Ad Hoc网络安全路由协议SDSR设计

着许多安全挑战，其安全问题[1]正成为移动Ad Hoc网络领域中一项重要的研究课题。

而路由协议是移动Ad Hoc网络的关键问题，路由协议性能的优劣直接影响网络的通信质量。

动态源路由(Dynamic Source Routing, DSR)协议的路由控制分组中携带了从源节点到目的节点的完整路由，但并没有采用合理的安全措施加以保护。

同时，现有比较成熟的安全路由协议(Security Routing Protocol, SRP)有可以改进的地方。

本文在分析DSR协议安全性的基础上，提出一种具有较高安全性的协议SDSR(Secure Dynamic Source Routing)，并通过NS2仿真实验，对网络性能指标进行分析。

2 动态源路由协议DSR的安全性DSR协议[2]是一种基于源路由方式的按需路由协议。

与基于表驱动方式的路由协议不同的是，在DSR协议中，节点不需要实时维护网络的拓扑信息，因此，在节点需要发送数据时，如何能够知道到达目的节点的安全有效路由是DSR路由协议需要解决的核心问题。

DSR路由协议由路由发现和路由维护两部分组成。

路由发现过程主要用于帮助源节点获得到达目的节点的路由。

当路由中的节点由于移动、关机等原因无法保证到达目的节点时，目前的路由就不再有效了。

DSR协议通过路由维护过程监测当前路由的可用情况，当监测到路由故障时，将调用新的一轮路由发现过程。

请求分组的格式如图1所示，包括目的节点地址、源节点地址、路由请求序列号以及路由记录。

路由错误分组的格式如图2所示。

图1 路由请求分组格式第37卷第16期133吉祖勤，方元康：Ad Hoc网络安全路由协议SDSR设计对于SRP协议的安全问题，文献[5]提出了Bloodhound机制。

为了解决可能存在DoS攻击的问题，使中间节点操作更慎重，对Bloodhound机制作进一步的改进：当某一节点侦听到下一跳节点发出的包与自己所发出的包完全一样时，不是在自己的缓存中标记下一跳节点为恶意节点行为，而是标记可疑行为。

在图3所示的拓扑结构中，恶意节点I不在S到D的路由中。

可是，I却在A的传播范围之内，它能侦听到A所转发出去的包。

I直接转发了一个和它所接收到的A发出的包相同的包，A侦听到该行为并在它的缓存中标注这一可疑行为，同时A侦听到B所转发出去的包的路由字段为route SAB=。

当A接收一个从D返回的响应包时它能检测到路由字段是否是*D B(这里的*代表一个或多个中间节点)，A能通过随机请求识别符和反向路由记录辨别路由响应。

如果该路由字段与A的期望值相同，那么A能转发该响应而不是丢弃它。

图4 SDSR协议的路由请求分组格式在图4中，IDs和IDd分别代表源节点和目的节点的IP地址；m为请求序列号，目的节点可以通过该序列号检测路由请求是否过期；n为随机请求识别符，它的作用是让中间节点识别查询请求，利用一个安全伪随机数发生器产生，不可预测；Vsd是消息验证码，两端节点用以共享密钥进行消息认证，(,,,,)Vsd h Ksd RREQ IDs IDd n c=标志,，Ksd为共享密钥；()h为安全的单向hash函数，在源节点处分组的该字段为()hs h n=。

在路由发现过程中，该字段的值为将本节点的地址与上一跳节点对应的该字段值做函数压缩运算；F为bloodhound机制的检测值，在路由发现过程中，通过将本节点的路由记录字段和侦听到的下一跳节点的路由记录字段异或得到，异或值为真则表示下一跳正常操作，异或值为假表示下一跳有可疑行为；_P List为路由记录字段。

以下是基于图3所示网络拓扑结构的SDSR协议的安全路由发现过程。

当一个源节点S欲发送数据到目的节点D，它首先查看自己是否缓存有到目的节点的路由。

如果有有效的路由，则采用此路由发送数据。

如果没有有效的路由，源节点就开始路由建立过程，广播一个路由请求分组RREQ。

下面分步骤进行阐述。

(1)*{,,,,,,,{}}S RREQ RREQ IDs IDd m n Vsd hs F→=：标志,，源节点S对邻居节点广播此消息，同时会将路由包中的地址列表信息保存在自己的缓冲器中。

S的邻居节点A收到S发出的路由请求消息，A检查其路由请求表中是否有对应的表项，如果有则直接丢弃该路由请求分组。

否则，A检查该消息的路由记录中是否包含IDa，如果有则直接丢弃该路由申请；如果没有，A就把自己的地址加到RREQ中的路由记录中，并计算(,)ha h IDa hs=，把RREQ中的hs替换成ha。

与此同时节点S将侦听到节点A转发行为，并比较A发出的包中的地址列表与自己缓存中地址从而设置F的值。

(2)中间邻节点收到上一跳节点传来的路由申请消息包，检查该包的路由申请表中是否有对应的表项，如果有则直接丢弃该路由请求分组。

否则，检查该消息的路由记录中是否包含自己的地址，如果有则直接丢弃该路由申请；如果没有，就把自己的地址加到RREQ的路由记录中，并用新计算出的压缩函数值替换旧值。

与此同时上一跳节点将侦听到该节点的转发行为，并比较该节点发出的包中的地址列表与上一跳节点缓存中的地址，从而设置相应的F的值。

(3)假定在某条路径中目的节点D的上一跳节点是E，D收到的E转发的路由请求分组为：{,,,,,,{,,,}}RREQ RREQ IDs IDd m n Vsd he F IDa IDb IDe=L标志,,D使用与S共有的密钥Ksd，验证：(,,,,)Vsd h Ksd RREQ IDs IDd m n=标志,是否成立，并使用n和路由记录计算验证he的值是否成立。

(4){,,',,{,D E RREQ RREQ IDs IDd n Vsd F IDa→=:标志,,,,}}IDb IDeL其中，'(,,,{,,,})sdv h ksd RREP IDs IDd m IDa IDb IDe=L标志,,。

D只对第一个到达的路由申请作出回复，E收到消息RREP后根据F的值判断该反应包是接受还是丢弃，若是接受了则再根据路径列表把RREP发送给它的上一跳节点。

RREP沿路由记录中的逆向路径返回到源节点S。

S利用S和D的共享密钥Ksd，检验'Vsd是否成立。

如果成立，则S可以利用这条路径，发送数据分组到D。

在DSR协议中，路由的维护是按需的，不需要周期性地广播信息。

在SDSR协议中路由维护与DSR协议相同。

3.3 SDSR协议的安全性分析图5是本文设计的SDSR的拓扑原理结构图，由10个节点(S,1,2,3,4,5,6,M1,M2,D)组成。

SDSR协议可以阻止2个恶意的中间节点进行的攻击。

为便于阐述，给予4点说明：(1)1M和2M表示2个恶意的中间节点。

(2)列表,12{;,,,}S D kQ n n nL表示查询请求。

(3)(1,)in i k≠表示中间节点，1,kn s n D==。

(4)列表,12{;,,,}S D kR n n nL表示路由：{,,',,D E RREQ RREQ IDs IDd m Vsd F→=:标志,,{,,,}}IDa IDb IDeL答复。

图5 SDSR的拓扑原理结构下面给出了SDSR协议阻止2个恶意的中间节点(1M和2M)的4种攻击情形。

(1)当恶意节点1M接收到一个从源节点S发送到目的节点D的路由请求分组，试图产生一个路由应答分组,1{;,,}S DR S M D，应答分组声明它离目的节点D只有一跳，进行路由伪造。

但是由于1M不知道S点与D点的共享密钥，因此不能在路由答复包中生成有效的MAC，这样S点接收到这个路由应答分组后，将自动放弃。

(2)当恶意节点1M接收到一个路由请求分组试图不将自134 计 算 机 工 程 2011年8月20日己的地址贴到路由表中，进行路由隐藏攻击时，其上一跳节点将侦听到它这一行为，并将1M 记为可疑节点，这样当该节点收到应答分组时，通过ID Q 和反向路由检测路由是否可用。

(3)D 接收到路由请求,1{;,1,,5,4}S D Q S M ，生成一个路由应答,1{;,1,,5,4,}S D R S M D ，并沿反向路由传向S ，当1M 接收到此路由应答后，篡改它的内容，传播伪应答,1{;,1,,S D R S M,}Y D ，Y 为伪造的任一节点序列，但由于MAC 提供的完整性保护，S 将丢弃此答复。

(4)2M 接收到路由请求,{;,2,3}S D Q S ，它破坏这条路径，传播,2{;,,3,}S D Q S X M ，其中，X 是一个伪造的IP 地址(或者IP 地址序列中的其他地址)。

请求到达D 后，建立路由答复，并沿路径2{,,3,,}D M X S 向S 传播，当节点3接收到此答复后，检测到X 不是它的相邻节点，节点3不能向前转播此答复，所以此路由答复只有被丢弃。

总之，SDSR 协议使用两端节点的共享密钥对计算MAC ，对端节点身份的可信任性进行验证；改进的Bloodhound 机制使得中间节点也有了对路由的认证能力，在路由发现中添加压缩运算可以确保路由的完整性。

4 实验仿真使用网络仿真软件NS2对DSR 协议改进前后的通信性能做了模拟实验。

模拟的区域是1 000 m×1 000m 的方形区域。

节点的总数为50个，随机分布在这个区域内。

节点最大传输范围设为250 m 。

节点移动模型按照Random Waypoint 移动模型，节点移动的最大速度V max 是：0, 4 m/s, 6 m/s, 8 m/s, 10 m/s, 12 m/s, 14 m/s, 16 m/s, 18 m/s, 20 m/s ，模拟中每个节点的速度都是[0,V max ]之间的一个随机值，停顿时间是 5 s 。

每次模拟源节点和目的节点都是随机选定的。

每个数据包为512 Byte ，速率4 packet/s 。

每次模拟的时间为400 s 。

由图6可以看出，在没有恶意节点存在的时候，在网络节点静止的情况下(速度为0的情况)，DSR 协议和SDSR 协议包传递率都非常高，均超过98%；在网络拓扑变化非常剧烈的情况下(节点最大移动速度为20 m/s)，DSR 协议的递送率约为94.5%，SDSR 协议的递送率在92.4%左右，包递送率两者的差距不超过3%。

从而可以看出，虽然SDSR 协议的控制包扩展了(增加了包的长度，冲突的概率增大)，但仍然具有较好的性能。

图7 端到端数据包平均延迟图8是有恶意节点攻击时的丢包率，从图中可以看出，在有恶意节点存在的时候两者的丢包率有差别。

当DSR 的丢包率为47%时，SDSR 的丢包率只有17%，从而SDSR 比DSR 更具安全性。