摘要：

針對現有移動自組網安全路由協議難以兼顧數據完整性和機密性的問題，提出了一種結合數據完整性保護和數據機密性保護的安全路由協議。在數據完整性保護方面，采用單向hash函數和密鑰生成消息認證碼，鑒別路由中數據的完整性；在數據機密性保護方面，采用μTESLA協議傳輸加密數據包，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制，降低認證廣播的資源消耗。仿真實驗表明，該方法不僅在安全性方面優于現有的路由協議，而且在報文送達率、路由開銷和端到端平均時延評價指標上也優于現有路由協議。

0 引言

移動自組網（Mobile Ad Hoc Network，MANET）由許多可以相互通信的移動設備組成，網絡中的節點可以自由移動，形成一個無縫連接的自組織網絡，其不需要任何基礎通信設施協助，在軍事通信、救災搶險、環境監測等領域有著廣泛應用[1]。由于MANET網絡中的節點可以自由移動，導致網絡的拓撲結構經常變化，通信鏈路存在中斷風險，導致包丟失率增大。當路由中斷后，重新尋找路由需要耗費時間，造成端到端傳輸時延增大，并降低了網絡的吞吐量。同時，由于MANET網絡中的設備的功率、內存和存儲容量有限，網絡中的所有設備需要共享帶寬，這要求路由設計時需考慮能量損耗問題。因此，最優路由選擇是目前移動自組網面臨的主要挑戰[2-4]。

目前，結合MANET的網絡特性，已提出了許多有意義的路由協議，如AODV[5-8]、DSR[9-11]等。這些路由協議結合報文送達率、端到端傳輸時延、包丟失率、網絡吞吐量等性能指標，提出了最優的路由選擇策略。在多跳網絡中，各個節點無法獨立完成數據傳輸任務，多節點之間的通信極易受到攻擊，安全性成為移動自組網路由協議亟待解決的重要問題之一[12]。

為增強路由協議的安全性，許多路由協議對各節點發送和接收的數據進行加密和鑒別。如SEAD[13]路由協議采用單向hash鏈鑒別路由表更新報文中的序列號等信息，驗證報文的可靠性。Ariadne[14]在DSR路由協議的基礎上增加數字簽名技術，可以阻止多種類型的拒絕服務（Denial of Service，DoS）攻擊。ARAN[15]在AODV路由協議的基礎上采用公共密鑰加密和鑒別IP地址，防止路由被復制。SAODV[16]也是在AODV路由協議上增加安全措施來增強路由的安全性，具體是采用數字簽名鑒別報文的不變部分，采用hash鏈保護跳數信息。然而，現有的安全路由協議主要關注信息認證，而忽略了路由發現之后數據的機密性。

本文提出一種兼顧數據完整性和機密性的安全路由協議，采用消息認證碼（MAC）和加密密鑰算法認證源節點、目的節點和中間節點，采用μTESLA協議[17]保護數據的機密性，采用單向hash函數降低帶寬占用率和運算復雜度，可以在保證路由基本性能要求的前提下防范多種網絡攻擊，提高路由的安全性能。

1 自組網路由協議的安全性

移動自組網中常用的路由協議是AODV和DSR。這兩種協議都是按需路由協議，網絡中的節點只在通信需要時才會交換路由信息。但這些協議并沒有考慮通信的安全性，在傳輸過程中沒有保護節點之間的位置等信息，所有通信范圍內的無線設備都可以獲取網絡中傳輸的內容，極易受到冒充身份、修改數據包內容等攻擊。

對路由協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絡中傳輸的數據，不會擾亂網絡。主動攻擊會復制、修改和刪除節點之間交換的數據，降低網絡性能甚至破壞網絡，影響更為惡劣。按照攻擊所使用的工具進行分類，還可將攻擊分為外部攻擊和內部攻擊。外部攻擊是典型的主動攻擊，試圖阻塞網絡、傳播錯誤路由信息甚至關閉整個網絡。這些攻擊通常需要采用防火墻、加密等安全措施來防范。內部攻擊主要由惡意節點發起，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。

對各節點發送和接收的數據進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鏈和數字簽名兩種。表2列出了現有的常用安全路由協議及加密方式。

2 兼顧數據完整性和機密性的安全路由協議

本文假定無線網絡中的網絡連接是雙向的，所有節點都有同步時鐘，在寬松的時鐘同步下使用間隔密鑰。加密密鑰在節點之間生成和發布，這樣網絡中的每兩個節點之間都共享一個加密密鑰，如源節點S和目標節點D之間共享的加密密鑰是KSD。本文采用μTESLA協議保證數據的機密性，信息認證使用消息認證碼和加密密鑰方式。

2.1 μTESLA協議

一般地，認證廣播需要一個非對稱機制，然而非對稱密碼機制的運算量大、存儲空間耗費多，難以應用于資源緊張的設備上。μTESLA協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證方案。在μTESLA協議中，密鑰鏈中的每一個密鑰與一個時段相對應，該時段內發送的所有數據包采用相同的密鑰鑒別。譬如，假設數據包P1和P2在時段1發送，采用密鑰K1加密；P3在時段2發送，采用密鑰K2加密。當接收到這些數據包之后，首先通過一個單向函數K0=F(K1)鑒別K1，如果鑒別成功，接收端采用密鑰K1解密數據包P1和P2。同樣地，在其他時段，只要節點接收到前一個時段的密鑰Kj，就采用一組單向函數Ki=Fj-i(Kj)來鑒別密鑰Kj。鑒別成功則授權新的密鑰Kj，用于解密時段i和j之間接收到的所有數據包。這里，單向函數采用hash函數。

在這一策略中，將密鑰透露從數據包廣播中獨立出來，只與時段相關聯，當前密鑰通過專有的數據包周期性地進行廣播。

2.2 路由認證

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據。為了阻止這些攻擊，負責解釋路由信息的每一個節點必須鑒別數據的原始性和完整性。本文結合密鑰和單向hash函數生成消息認證碼，依據消息認證碼對路由中各節點進行認證。

2.2.1 路由請求

如圖1所示，源節點S想要建立其與目的節點D之間的路由，這樣源節點開啟朝向目的節點的路由發現，向其一跳鄰居廣播一個路由發現包。

每一個節點沿著路徑重復以上步驟，更新數據包和轉發廣播至目的節點。數據包中，(h0，h1，…，hn)包含了用于中間節點鑒別的地址和節點序列號信息。

2.2.2 路由應答

當接收到路由請求數據包之后，目的節點沿著相反的路徑發送一個應答數據包（REP）給源節點。

第一個中間節點接收到從目的節點D到源節點S的應答數據包為：

同樣地，其他中間節點也將自身的MAC密鑰附在REP包上，不斷地轉發給前一跳。最終，REP包到達源節點的形式為：

當源節點接收到路由應答包后，采用中間節點的MAC密鑰和HD來鑒別報文。

2.2.3 路由維護

自組織無線網絡的拓撲結構經常變化，網絡中的節點可能增加或者減少，這樣路由可能中斷。當路由中斷之后，路由錯誤報文（RERR）將從錯誤發生位置發送到源節點，然后初始化一個新的路由請求。

如圖2所示，假設節點C脫離了節點B的傳輸范圍，這樣節點B就會生成一個路由錯誤報文，并通過中間節點B和A發送給源節點A，方式為：

當源節點S接收到RERR報文之后，依據中間節點的MAC密鑰鑒別這些MAC。鑒別成功后，源節點重新請求路由發現去尋找一個新的路由。

2.2.4 數據機密性

現有的自組織網絡安全路由協議主要關注于認證，很少考慮路由發現之后的數據機密性。本文利用μTESLA協議中的單向函數保護數據的機密性。在路由階段，P通過中間節點的路由請求包傳送到目的節點，采用源節點和中間節點的加密密鑰解密。

單向函數的初始密鑰K0分布在所有節點之間，目的節點可以采用單向函數鑒別Ki，表示為：

這樣，接收端可以解碼時段i發送的所有數據包。當時段i結束之后，密鑰Ki消失，源節點發送新的密鑰Ki+1。目的節點接收包含新密鑰的報文后，仍采用單向函數鑒別密鑰Ki+1，鑒別成功后用其解密所有在i+1時段發送的數據包。

3 仿真分析

3.1 仿真環境與評價指標

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

定量評價指標為[22]：

(1)報文送達率：目的節點接收到的數據包與實際發送的數據包的比率；

(2)路由開銷：路由包與數據包的比率；

(3)端到端平均延遲：從源節點發出報文到目的節點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協議沒有采用安全措施，故難以抵抗各種攻擊；ARAN采用數字簽名進行信息認證，可以抵抗黑洞攻擊；SAODV采用數字簽名和hash鏈結合的方式進行信息認證，可以抵抗DOS和黑洞攻擊。本文方法除了采用密鑰和單向hash函數生成的消息認證碼進行信息認證之外，還采用μTESLA協議保證數據的機密性，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種路由協議在不同節點數量下的報文送達率對比情況，圖4顯示了4種路由協議在不同節點數量下的路由開銷對比情況，圖5顯示了4種路由協議在不同節點數量下的端對端平均時延對比情況。

從圖3可以看出，節點數量越多，報文送達率越低。與其他方法對比，本文方法的報文送達率下降最緩慢，且當節點數量相同時，本文方法的報文送達率高于其他方法。

從圖4可以看出，隨著節點數量的增加，4種方法的路由開銷也都增大，但本文方法的增速較慢，且當節點數量超過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點數量的增加而增大。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議，盡管高于AODV協議的端到端平均時延，但安全性能得到了很大提升。

4 結束語

本文提出了一種基于MAC和μTESLA的安全路由協議，可以解決現有移動自組網安全路由協議難以兼顧數據完整性和機密性的難題。該方法包括兩個部分：(1)信息認證，主要措施是采用單向hash函數和密鑰生成消息認證碼，依據消息認證碼進行信息認證，保護數據的完整性；(2)數據機密性保護，采用μTESLA協議傳輸加密后的數據包，該協議采用對稱密鑰的延遲透露策略實現非對稱密碼機制，可以有效降低廣播認證的資源消耗。通過與現有的AODV、ARAN和SAODV等主流路由協議進行定性和定量對比分析，證實本文方法不僅抗攻擊能力強于其他路由協議，而且報文送達率、路由開銷和端到端時延等路由評價指標也優于其他路由協議。