Ttl字段的编制方法及基于ttl的无线传感网络安全路由方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于信息安全、下一代IP通信网络与无线传感器网络技术的交叉领域，具 体设及生存时间值灯imeToLive,TTL)字段的编制方法及基于TTL的无线传感网络安全 路由方法。
【背景技术】
[0002] 无线传感器网络（WirelessSensorNetworks,WSN)是在当今社会上备受关注的、 多学科交叉的研究领域，在未来人类生活中的方方面面将起着不可或缺的作用。随着无线 通信技术的飞速发展及无线应用领域的扩大，基于IP通信的无线传感器网络日渐成为互 联网领域研究的热点之一。IPv6技术的出现及Zigbee联盟的工作，大力推动了基于IP通 信的无线传感器网络的发展。无线传感器网络由于受限于自身的资源和使用的外部环境， 在传输数据的可靠性，安全性和工作的持续性上一直难W取得一个很好的平衡。由于硬件 条件的限制，无线传感器节点无论是能量，还是其处理能力、存储能力都受到极大的制约。 近年来，考虑到无线传感器网络在军事，医疗，交通，矿产开采等方面的广泛运用，一旦数据 被截获并加W恶意利用，将会严重影响人们的生命财产安全。因此，基于IP的无线传感器 网络的安全问题和相关技术越来越得到研究者们的关注。但是，受限于无线传感器网络对 于资源的苛刻要求，采用传统无线网络中的密钥体制进行加解密运算或者数字签名，将过 快地消耗传感网节点的能量。为了保证无线传感器节点的工作寿命，不应提倡进一步增加 除了传输数据本身W外的传输任务。
[0003] 特别地，在无线移动传感器网络中，可移动节点本身具有很大的安全漏桐。攻击者 可W将合法的移动节点的本地地址与其自身的IP地址绑定，从而使得网络中原本应该发 送给某合法节点的数据流向攻击者期望的节点。当网络中新节点加入时，攻击者还可W将 自己的IP地址声明为Sink节点地址并通知新节点，使得新节点在传输数据的过程中都误 将攻击者作为通信的中继节点，从而使得攻击者能够成功窃取通信数据。此外，攻击者也可 W事先和一个流量非常大的服务器（如图像服务器）建立连接，然后将服务器发送的数据 包中的目的地址修改为需要攻击的某节点地址。由于不经验证，服务器会将大量该节点无 法承受的数据流量发送至该节点，从而导致被攻击节点消耗过多的能量，提前结束生命周 期。在最坏的情况下，该节点的退出可能会引起整个网络的中断。
[0004] 此外，WSN中的路由协议是网络攻击的主要目标，其安全性方面存在很多问题。典 型的路由安全问题主要有3个方面：1、数据在传输过程中被非法获取；2、未经授权的节点 介入无线网；3、无线信道上传输的数据被非法修改。解决运些问题的方法主要有：1、加密， 保证攻击者在没有密钥的前提下无法还原截获的信息；2、身份认证，保证未授权的节点加 入并使用网络；3、数据完整性校验，保证接收端可W认证无线信道上传输的数据是否被非 法修改过，并根据结果对消息进行取舍。使用者不可能接受并部署一个没有解决好安全和 隐私问题的传感网络，因此在进行WSN协议和软件设计时，必须充分考虑WSN可能面临的安 全问题，同时也要考虑到其能力受限的特征，权衡的将安全防范和检测机制集成到路由协 议设计中去。
【发明内容】
阳〇化]为了在有限的资源下进行尽可能高效安全的传输，在安全性和效能之间寻求很好 的平衡，本发明公开一种数据包中TTL字段的编制方法。
[0006] 一种TTL字段的编制方法，在簇树网络拓扑结构中，为每个节点分配1字节的内存 空间，用于保存记录所处网络层数的值即level值，
[0007] 所述level值的高四位Ievelf的范围为0000~1111，其中Sink节点的levelf值 为0000,Sink节点的每层孩子节点的Ievelf值随着所处网络层数递增加1 ;
[000引所述level值的低四位IeveL的范围为1111~0000,从Sink节点开始 每层节点的Ievelf值随着所处网络层数递减减1，且使得每层节点的level值满足 货/m.乂二W，其中W为一常数，范围为0000~1111。
[0009] 所述网络为无线传感网络。
[0010] 第二方面，本发明公开了根据TTL字段的编制方法建立拓扑网络的方法，包括W 下步骤：
[0011] 步骤1、Sink节点设置自己的level值，设置报文的TTL值，并广播hello报文W 对周围节点进行邻居发现； 阳01引步骤2、如果节点A接收到Ievelf值为0000的hello报文，则验证该Sink节点ITL字段0/lw/, =W是否成立，若成立，则A与Sink节点建立邻居关系，并设置自己 Ievelf为OOOl;若不成立，则丢弃该hello报文；levelf值加1 ;
[0013] 步骤3、节点A对其接收到hello报文的所有节点进行遍历。
[0014] 数据包在节点之间跳转时，目的节点将源节点的level值设置为自己的level值。
[0015] 第S方面，本发明公开了基于TTL的拓扑网络中节点退出网络的方法，包括W下 步骤：
[0016] 步骤21、节点A将要退出拓扑网络的消息传递给A的所有孩子节点B=度1、 B2、……）；
[0017] 步骤22、孩子节点Bi收到A想要退出网络的消息后，将自己的TTL及ID信息发送 给A的兄弟节点C=咕、Cz、......）；
[00化]步骤23、A的兄弟节点Ci收到B1的请求，拟将B1作为自己的孩子节点，则返回一 个ACK报文；
[0019]步骤24 :若节点Ci发出的ACK是B1收到的第一个ACK报文，则节点B1将自己的父 节点标记为。，建立与Ci的邻居关系；如果B1没有收到任何ACK报文，则通知自己的子节 点，让其退出网络后重新加入网络；
[0020]步骤25、Bi解除自己和A的邻居关系，并向A返回ACK报文；
[OOW步骤26、A获取所有的孩子节点反馈给自己的ACK报文后，通知A的父节点，解除 自己与父节点的邻居关系，退出网络。
[0022] 第四方面，本发明公开了基于TTL的拓扑网络防止恶意节点攻击的办法，包括W 下步骤：
[002引步骤31、恶意节点进行邻居发现，广播hello报文，网络拓扑中的节点D接收到恶 意节点的hello报文；
[0024] 步骤32、节点D对比邻居发现消息中的TTL字段，发现其心"。/, =W不成 立；
[00巧]步骤33、节点D忽略运个邻居发现消息，恶意节点攻击失败。
[00%] 第五方面，本发明公开了基于TTL字段的拓扑网络节点之间传输数据的轻量级加 解密方法，包括W下步骤：
[0027] (1)加密过程
[0028] 步骤41、源节点E将自己的ID值、目的节点F的ID值、源节点E的level值、目的 节点F的level值串联成一个6字节的数字P，记为曰47,曰46,….al,曰0,令i= 1，i用于计 数；
[0029]步骤 42、S=(i-l)mod3 ;
[0030]步骤 43、将as,as+6,as+12,as+18,as巧4,as+30,as+36,as+42 串联形成的二进 制数字与消息的第i个字节进行异或操作；
[0031]步骤 44、将as+42，as+36,as+30,as巧4,as+12，as+6，as从P中提取出来，并附加 到P的最后；
[0032] 步骤45、如果i〉k，k为通信明文长度，则完成报文加密，否则令i=i+1，返回步骤 42 ; 阳〇3引似解密过程
[0034] 步骤51、目的节点F将源节点E的ID值、F的ID值、E的level值、F的level值 串联成6字节的数字Q，记为曰47,曰46,….曰1，aO;
[0035]步骤 52、令i=1，S=(i-l)mod6 ;
[0036]步骤 53、将as+42,as+36，as+30，as巧4，as+12,as+6,as的数字与消息的第i个字 节进行异或操作；
[0037]步骤 54、将as+42,as+36,as+30,as巧4,as+12,as+6,as从P中提取出来，并附加 到P的最后；
[0038] 步骤55、如果i大于k，则消息还原完成，否则令i=i+1，返回步骤52。
[0039] 本发明基于TTL值的无线传感器网络安全路由方法，其具有较高的安全性和较低 的能耗：
[0040] 1、现有的无线传感网路由协议虽然支持IP数据包加密，但是大多数协议采用公 钥加密等方法，需要额外的存储数据及大数字的计算，节点的能量消耗过快。本方法采用IP 数据包中本来就有的TTL字段，不增添额外的通信数据就可W检测并阻止未授权的恶意节 点加入网络，满足了无线传感器网络对能耗敏感的特点，在能耗与安全方面达到了较好的 平衡。
[0041] 2、攻击者即使截获了消息，由于不知道通信节点的level值、ID值，无法将消息复 原至明文，故抵制了窃听攻击。同样地，攻击者无法篡改信道中的加密数据，故抵御了篡改 攻击。当节点接收到消息解密后，可W正确地验证发送方的ID值，保证了可靠的数据来源。
[0042]3、现有的大多数支持IPV6的路由协议与传统路由相似的地方是节点内部需要保 存并维护一张路由表，包括路由表的创建和更新。当网络节点达到一定规模，会导致路由表 数量巨大，增加存储开销。而本发明专利的level值来确定节点所在层级，根据level值可 W简单判断其子孙节点、父节点等重要信息，且易于实现，从而能够更好地节约存储空间。
【附图说明】
[0043]图1为基于TTL字段的编制方法建立的拓扑网络图； W44] 图2为网络攻击示意图。
【具体实施方式】 W45] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用W解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0046] 如图1所示，网络中每个节点的ID值占2字节，网络树形结构的高度不超过15， 每个传感器节点占用1字节的内存空间保存和自己当前所在网络中的层数相关的值，记为 level。其中level的高四位Ievelf从Sink节点开始，一直到叶子节