一種結(jié)合數(shù)據(jù)完整性保護(hù)和數(shù)據(jù)機(jī)密性保護(hù)的安全路由協(xié)議

摘要：

針對現(xiàn)有移動自組網(wǎng)安全路由協(xié)議難以兼顧數(shù)據(jù)完整性和機(jī)密性的問題，提出了一種結(jié)合數(shù)據(jù)完整性保護(hù)和數(shù)據(jù)機(jī)密性保護(hù)的安全路由協(xié)議。在數(shù)據(jù)完整性保護(hù)方面，采用單向hash函數(shù)和密鑰生成消息認(rèn)證碼，鑒別路由中數(shù)據(jù)的完整性；在數(shù)據(jù)機(jī)密性保護(hù)方面，采用μTESLA協(xié)議傳輸加密數(shù)據(jù)包，在不同的時段傳輸不同的密鑰，通過對稱密鑰的延遲透露模擬非對稱機(jī)制，降低認(rèn)證廣播的資源消耗。仿真實(shí)驗(yàn)表明，該方法不僅在安全性方面優(yōu)于現(xiàn)有的路由協(xié)議，而且在報文送達(dá)率、路由開銷和端到端平均時延評價指標(biāo)上也優(yōu)于現(xiàn)有路由協(xié)議。

0 引言

移動自組網(wǎng)（Mobile Ad Hoc Network，MANET）由許多可以相互通信的移動設(shè)備組成，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以自由移動，形成一個無縫連接的自組織網(wǎng)絡(luò)，其不需要任何基礎(chǔ)通信設(shè)施協(xié)助，在軍事通信、救災(zāi)搶險、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[1]。由于MANET網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以自由移動，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)經(jīng)常變化，通信鏈路存在中斷風(fēng)險，導(dǎo)致包丟失率增大。當(dāng)路由中斷后，重新尋找路由需要耗費(fèi)時間，造成端到端傳輸時延增大，并降低了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。同時，由于MANET網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備的功率、內(nèi)存和存儲容量有限，網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備需要共享帶寬，這要求路由設(shè)計(jì)時需考慮能量損耗問題。因此，最優(yōu)路由選擇是目前移動自組網(wǎng)面臨的主要挑戰(zhàn)[2-4]。

目前，結(jié)合MANET的網(wǎng)絡(luò)特性，已提出了許多有意義的路由協(xié)議，如AODV[5-8]、DSR[9-11]等。這些路由協(xié)議結(jié)合報文送達(dá)率、端到端傳輸時延、包丟失率、網(wǎng)絡(luò)吞吐量等性能指標(biāo)，提出了最優(yōu)的路由選擇策略。在多跳網(wǎng)絡(luò)中，各個節(jié)點(diǎn)無法獨(dú)立完成數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，多節(jié)點(diǎn)之間的通信極易受到攻擊，安全性成為移動自組網(wǎng)路由協(xié)議亟待解決的重要問題之一[12]。

為增強(qiáng)路由協(xié)議的安全性，許多路由協(xié)議對各節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和鑒別。如SEAD[13]路由協(xié)議采用單向hash鏈鑒別路由表更新報文中的序列號等信息，驗(yàn)證報文的可靠性。Ariadne[14]在DSR路由協(xié)議的基礎(chǔ)上增加數(shù)字簽名技術(shù)，可以阻止多種類型的拒絕服務(wù)（Denial of Service，DoS）攻擊。ARAN[15]在AODV路由協(xié)議的基礎(chǔ)上采用公共密鑰加密和鑒別IP地址，防止路由被復(fù)制。SAODV[16]也是在AODV路由協(xié)議上增加安全措施來增強(qiáng)路由的安全性，具體是采用數(shù)字簽名鑒別報文的不變部分，采用hash鏈保護(hù)跳數(shù)信息。然而，現(xiàn)有的安全路由協(xié)議主要關(guān)注信息認(rèn)證，而忽略了路由發(fā)現(xiàn)之后數(shù)據(jù)的機(jī)密性。

本文提出一種兼顧數(shù)據(jù)完整性和機(jī)密性的安全路由協(xié)議，采用消息認(rèn)證碼（MAC）和加密密鑰算法認(rèn)證源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)和中間節(jié)點(diǎn)，采用μTESLA協(xié)議[17]保護(hù)數(shù)據(jù)的機(jī)密性，采用單向hash函數(shù)降低帶寬占用率和運(yùn)算復(fù)雜度，可以在保證路由基本性能要求的前提下防范多種網(wǎng)絡(luò)攻擊，提高路由的安全性能。

1 自組網(wǎng)路由協(xié)議的安全性

移動自組網(wǎng)中常用的路由協(xié)議是AODV和DSR。這兩種協(xié)議都是按需路由協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)只在通信需要時才會交換路由信息。但這些協(xié)議并沒有考慮通信的安全性，在傳輸過程中沒有保護(hù)節(jié)點(diǎn)之間的位置等信息，所有通信范圍內(nèi)的無線設(shè)備都可以獲取網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)膬?nèi)容，極易受到冒充身份、修改數(shù)據(jù)包內(nèi)容等攻擊。

對路由協(xié)議的攻擊主要分為兩類：主動攻擊和被動攻擊。被動攻擊只會偷聽網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，不會擾亂網(wǎng)絡(luò)。主動攻擊會復(fù)制、修改和刪除節(jié)點(diǎn)之間交換的數(shù)據(jù)，降低網(wǎng)絡(luò)性能甚至破壞網(wǎng)絡(luò)，影響更為惡劣。按照攻擊所使用的工具進(jìn)行分類，還可將攻擊分為外部攻擊和內(nèi)部攻擊。外部攻擊是典型的主動攻擊，試圖阻塞網(wǎng)絡(luò)、傳播錯誤路由信息甚至關(guān)閉整個網(wǎng)絡(luò)。這些攻擊通常需要采用防火墻、加密等安全措施來防范。內(nèi)部攻擊主要由惡意節(jié)點(diǎn)發(fā)起，此類攻擊更加隱蔽[18-20]。表1列出了一些常用的攻擊類型和防范措施。

對各節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和鑒別是保證通信安全性的主要途徑。常用的加密方式有hash鏈和數(shù)字簽名兩種。表2列出了現(xiàn)有的常用安全路由協(xié)議及加密方式。

2 兼顧數(shù)據(jù)完整性和機(jī)密性的安全路由協(xié)議

本文假定無線網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)連接是雙向的，所有節(jié)點(diǎn)都有同步時鐘，在寬松的時鐘同步下使用間隔密鑰。加密密鑰在節(jié)點(diǎn)之間生成和發(fā)布，這樣網(wǎng)絡(luò)中的每兩個節(jié)點(diǎn)之間都共享一個加密密鑰，如源節(jié)點(diǎn)S和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D之間共享的加密密鑰是KSD。本文采用μTESLA協(xié)議保證數(shù)據(jù)的機(jī)密性，信息認(rèn)證使用消息認(rèn)證碼和加密密鑰方式。

2.1 μTESLA協(xié)議

一般地，認(rèn)證廣播需要一個非對稱機(jī)制，然而非對稱密碼機(jī)制的運(yùn)算量大、存儲空間耗費(fèi)多，難以應(yīng)用于資源緊張的設(shè)備上。μTESLA協(xié)議采用一個延遲透露的對稱密鑰來解決上述問題，是一種高效的廣播認(rèn)證方案。在μTESLA協(xié)議中，密鑰鏈中的每一個密鑰與一個時段相對應(yīng)，該時段內(nèi)發(fā)送的所有數(shù)據(jù)包采用相同的密鑰鑒別。譬如，假設(shè)數(shù)據(jù)包P1和P2在時段1發(fā)送，采用密鑰K1加密；P3在時段2發(fā)送，采用密鑰K2加密。當(dāng)接收到這些數(shù)據(jù)包之后，首先通過一個單向函數(shù)K0=F(K1)鑒別K1，如果鑒別成功，接收端采用密鑰K1解密數(shù)據(jù)包P1和P2。同樣地，在其他時段，只要節(jié)點(diǎn)接收到前一個時段的密鑰Kj，就采用一組單向函數(shù)Ki=Fj-i(Kj)來鑒別密鑰Kj。鑒別成功則授權(quán)新的密鑰Kj，用于解密時段i和j之間接收到的所有數(shù)據(jù)包。這里，單向函數(shù)采用hash函數(shù)。

在這一策略中，將密鑰透露從數(shù)據(jù)包廣播中獨(dú)立出來，只與時段相關(guān)聯(lián)，當(dāng)前密鑰通過專有的數(shù)據(jù)包周期性地進(jìn)行廣播。

2.2 路由認(rèn)證

幾乎所有的路由攻擊都是由惡意入侵或者假冒攻擊來改變路由數(shù)據(jù)。為了阻止這些攻擊，負(fù)責(zé)解釋路由信息的每一個節(jié)點(diǎn)必須鑒別數(shù)據(jù)的原始性和完整性。本文結(jié)合密鑰和單向hash函數(shù)生成消息認(rèn)證碼，依據(jù)消息認(rèn)證碼對路由中各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行認(rèn)證。

2.2.1 路由請求

如圖1所示，源節(jié)點(diǎn)S想要建立其與目的節(jié)點(diǎn)D之間的路由，這樣源節(jié)點(diǎn)開啟朝向目的節(jié)點(diǎn)的路由發(fā)現(xiàn)，向其一跳鄰居廣播一個路由發(fā)現(xiàn)包。

每一個節(jié)點(diǎn)沿著路徑重復(fù)以上步驟，更新數(shù)據(jù)包和轉(zhuǎn)發(fā)廣播至目的節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)包中，(h0，h1，…，hn)包含了用于中間節(jié)點(diǎn)鑒別的地址和節(jié)點(diǎn)序列號信息。

2.2.2 路由應(yīng)答

當(dāng)接收到路由請求數(shù)據(jù)包之后，目的節(jié)點(diǎn)沿著相反的路徑發(fā)送一個應(yīng)答數(shù)據(jù)包（REP）給源節(jié)點(diǎn)。

第一個中間節(jié)點(diǎn)接收到從目的節(jié)點(diǎn)D到源節(jié)點(diǎn)S的應(yīng)答數(shù)據(jù)包為：

同樣地，其他中間節(jié)點(diǎn)也將自身的MAC密鑰附在REP包上，不斷地轉(zhuǎn)發(fā)給前一跳。最終，REP包到達(dá)源節(jié)點(diǎn)的形式為：

當(dāng)源節(jié)點(diǎn)接收到路由應(yīng)答包后，采用中間節(jié)點(diǎn)的MAC密鑰和HD來鑒別報文。

2.2.3 路由維護(hù)

自組織無線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)經(jīng)常變化，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可能增加或者減少，這樣路由可能中斷。當(dāng)路由中斷之后，路由錯誤報文（RERR）將從錯誤發(fā)生位置發(fā)送到源節(jié)點(diǎn)，然后初始化一個新的路由請求。

如圖2所示，假設(shè)節(jié)點(diǎn)C脫離了節(jié)點(diǎn)B的傳輸范圍，這樣節(jié)點(diǎn)B就會生成一個路由錯誤報文，并通過中間節(jié)點(diǎn)B和A發(fā)送給源節(jié)點(diǎn)A，方式為：

當(dāng)源節(jié)點(diǎn)S接收到RERR報文之后，依據(jù)中間節(jié)點(diǎn)的MAC密鑰鑒別這些MAC。鑒別成功后，源節(jié)點(diǎn)重新請求路由發(fā)現(xiàn)去尋找一個新的路由。

2.2.4 數(shù)據(jù)機(jī)密性

現(xiàn)有的自組織網(wǎng)絡(luò)安全路由協(xié)議主要關(guān)注于認(rèn)證，很少考慮路由發(fā)現(xiàn)之后的數(shù)據(jù)機(jī)密性。本文利用μTESLA協(xié)議中的單向函數(shù)保護(hù)數(shù)據(jù)的機(jī)密性。在路由階段，P通過中間節(jié)點(diǎn)的路由請求包傳送到目的節(jié)點(diǎn)，采用源節(jié)點(diǎn)和中間節(jié)點(diǎn)的加密密鑰解密。

單向函數(shù)的初始密鑰K0分布在所有節(jié)點(diǎn)之間，目的節(jié)點(diǎn)可以采用單向函數(shù)鑒別Ki，表示為：

這樣，接收端可以解碼時段i發(fā)送的所有數(shù)據(jù)包。當(dāng)時段i結(jié)束之后，密鑰Ki消失，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送新的密鑰Ki+1。目的節(jié)點(diǎn)接收包含新密鑰的報文后，仍采用單向函數(shù)鑒別密鑰Ki+1，鑒別成功后用其解密所有在i+1時段發(fā)送的數(shù)據(jù)包。

3 仿真分析

3.1 仿真環(huán)境與評價指標(biāo)

本文選用國際上通用的NS2仿真平臺[21]（主要仿真參數(shù)見表3），將本文路由協(xié)議與AODV[5]、ARAN[15]、SAODV[16]路由協(xié)議進(jìn)行對比，從抗攻擊能力方面定性對比不同協(xié)議的性能，從報文送達(dá)率、路由開銷和端到端平均時延3個方面定量評價不同協(xié)議的性能。

定量評價指標(biāo)為[22]：

(1)報文送達(dá)率：目的節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)包與實(shí)際發(fā)送的數(shù)據(jù)包的比率；

(2)路由開銷：路由包與數(shù)據(jù)包的比率；

(3)端到端平均延遲：從源節(jié)點(diǎn)發(fā)出報文到目的節(jié)點(diǎn)接收到報文所用的時間的平均值。

3.2 安全性分析

表4對比了不同方法采用的安全措施和抗攻擊能力。其中，AODV協(xié)議沒有采用安全措施，故難以抵抗各種攻擊；ARAN采用數(shù)字簽名進(jìn)行信息認(rèn)證，可以抵抗黑洞攻擊；SAODV采用數(shù)字簽名和hash鏈結(jié)合的方式進(jìn)行信息認(rèn)證，可以抵抗DOS和黑洞攻擊。本文方法除了采用密鑰和單向hash函數(shù)生成的消息認(rèn)證碼進(jìn)行信息認(rèn)證之外，還采用μTESLA協(xié)議保證數(shù)據(jù)的機(jī)密性，可以抵抗目前主流的DoS、黑洞和蟲洞3種攻擊。

3.3 性能評測

圖3顯示了4種路由協(xié)議在不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量下的報文送達(dá)率對比情況，圖4顯示了4種路由協(xié)議在不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量下的路由開銷對比情況，圖5顯示了4種路由協(xié)議在不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量下的端對端平均時延對比情況。

從圖3可以看出，節(jié)點(diǎn)數(shù)量越多，報文送達(dá)率越低。與其他方法對比，本文方法的報文送達(dá)率下降最緩慢，且當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量相同時，本文方法的報文送達(dá)率高于其他方法。

從圖4可以看出，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，4種方法的路由開銷也都增大，但本文方法的增速較慢，且當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量超過50之后本文方法的路由開銷最小。

從圖5可以看出，端到端平均時延也會隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而增大。本文方法的平均時延低于ARAN和SAODV兩種增加安全措施的路由協(xié)議，盡管高于AODV協(xié)議的端到端平均時延，但安全性能得到了很大提升。

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于MAC和μTESLA的安全路由協(xié)議，可以解決現(xiàn)有移動自組網(wǎng)安全路由協(xié)議難以兼顧數(shù)據(jù)完整性和機(jī)密性的難題。該方法包括兩個部分：(1)信息認(rèn)證，主要措施是采用單向hash函數(shù)和密鑰生成消息認(rèn)證碼，依據(jù)消息認(rèn)證碼進(jìn)行信息認(rèn)證，保護(hù)數(shù)據(jù)的完整性；(2)數(shù)據(jù)機(jī)密性保護(hù)，采用μTESLA協(xié)議傳輸加密后的數(shù)據(jù)包，該協(xié)議采用對稱密鑰的延遲透露策略實(shí)現(xiàn)非對稱密碼機(jī)制，可以有效降低廣播認(rèn)證的資源消耗。通過與現(xiàn)有的AODV、ARAN和SAODV等主流路由協(xié)議進(jìn)行定性和定量對比分析，證實(shí)本文方法不僅抗攻擊能力強(qiáng)于其他路由協(xié)議，而且報文送達(dá)率、路由開銷和端到端時延等路由評價指標(biāo)也優(yōu)于其他路由協(xié)議。