜索的依据是p r 中的3 个字段 ，这三个字段唯一确定了一个路由 包。根据每一个搜索结果可以产生一个路由行为对象。如果结果没有对应的包， 则行为对象为( o ，0 ，o ) ；如果结果为1 个包，则行为对象为( a c t i o n ，1 ，p o ，如果 结果为n ( n 1 ) 个包，则行为对象为( a c t i o n , n ，p s ) ，这说明五节点可能进行了重 放攻击或伪造攻击。搜索完毕时，得到了节点z 针对s ，的实际路由行为对象的 集合s “s e to f a c t u a lo b j 鳅) ； ( 4 ) s 。代表节点实际的路由行为，s 。代表节点应当遵循的路由行为，我们 将这两个集合进行比较，如果s 。与s 。差别过大，我们认为发生了入侵行为。 为了比较两个集合，我们采用海明距离( h a m m i n gd i s t a n c e ) 的思想。海明距离原 江苏大学硕士研究生毕业论文 用于比较两个序列之间的差异，我们用它来衡量两个路由行为集合之间的差别， 称之为b h d ( b e h a v i o rh a m m i n gd i s t a n c e ) 。假定两个集合分别为 s , o = ( n o i ，n 0 2 n o 。) 和s 。气a o t , a 0 2 ，a o 。) ，按顺序逐个比较这两个集合中的元 素，如果n o i 与i 相同，则r i = 0 ，如果不同，则将s 。中i 项的n 值带入隶属 度函数m ( x ) 中，取代其中的x 值，将得到结果付给r i ，这样得到了结果为 ( r t , r 2 ， n ) ( 5 ) 通过计算所有r i 的平均值得到b h d = ( r , ) l m 。将b h d 与事先确定的两 个阙值( t h r e s h o l dv a l u e ) t v l 和t v 2 进行比较( 其中t v l t v 2 ，则 认为有入侵发生：如果t v i b h d 3 其次，在簇首节点选择的公平性和合理性方面，我们考虑以下三个要素： ( 1 ) 节点的剩余能量。m a n e t 节点电池能量有限，将节点能量作为一个重 要的参考依据是一个普遍的选择。( 2 ) 节点选择的公平性。为防止某些节点长时 间运行入侵检测程序，影响其为用户服务的性能，将节点担任簇首的时间作为平 衡因予，满足一定程度的公平性要求。( 3 ) 节点的可信性。节点的可信性可由它 以往从事入侵检测的结果来评价，该信息由入侵检测层提供。 综合考虑以上因素，给出一个节点可以成为簇首的评价函数： p t n b n r , n 砖= c l l 0 + c 2 j q 谤斗c l t n 由，咚- 2 ) 其中五f a 矽为能量函数；_ j 6 ( 2 v r ) 为公平性函数；石m j 为可信度函数c ，c 2 ，白，分 别为能量、公平性和可信度的权重。 以上三个子函数可分别取为： f l a g e ) = n e n g u a ，( 4 - 3 ) 其中 t 为节点的剩余能量， 协螂为节点能量的最大值。 正仍恸= ( r r u a n r ) n r u a ( 4 - 4 ) 其中坼为节点当选簇首的时长，m a 甜节点作为簇首的最大时长。 如由=2vrn(4-s、 江苏大学硕士研究生毕业论文 其中m 为节点做出检测的正确次数肌为检测的次数，该函数初始值置为 l 。 处于簇状态的节点将开始进行簇首的选择过程。对于簇内的第f 个节点，判 断其是否为簇首的过程如下； ( 1 ) 产生一个随机整数置j ； ( 2 ) 向c l i 中成员发送一个“选择开始”报文, e l e c t i o ns t a r t = 舰 皿t s ! 日仫巩r 协，其中i d , 为节点f 的i d , h a s h 为普通哈希函数，设置一个 定时器死； ( 3 ) 当定时器乃超时，仍然没有收到c b 中部分节点的消息，则将这些节点 从c 霸中删除，节点i 计算自身的权值p j 门吒n t , w ，同时更新邻居列表； ( 4 ) 向c 厶中节点发送“选择报文，内容包括节点z 功，随机整数蜀和节点的 权值r 口n t , 盹j 。即为e l e c t i o n = 伍仇凡黝，设定定时器疋； ( 5 ) 当收到节点_ ，的“选择”报文时，核实它的哈希值与，的e l e c t i o n _ s t a r t 报文中的哈希值是否匹配，如相等则记录节点，的权值乃和勘 ( 6 ) 当定时器疋超时，对c & 中节点的p 值进行降序排列； ( 7 ) 根据此时c ，中成员个数，选择排序中j p 值最大的； 个节点c h x 一圆， n r j 作为簇首。 4 5 簇的维护 当簇首选择完成之后，被选为簇首的节点负责整个簇内节点的入侵检测任 务。普通成员节点则取消独立检测状态，簇中节点进入完成状态。但是由于节点 的移动，可能导致节点脱离原簇，因此必须对簇进行维护 网络中所有的节点都定期向周围节点发送 q u e r y 儇文，收到 q u e r y 报文的节 点回复该报文的发送节点当普通成员节点接收不到原簇簇首的回复信息时，表 明该节点脱离原簇，贝i j 该普通成员节点发起寻找簇酋的过程； ( 1 ) 普通成员节点f 向周围节点发送“请求加入”报文j o i n 置印( 厂e 盯= f 如， 设置一个定时器乃 ( 2 ) 当收到第一个簇首节点日的“加入回复”报文j o i nr e p l y = 后，进 入完成状态 ( 3 ) 当定时器力超时，仍没有接收到有簇首回复，则节点i 迸入初始状态， 等待下一次重新计算簇。 当簇中的簇首节点接收不到本簇任一簇首节点的维护信息时( 原簇中簇首数 量1 k ：s 3 的情形) ，或者簇首节点失去所有原簇中普通成员节点( 原簇中簇首数 量k = i 的情形) ，贝f j 该节点发起簇的维护： 3 7 江苏大学硕士研究生毕业论文 ( 1 ) 簇首节点i 向周围发送“搜索簇首根文s e a r c h 伍，设尬q u z s r = 置一个定时器乃。 ( 2 ) 当收到有普通节点回复该报文，将该节点记录到一个临时表中，如 有簇首节点回复该报文，则节点j 立刻删除临时表，取消定时器乃及簇首状态。 同时给簇首日发送“请求接收报文a mm e m = ( 1 d d ，并进入完成状态。 ( 3 ) 当定时器以超时，没有收到任何簇首的回复，判断临时列表是否为空： ( a ) 不为空则向临时列表中的节点发送“我是簇首”报文a m c h = ( i d a ) ，将临时列表中的节点和自身组成一个簇，更新簇列表。 ( b ) 如果列表为空。则节点f 进入初始状态，等待下一次重新计算簇。 即使簇成员没有变化，也会在一定的时间重新选择簇首，防止个别节点能量 过度消耗，保证网络负载均衡，增强整个网络的生存能力。我们设置一个定时器 珏，当孙超时，网络中所有节点将重新进入到初始状态，开始新一轮簇形成的 计算过程。若簇中没有成员变化，可直接进行簇首选择过程。 4 6 分簇算法的定性分祈 4 6 1 方案中分簇算法安全性分析 方案的安全性是建立在算法中选择的k 个簇首节点而实现的。传统的簇一般 是以簇首节点为中心，一跳范围为半径的放射区域，簇首节点作为簇内成员的桥 梁和纽带。一旦簇首节点失去作用或者被敌人俘获成为恶意节点，则整个簇内成 员处于危险境地甚至成为牺牲品。在我们的算法中，簇的概念则避免了上述情况 的发生，簇内成员可以互相通信，单个簇首失效，则还有其它簇首作为冗余备份。 因此，本算法在安全方面具有更强的健牡性。 4 6 2 方案中簇首选择性能分析 在方案所定义的簇中选择簇首时，我们考虑到节点的能量、节点的可信度以 及节点的作为簇首的时长等因素，这为选出的簇首在各方面具有优越性做了基本 的保证，从而使其得以充分发挥簇首作用。另外在网络运行过程中，我们考虑到 因节点移动会造成原簇关系弱化甚至消失，同时簇首节点长时间负担监测任务， 也会因能量消耗过多造成失效，因此在算法中我们要求在固定时间段后重新进行 簇的形成和簇首选择，这样就避免了上述情况的发生。 4 7 本章小结 本章提出一种新的针对m a n e t 入侵检测a g e n t 分布的分簇算法，该算法在 江苏大学硕士研究生毕业论文 逻辑上将整个网络分割成一系列相互连通的簇。然后根据簇的大小并以节点的剩 余能量、可信性和公平性为判断依据，在簇内选择出一定数目的节点成为簇首节 点，并且能自适应地维护和周期性地选择。从而保证了簇首节点选择公平、合理、 入侵检测可靠性高等特点。 江苏大学硕士研究生毕业论文 第5 章基于n s 2 的d m c h s 分簇算法仿真实现和性能分析 目前还没有任何理论能够对a dh o c 网络进行精确的分析，因此，一般都是 依靠仿真的方法对设计方案进行评估。仿真方法可以有效的减小投资风险并降低 网络实现费用，所以，网络仿真软件成为网络性能理论分析、评估网络设计方案 以及网络故障论断的有力工具。目前常用的网络仿真平台有：o p n e a h 5 0 j 、 g l o b l e s i m ”l 、n s 2 嶂2 j 。在这些仿真工具中，由于n s 2 源代码开放、c m u 大学及 众多研究机构的扩展，目前它已成为一个通用的仿真平台。本章将介绍本文所提 出的分簇算法d m c h s 的n s 2 仿真实现，并给出其性能分析。 5 1n s 2 仿真平台 n e t w o r ks i m u l a t o r 仿真软件是由美国加州的l a w r e n c eb e r k e l e y 国家实验室 ( l b n l ) 于1 9 8 9 年开始开发的软件，主要用来模拟有线网络环境的t c p 协议和 其它协议。为了更好的支持网络研究，加快网络协议的设计与开发，美国国防部 远景规划署( d a r p a ) 予1 9 9 5 年开始资助一个包括由南加州大学信息科学研究所 s c i s i ) 、施乐公司帕洛阿尔托研究中，c , , ( x e r o xp a r c ) 、l b n l 、加州大学伯克 利分校( u c b ) 共同参与的名为v i n t 的研究项目，由该项目组负责n s 的维护 和开发，目前发布的n s 2 最新版本为2 9 0 。美国卡耐基梅隆大学( c m u ) 的 m o n a r c h 研究小组对n s 2 进行了移动性扩展，使其可以模拟无线网络和a dh o c 网络。 o c t l 本 同络模j 5 【程序 o c t 嚯序解释嚣 增加面向对象特性的t e l n s 模报嚣类库 仿真事件调度嚣 网络元件对象库 网络建立模块库 国一目 模报结果 分析结果 图5 1n s 2 模拟流程图 n s 2 是一个面向对象的、使用离散事件的仿真软件，可运行于u n i x 、l i n u x 和w m 3 2 操作系统。它使用c + + 和o t c l 两种语言开发而成，其中，c + + 语言主 4 0 江苏大学项士研克生毕业论文 要用于各种协议的实现，以达到较快的运行速度，而o c t l 语言则用于编写网络 模拟任务，以方便研究人员调整各种模拟参数。n s 2 模拟过程如图5 1 所示。 5 2 仿真框架 由于目前对如何使用仿真平台对a dh o e 网络的节点分簇算法d m c h s 的性能 进行测试尚未制定出相应的标准。但是，在仿真a dh o e 网络路由协议( 包括单播 和组播 5 3 1 ) 方面，已经有比较成熟的仿真框架。所以本文采用与路由协议仿真 相似的仿真框架对方案进行仿真，即将分簇算法d m c h s 和路由算法混合在同一 层取代原有的路由层，利用简单的单播和组播算法实现路由，由分簇算法实现分 簇，从而实现对分簇算法的仿真。本节给出了该仿真框架，利用该框架可以方便 地测试分簇算法在不同场景下的性能。仿真框架包括三层：最上一层是对a d h o e 网络拓扑结构的描述；第二层是对组成该网络的各类节点模型的描