移动Ad hoc网络关键技术的研究.docx
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移动Adhoc网络关键技术的研究
滁州学院
论文设计报告
课程名称:
无线网络技术
题目:
移动Adhoc网络关键技术的研究
系别:
计算机与信息工程学院
专业:
计算机科学与技术
年级:
姓名:
学号:
指导教师:
计算机与信息工程学院二○一二年制
引言
Ad-Hoc(点对点)模式:
ad-hoc模式就和以前的直连双绞线概念一样,是P2P的连接,所以也就无法与其它网络沟通了。
一般无线终端设备像PMP、PSP、DMA等用的就是ad-hoc模式。
在家庭无线局域网的组建,我想大家都知道最简单的莫过于两台安装有无线网卡的计算机实施无线互联,其中一台计算机连接Internet就可以共享带宽。
如下图1所示,一个基于Ad-Hoc结构的无线局域网便完成了组建。
图1Ad-Hoc结构的无线局域网
AdHoc源于拉丁语,意思是“forthis”引申为“forthispurposeonly”,即“为某种目的设置的,特别的”意思,即Adhoc网络是一种有特殊用途的网络。
IEEE802.11标准委员会采用了“Adhoc网络”一词来描述这种特殊的自组织对等式多跳移动通信网络,Adhoc网络就此诞生。
我们经常提及的移动通信网络一般都是有中心的,要基于预设的网络设施才能运行。
例如,蜂窝移动通信系统要有基站的支持;无线局域网一般也工作在有AP接入点和有线骨干网的模式下。
但对于有些特殊场合来说,有中心的移动网络并不能胜任。
Adhoc网络的前身是分组无线网(PacketRadioNetwork)。
对分组无线网的研究源于军事通信的需要,并已经持续了近20年。
在Adhoc网络中,结点具有报文转发能力,结点间的通信可能要经过多个中间结点的转发,即经过多跳(MultiHop),这是Adhoc网络与其他移动网络的最根本区别。
结点通过分层的网络协议和分布式算法相互协调,实现了网络的自动组织和运行。
因此它也被称为多跳无线网(MultiHopWirelessNetwork)、自组织网络(SelfOrganizedNetwork)或无固定设施的网络(InfrastructurelessNetwork)。
Adhoc网络的特点:
无中心、无组织、多跳路由、动态拓扑。
Adhoc网络的设计
在看到Adhoc网络优良特性的同时还应注意到设计和应用该网络面临的诸多困难。
随时变化的链路特性和网络拓扑、节点的移动性、受限的链路带宽和节点能量、恶劣的无线环境和安全性都是我们必须面对的问题。
因此,必须仔细考虑节点的硬件设计(小型化、智能化和节能化)和协议栈的各个层次。
在物理层,要解决衰落、多径干扰、功率控制等无线通信经常遇到的问题。
在数据链路层,要解决多跳共享的广播信道的有效接入问题。
网络层需要特殊的路由协议来维护网络动态变化的拓扑信息。
在传输层,要解决无线环境下传输层的效率问题。
应用层要具有一定的自适应流量控制功能。
并且还要考虑协议栈各个层次的紧密协作,以适应网络条件和应用需求的变化。
此外,网络的自组织特性、无中心控制、易配置性和可编程性等特征都对协议的设计提出了新的特殊的要求。
也就是说,Adhoc网络的设计需要综合考虑资源效率、能量保护、信道接入、路由和资源分配等问题并进行合理的折衷。
Adhoc网络一方面作为自治系统,有自身特殊的路由协议和网络管理机制;另一方面作为Internet在无线和移动范畴的扩展和延伸,它又必须能够提供到Internet的无缝的接入机制。
当前Internet已经可以在一定程度上保证综合业务传输的服务质量,近年来随着多媒体应用的普及和Adhoc网络在商业应用的进展,人们很自然地会产生在Adhoc网络上传送综合业务的需求,并且希望能像固定的有线网络一样为不同业务的服务质量提供保障,因此Adhoc网络对QoS保障的支持显得越来越迫切和重要。
但是与固定的有线网络不同,在Adhoc网络中提供QoS支持将面临许多不同于传统网络的新问题和挑战。
当前Adhoc研究的主要问题
Adhoc网络是一种动态变化的基于无线信道的自组织网络,它的体系结构、QoS保障和应用等问题比较复杂并难以实现。
传统固定网络和蜂窝移动通信网中使用的各种协议和技术无法被直接使用,因此需要为Adhoc网络设计专门的协议和技术。
1)信道接入技术:
信道接入技术控制着节点如何接入无线信道,对Adhoc网络的性能起着决定性的作用。
Adhoc网络的无线信道不同于普通网络的共享广播信道、点对点无线信道和蜂窝移动通信系统中由基站控制的无线信道,它是多跳共享的多点信道。
此外,Adhoc网络还存在隐终端、暴露终端和入侵终端等问题[14]。
2)路由协议:
路由协议是Adhoc网络的重要组成部分。
要实现无线多跳路由,必须要有专用路由协议的支持。
IETF成立的MANET工作组目前主要负责Adhoc网络IP层路由的标准化工作。
3)网络体系结构:
早期的Adhoc网络主要是为数据业务设计的,没有对体系结构作过多考虑,但是当Adhoc网络需要提供多种业务和支持一定的服务质量保障时,就应当考虑如何选择最为合适的体系结构,并需要对原有的协议栈进行重新设计。
4)服务质量保证:
Adhoc网络出现初期主要用于传输少量的数据信息。
随着应用的不断扩展,需要在Adhoc网络中传输多媒体信息。
多媒体信息对带宽、时延、时延抖动等都提出了很高的要求。
这就需要提供一定的服务质量保证。
Adhoc网络中的服务质量保证是个系统性问题,不同层都要提供相应的机制。
它的研究至今仍是一个开放问题。
5)广播和多播:
由于Adhoc网络的特殊性,广播和多播问题也变得非常复杂,它们需要链路层和网络层的支持。
目前这个问题的研究已经取得了阶段性进展[15]。
6)安全问题:
Adhoc网络的特点之一就是安全性较差,易受窃听和攻击。
因此,需要研究适用于Adhoc网络的安全体系结构和安全技术。
7)网络管理:
网络管理的范围较广,包括Adhoc网络中的移动性管理、地址管理、服务管理等。
要有相应的机制解决节点定位、地址自配置等问题。
8)能耗节省机制:
可以采用自动功率控制机制来调整移动节点的功率,以便在传输范围和干扰之间进行折衷;还可以通过切换到休眠模式、采用功率意识路由、使用功耗很小的硬件来减少节点的能量消耗。
移动Adhoc网络关键技术
路由技术
目前在Internet中常用的内部网关路由协议主要有两种:
一种是基于距离矢量的路由协议(如RIP);一种是基于链路状态的路由协议(如OSPF协议).这两类协议都是针对固定网络而设计的,它们都需要周期性地交换信息来维护网络正确的路由表或网络拓扑结构图.考虑到AdHoc网络带宽较窄,拓扑变化频繁等因素,这些传统的用于固定网络的路由协议不适用于AdHoc网络,主要体现在以下几个方面:
1)动态变化的网络拓扑结构.这些变化主要体现在结点加入,离开网络以及链路权值系数的变化.而对于常规有线网络,网络拓扑结构则表现较为稳定,拓扑结构的变化通常是由于链路状态的变化(如链路拥塞,或是设备故障等)而引起的.
2)周期性地广播拓扑信息会占用大量的无线信道资源,耗费电池能源,将会严重降低系统性能.尤其是在拓扑变化频繁的AdHoc网络环境中,可能在路由算法还未收敛时,网络的拓扑结构又发生了变化.
3)单向的无线传输信道.在传统的网络路由协议中,通常认为结点间的链路是对称的双向链路.而在AdHoc网络中,由于无线收发设备不同或周围环境对无线信道的影响,可能会造成单向的无线传输信道.
路由协议包括传播拓扑变化信息和计算到目标节点的更新路由两部分。
路由协议按照其路由机制可分为基于路由表的路由协议(Table-driven)、根据需要的源路由(On-demandsourceroutiong)以及两者的混合方式3类。
基于路由表的路由协议根据拓扑的变化连续地更改网络中的陆由,可保证一旦有分组要传送,需要的路由已经存在并可立即采用。
这类路由协议要求每个节点维护一个或多个表存储路由信息,采用该路由机制的不同协议的区别在于所要维护的路由表的数目以及广播网络结构变化的方法。
典型的路由表路由协议有目的排序的距离矢量路由(DSDV)、簇头网关交换路由(CGSR)、无线路由协议(WRP)等。
根据需要的源路由协议只有当需要传送分组,且无到达目标节点的路由时才启动路由发现协议。
与前一种路由方式相比,根据需要的源路由在发送分组之前要进行全网或局部的路径搜索,因而会有相当长的时延,但因不用进行频繁的路由更新,故其路由信令信息占用带宽小、效率高。
典型的根据需要的源路由协议有AdHoc按需距离矢量路由(AODV)、动态源路由(DSR)、暂时排序路由算法(TORA)、基于联系的路由(ABR)及信号稳定性路由(SSR)等,其路由发现方法具有更大的灵活性和多样性。
为了满足延时及有效性的折衷要求,某些网络结构如分层网络结构(包括主节点层和从属节点层等)会采用两种路由机制的混合方式,例如在主节点层采用基于路由表的路由协议,而在主节点控制范围内采用根据需要的源路由协议,反之亦可,这样可提高网络路由的可扩展性。
无论是那种路由机制,其路由设计的目标均可包括以下几点:
分布式实现;有效利用网络带宽,及尽量减少控制信令;有效利用电池容量;快速路由更新;保证无迂回路由;优化路由选择依据,路由选择依据依网络优化的目标不同包括最大化端到端吞吐量、最小化端到端延时、最短路径/最小hop数、最小功耗、负荷平衡(及最少拥塞路径)、最小冗余(有效利用带宽)、自适应动态拓扑变化等;可支持单向链路,有些因素如链路的不对称性和信号干扰等会造成链路的单向特性,设计可运行于单向链路的路由算法会具有更广的应用适应性。
AdHoc移动网络路由协议按照发现路由的策略可以分为两类:
(1)预先路由。
网络中的主机通过周期性交互路由信息得到所有其它主机的路由,大多数的传统路由采用这种机制。
(2)按需路由。
主机只查找和维护自己需要使用的路由,而不是到所有主机的路由。
预先路由中主机之间要不断地交互路由信息,会占用大量的网络带宽,交换的这些路由中有许多路由信息可能并不需要,这些无用信息浪费了有限的网络资源。
因此,预先路由方法不太适合AdHoc移动网络的特性,按需路由很好地解决了这些问题,主机之间不需要周期性地交互路由信息,主机只在需要某个路由时才进行查找和维护。
目前提出的AdHoc路由协议大多采用按需路由方式。
AdHoc按需路由一般包含两个阶段:
路由查找和路由维护。
路由查找一般采用询问/回答方式,当主机S要发送数据给D时,S首先检查是否有到D的路由,若有,则按需路由发送数据,否则S发送路由请求报文,查找需要的路由,主机D或沿途有到D路由信息的主机收到请求报文后,会发送回答给S,S由此获得路由。
路由维护是指当某个链路断开导致相应的路由实效时,主机通知路由源或重新查找路由,以免使用失效路由发送数据而造成数据的丢失,目前一般使用按需维护,即当主机需要使用失效路由时,才通知相应的源主机路由失效,由此减小路由维护的开销。
主机一般使用主动应答、被动应答或周期性的广播报文来检测链路是否断开,主动应答是指主机收到报文后要向发送该报文的邻近主机(上游主机)发应答。
被动应答是指主机通过监听下游主机发送的数据信息来确定它们之间的链路是否仍然存在。
周期性的广播是指主机周期性的向所有邻居发报文,若主机在给定时间内没有收到某个邻居的广播报文,则认为它们之间的链路断开。
目前提出的具有代表性AdHoc按需路由主要有:
1平面泛洪路由:
DSR,ABR,AODV和ZRP;
2平面受限路由:
LAR和RDMAR;
3层次路由;
4按需路由协议分析和优化考虑。
QoS提供技术
随着实时音频,视频,数据等业务向移动AdHoc网络的引入,由于网络拓扑,节点间的连通性,端对端的服务质量随时间的变化特性,使得如何为移动AdHoc网络提供服务质量保证的问题成为研究热点.
为移动AdHoc网络提供服务质量保证的关键问题是移动AdHoc网络的QoS路由问题.QoS路由不仅要找到一条从源到目的的路径,而且要使这条路径满足端到端的服务质量要求,这一服务质量经常是以带宽或延迟给出的.移动AdHoc网络服务质量保证比其它类型的网络更难实现,因为无线带宽要在相邻节点之间分配,网络拓扑随着节点的移动而变化.这就需要节点间的广泛协作,既要建立路由又要保护所需的资源以提供QoS.
移动AdHoc网络的动态拓扑和动态链路容量使业务的QoS具有不稳定和不可预测性,目前对着方面的研究总体上可分为两类:
一类是将QoS提供相关的资料预留等操作与路由协议捆绑进行,在业务未传送前先建立一条或多条满足其QoS要求的虚电路;另一类是将两者分开。
(1)路由协议和QoS提供分开的QoS提供技术
INSIGNIA是IETF专为移动AdHoc网络提供QoS支持而建议的信令系统,该系统包括很多协议命令,可实现快速资源预留、快速释放和端到端的自适应机制。
其命令采用带内传输方式,在需传送报文的IP选择域进行编码,数据分组经过中间节点时,中间节点检查分组的IP选择域,获得预留命令,并根据本地链路状态修改预留状态,从而实现全路径的软状态预留。
由此可见,INSIGNIA是一种基于IP的QoS实现框架。
资源的释放采用软状态定时器管理方法,路由上的节点只有在周期性地收到特定流的分组时重置软状态定时器并保持预留状态,当路由变化或会话结束时,旧路由上的节点收不到该特定流的分组导致软状态定时器溢出时预留资源被自动释放,这种定时器控制的自动资源释放非常适合移动AdHoc网络,因为旧路由上的某些节点已经远离了网络范围,所以不可能采用节点间信令对其进行控制。
INSIGNIA还支持端到端的流自适应,并可动态监控网络条件,当条件发生变化时,能够根据用户给定的自适应策略对流质量进行自适应控制。
INSIGNIA将路由和QoS信令分开使得建议的机制可操作于多种路由之上。
(2)将QoS提供和路由协议捆绑的QoS提供技术——QoS路由
QoS路由的思路是搜索拥有可满足业务的QoS要求的足够资源的路由,同时进行资源预留。
将路由选择和资源预留相结合进行,可避免找到的路由不能满足业务的QoS时造成质量下降或需重新搜索路由的问题。
但QoS路由实现复杂,即使在节点固定的Internet中也是个难题。
不同类型的业务对延时、带宽及包丢失性能的要求差异很大,加上网络负荷的动态变化,很难判断一条链路是否满足QoS的要求,而且路由计算不能占用太多时间,所以必须降低路由协议的复杂度,通常采用次优化算法。
例如顺序滤除法,首先根据一条限制,如带宽搜索路径,再在所得的路径中根据第二条限制,如延时要求进行搜索直到找到所有限制均满足的路径,如果这样的路径有多条,可随机选择一条,或全部记录下来作为备用路径,以在所选路径条件不满足时进行快速切换。
选择了路径后需进行资源预留,预留的资源将保持到流结束,所以路由上的各链路都必须重新计算剩余链路容量,并作为拓扑更新信息的一项广播给所有其他节点。
与第一类QoS提供的方法相比,QoS路由的计算复杂度和网络控制冗余大,且资源管理与特定路由协议相关,不具有可移植性。
目前QoS路由的优先级提供、多业务支持及多播等是实现的难中之难。
目前,为移动AdHoc网络提供QoS支持的有三种不同的QoS路由策略
(1)使用MAC层的TDMA资源管理;
(2)使用普通的QoS测量;(3)使用CDMA进行不同传输之间的冲突避免.
AdHoc网络的安全问题和安全策略
安全问题
由于AdHoc网络的特殊性,所以我们必须考虑其安全特性,这样才能建立一个安全的AdHoc网络。
在传统网络存在的安全问题在AdHoc网络中同样存在,而且由于AdHoc网络的特殊性,AdHoc网络又面临着许多新的安全威胁。
在AdHoc网络中主要有以下的安全问题:
(1)可用性
可用性就是指网络服务对用户而言必须是可用的,也就是确保网络节点在受到各种网络攻击时仍然能够提供相应的服务。
这里的网络攻击主要是指拒绝服务攻击。
在AdHoc网络中拒绝服务可以发生在任何一层上:
在物理层和媒体接入层,攻击者可以通过无线干扰来扰乱物理通信信道;在网络层,攻击者可以攻击路由协议;在高层,攻击者可以攻击各种高层服务。
针对AdHoc网络还有一种叫做“剥夺睡眠”的特殊的攻击,这种攻击使得移动节点的电池很快耗尽,从而达到拒绝服务的目的。
(2)机密性
机密性保证相关信息不泄漏给未授权的用户或实体。
由于AdHoc网络采用的是无线信道,所以更容易受到窃听攻击。
所以在网络中传输的敏感信息,比如军事敏感信息,都要保证其机密性。
特别是路由信息也要在一定程度上保证其机密性,因为在战场上路由信息的泄漏会使敌方能够判断出移动节点的标识和位置。
(3)完整性
完整性保证信息在传输的过程中没有破坏或中断。
这种破坏或中断包括网络上的恶意攻击和无线信号在传播的过程中的衰弱以及人为的干扰。
(4)认证
一个移动节点需要通过认证来确保和它通信的通信对端就是真正的通信对端,也就是说要确认通信对端的身份。
如果没有认证,那么网络攻击者就可以假冒网络中的某个节点来和其它的节点进行通信,那么他就可以获得那些未被授权的资源和敏感信息,并以此威胁整个网络的安全。
(5)不可否认性
不可否认性保证一个节点不能否认其发送出去的信息。
这样就能保证一个移动节点不能抵赖它以前的行为。
在战场上如果被占领的节点发送了错误的信息,那么收到该信息的移动节点就可以利用不可否认性来通知其它节点该节点已被占领。
路由协议的安全威胁
在AdHoc网络的安全问题中,路由协议的安全尤为重要。
由于网络拓扑的变化(见图1),使得AdHoc网络的路由协议设计较为复杂,同时也带来了许多新的安全威胁。
已在Internet草案中见到的AdHoc网络的路由协议有TORA、AODV、DSR、OLSR和ZRP等,但这些路由协议极少考虑其安全问题。
而AdHoc网络的路由协议却是网络攻击的主要目标。
对路由协议的攻击可分为两类:
被动攻击和主动攻击。
(1)被动攻击
对被动攻击,攻击者并不去干扰正常的路由协议,而仅仅窃听路由数据。
由于AdHoc网络使用的是无线信道,所以这种攻击比较隐蔽,一般无法检测到。
攻击者通过分析窃听到的路由数据就可能得到有用的信息。
比如,如果去往某个特定节点的路由请求比到其它节点的路由请求要频繁,那么攻击者就可以认为该特定节点比较重要。
如果确实如此,那么对该节点的攻击就会威胁整个网络的安全和性能。
另外,路由数据还会暴露节点的位置,或者说至少会暴露一定的网络拓扑信息。
(2)主动攻击
主动攻击就是网络攻击者通过向网络发送数据包来达到攻击的目的。
比如攻击者向网络广播一些特定的消息,使得别的节点以为经过该节点的路径最短或代价最小,这样受到攻击的节点都会将数据包发送给该节点,从而形成一个吸收数据的“黑洞”;攻击者也可以通过不停地发送虚假路由信息使得被攻击的节点的路由表溢出,从而使得正常的路由信息无法及时更新;攻击者还可以发送错误的路由信息和重放旧的路由信息,使网络出现分割和拥塞。
安全策略
安全策略的目标是建立一个安全的AdHoc网络。
针对不同的AdHoc网络环境,需要有不同的安全策略。
1.基于口令认证的密钥交换
假设人们要在一个房间(或者在较小的区域)内召开AdHoc网络会议,他们之间很熟悉和相互信任。
另外,他们没有用作彼此身份认证的公共密钥,他们仅仅共享了一个弱密钥。
为了保护在无线信道上传输的所有数据,这时的安全策略是使所有与会者通过一种安全的途径来协商密钥,从而产生一个强的会话密钥。
为了实现这种安全策略,本文提出一种基于口令认证的密钥交换方案,该方案基于Diffie-Hellman密钥交换及其扩展,使所有与会者共同参与会话密钥的产生。
实现方案如下所示:
假设所有与会者的标识为x1,x2,…,xN(N≥2),且共享一个密钥S。
设p是素数,q为(2p+1)且为素数,(是Zq*的生成元,q和(公开。
ES(…)为用S作密钥的一种对称加密算法。
H(…)表示一种单向散列函数。
Step1.
fori:
=1toN-1do
(1)xi随机选择ri,riZq*。
(2)xi计算并发送给xi+1:
ES({,H()|j=1,2,…i},,H())。
Step2.
(1)xN随机选择rN,rNZq*。
(2)xN向所有的xi广播:
ES(,H()|i=1,2,…,N-1)。
最后所有的xi计算:
()(xi=1,2,…,N),那么该方案将产生一个强的会话密钥。
能得到这个结果说明x1,x2,…,xN都知道密钥S,从而与会者之间进行了口令认证,并且中间结果都使用单向散列函数H(…)进行了完整性检测。
最终的会话密钥的产生是由所有与会者的共同参与下产生的,而不是由少数与会者产生。
本方案的安全性源于在有限域上计算离散对数比计算指数更为困难。
2.基于信任分散的安全策略
当网络环境进一步扩大,就需要建立一种可信任第三方的认证机制。
在这种机制下,所有的节点都拥有一个公开/秘密密钥对,他们彼此用公开密钥来鉴别对方,为了保证公开密钥的真实性,需要有一个可信任的实体来管理所有的公开密钥,这个可信任实体叫做证书授权机构(CA)。
这个可信的CA给每个节点分配一个唯一的标识并签发一个包含标识和节点公开密钥的证书。
CA本身有一个公开/秘密密钥对,并且所有的节点都知道CA的公开密钥,所有的节点都利用CA进行认证。
然而在AdHoc网络中所有的节点都容易受到攻击,也容易被俘获。
如果在AdHoc网络中采用一个CA来管理整个网络节点的公开密钥的话,那么这个CA节点要是被俘获了,整个网络也就崩溃了。
所以这时的安全策略就是:
将这种对一个CA的信任分散到对若干个节点的共同信任,即信任分散。
门限密码方案通过秘密共享解决了信任分散问题。
秘密共享就是将系统的秘密s分解为n个部分秘密s1,s2,…,sn。
这n个部分秘密分别由系统的n个成员拥有,使得任意的不少于t(t≤n)个的成员可以从他们掌握的部分秘密中共同恢复出系统的秘密s,而任意少于t个的成员则无法恢复出系统的秘密s,这就是(t,n)门限密码方案。
有了门限密码方案,并利用RSA体制,我们就可以形成一个适合AdHoc网络的基于信任分散的安全策略。
该安全策略模型如图2所示。
图2基于信任分散的安全策略模
该模型由两部分组成:
(t,n)门限RSA数字签名系统(TRSADSS)和普通节点。
本文只考虑全网有一个TRSADSS的情况,当然也可以有多个这样的分级的数字签名系统来负责全网的证书的分发。
该TRSADSS由n个节点组成:
S1,S2,…,Sn。
它们共同拥有签名系统的公开/秘密密钥对K/k;其中公开密钥K为全网所有节点共知,而秘密密钥k则被分为s1,s2,…,sn共n个部分,分别为S1,S2,…,Sn拥有。
另外S1,S2,…,Sn分别有自己的公开/秘密密钥对K1/k1,K2/k2,…,Kn/kn,并且每一个节点都存储了网络中其它节点的公开密钥,也包括了K1,K2,…,Kn。
最后我们假设在一段时间内,该系统最多有t-1个节点被占领(这里需要n≥2t-1,因为即使t-1个节点被占领,剩下的t个节点仍然可以完成签名工作)。
图3.6.1中只给出了两个节点A和B通信的情况,当然从该模型可以很方便地扩充到若干个节点的情况。
A和B的公开/秘密密钥对分别为:
KA/kA和KB/kB。
当A和B要通信时首先要相互认证。
于是有下面的(t,n)门限算法:
收到A或B的查询请求时(即查询与通信对方节点绑定的公钥),TRSADSS查找该绑定的公钥,找到后,将该公钥发送给请求的节点。
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