专利名称：应用于Ad hoc网络的安全多路径路由方法
技术领域：
本发明属于无线通信安全领域，具体地本发明涉及一种将节点、路径以 及路径集的受攻击可能性转化为一种称之为攻击因子的安全度量，并将其应
用于Adhoc网络的安全多路径路由方法。
背景技术：
目前，移动网络的快速演进和移动通信产品的大量涌现，推动了移动计 算机无线接入技术，特别是移动无线自组织(Adhoc)网络相关技术的发展。 Ad hoc网络作为移动计算的一种特殊形式，是由一系列动态主机节点所临时 组成的自治多跳无线网络，它可以不依赖于预先架设好的网络基础设施而独 立存在。Adhoc网络中的所有节点地位平等，可以在网络中自由移动，并且 每个节点都同时充当了主机和路由器两种角色。Adhoc网络的特点在于可以 不受地理条件和时间的约束，迅速地建立在那些不适合架设有线网络或架设 有线网络的代价过于昂贵的地区，实现随时随地的自由通信。正因为Adhoc 网络自身的诸多优点，使得其可以广泛应用于军事、救灾、科学考察、医疗 等多个领域中。Adhoc网络被认为是下--代移动通信系统解决方案中最有希 望被采用的末端网络，是未来移动通信技术的核心组成部分之一。
Adhoc网络的关键技术之一就是路由协议的设计。目前在Adhoc网络 中所广泛采用的路由协议是AODV、 DSR等单路径路由协议。这些单路径路 由协议的优势在于它们的简单性，但是这种简单性从根本上限制了协议性能 的提升空间。
这是由于，Adhoc网络中的带宽、节点能量等资源总是相当有限的；同 时，在链路上以及在路由器处的拥塞也会在Adhoc网络中造成较大延迟。如
果数据包全部都在同一条路径上发送，当某条链路拥塞或者断开时，通过该 链路发送的所有数据就都必须由新的路径发送，既造成了网络的不稳定，重 建路径的过程也相当费时。因此单路径路由协议不但不能在负载较轻时充分 利用资源，而且当网络发生拥塞或者链路断开时也不能很好地重新选择合适 路径。显然，在充分利用网络带宽，以及避免链路和路由器的拥塞方而，单 路径路由协议有着先天的缺陷。同时，随着网络性能的提高，单路径路由协 议也无法满足路由可靠性和节点节能等方面的更高要求。
最新研究结果显示，在Adhoc网络中更适合采用多路径路由协议。多路
径路由协议是指为任意一对通信节点同时提供多条可用的路径，并允许节点 主机自主选择如何使用这些路径。多路径路由的目标通过探测每条路径的状 况，如丢包率，来推断网络的拥塞程度，并据此调整对各路径的使用。多路 径是作为单个最短路径的替代而被提出用来分散网络流量，减轻拥塞，提高 网络的容错能力。换句话来说，多路径路由是用多条好的路径来代替单条最 好的路径。多路径路由协议在可靠性、带宽聚合、负载平衡、能量保护等方 面比起单路径路由协议都具有明显的优势。
尽管多路径路由协议比起单路径路由协议有诸多优势，但其设计也存在
着一些安全隐患，容易导致Adhoc网络遭受来自于网络内外部的攻击，使得
路由协议的效率降低，以下是当前多路径路由协议的设计中存在的主要问题:
1) 在路径选择中忽视了对于安全性的考察。源节点或者目的节点在已经 建立的多条路径中进行选择的时候，往往仅以路径经过的跳数最少或者路径 建立所需的时延最小作为路径的选择依据，而并没有考虑到，对于Adhoc 网络这样比较脆弱的网络，更应该保证路径是由可靠节点组成，路径不会因 为遭受攻击而频繁断链，因为断链之后的恢复过程既增加了时延，也带来大 量的网络通信开销；
2) 对节点安全性的度量没有形成量化。通常判断节点是否安全，是根据
在该节点上是否有一些正在遭受攻击的现象发生，或者该节点是否具有某些
恶意节点的特征。但是目前并没有一个准确的度量依据来衡量不同节点之间 的安全性差异，这导致一些节点其他方面正常，仅仅可能因为网络拥塞的原 因转发包失败就被当作了不安全节点。因此，需要建立一个对节点安全性的 全面、准确的量化度量机制，反映不同节点的安全性差异，实现差异化管理；
3) 对节点安全性的考察缺乏预见性。当前安全路由协议中，对于节点的 安全性考察是在节点己经受到攻击或者已经转变为恶意节点之后才做出的， 等到发现安全性较差的节点才将其排除出网络的时候，该节点已经对正常的 网络运行造成了实质性破坏，这样网络只能通过事后大量的通信开销才能恢 复过来。因此有必要能够预先探测出安全性可能会降低的节点，在它们对网 络造成实质性破坏之前将它们从网络中隔离出去；
4) 对安全性的考察仅限于节点层面。在多路径路由协议中，源节点和目
的节点通常需要维护的是整条路径，而不是路径上的某一个节点。源节点或 者目的节点选路的时候不仅要确保路径上某一个节点是安全，还要确保整条 路径是安全的，因此需要将对单节点的安全性衡量推广到对路径的安全性衡 量，对于多路径路由协议，由于最终成为数据通道的通常是一个路径集，因 此还要进一步将对路径的安全性衡量推广到对路径集的安全性衡量。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中多路径路由协议设计中在安全性
方面存在的诸多不足，提出了一种基于攻击因子的应用于Adhoc网络的安全
多路径路由方法，其中将节点当前以及未来遭受攻击或者发起攻击的可能性
转换为一个安全度量，称为攻击因子(Attacking Factor)，简称为AF。为了 达到上述目的，本发明提供了一种应用于Adhoc网络的安全多路径路由方 法。该方法包括
计算节点的邻居节点的攻击因子值；
基于所述攻击因子值和基于所述攻击因子的多路径安全路由协议进行
节点的安全多路径路由。
进一步地，所述计算节点的邻居节点的攻击因子值为从 一跳范围内的 邻居节点处收集运行状况信息；根据所述运行状况信息计算出攻击因子值并 保存。
进一步地，所述运行状况信息包括节点的吞吐量、收发包比例、响应时
间、节点的利用率、周边稠密度和任务队列，所述计算出攻击因子值为根据 ^F,"7+W^ + ;^^计算攻击影响因子(Aw)，其中&，为节点的吞吐量、
P,O为收发包比例、PR为响应时间，7' + "2 + ^ = 1， 、W和^为Pr、 pK)、 pR 在攻击影响因子AIF所占的比重系数；再根据= n * & + n * / + 73 * /\'计算攻
击诱惑因子(ATF)，其中Pu为节点的利用率、Pw为周边稠密度和PQ为任 务队列，^ + n + n-l， n， n和n为Pu、 pN、 PQ在攻击诱惑因子ATF中所 占的比重系数，最后根据H"" + ^^H十算攻击因子(AF)，其中AIF 为攻击影响因子，ATF为攻击诱惑因子和AF为节点攻击因子，以及"+ ^1 ， ，"分别代表AF对于AIF以及ATF的置信度。
进一步地，所述基于攻击因子的多路径安全路由协议具体为，在单路径 安全路由协议(SAODV)的路由消息上增加路由节点列表字段、排除节点列 表字段、下一跳节点列表字段、攻击因子列表字段和攻击因子哈希值字段。
进一步地，所述进行节点的安全多路径路由为
第一节点发起包括路由节点列表、排除节点列表、下一跳节点列表、攻 击因子列表和攻击因子哈希值字段的路由请求消息，-
中间节点接收所述路由请求消息并检査所述路由请求消息的有效性，经 检査有效后缓存所述路由请求消息的摘要；
中间节点更新所述路由请求消息的字段并转发；
第二节点从所述攻击因子列表字段中提取出路径上所有中间节点的攻击 因子值；
根据<formula>formula see original document page 10</formula>递归计算出攻击因子哈希值，并和所述路由请求 消息中携带的攻击因子哈希值比较，如果相等，证明攻击因子列表在传输的 过程没有被篡改。如果不相等，则所述路由请求消息被丢弃；
第二节点从中间节点转发过来的多条路由请求消息的路由列表字段中提 取出多条有效路径，构造出节点不相交的路径集；
第二节点生成并发送携带有构造的路径集的信息的路由回复消息。 进一步地，所述中间节点接收所述路由请求消息检査所述路由请求消息 的有效性，经检查有效后缓存所述路由请求消息的摘要为
步骤10，检査所述路由请求消息的上一跳节点的攻击因子值是否超过了 危险阈值，如果超过则丢弃路由请求消息；否则执行步骤20;
步骤20,计算所述路由请求消息的摘要，同保存在缓存的摘要比较，如 果有相同的则丢弃路由请求消息；否则执行步骤30;
步骤30，检査自己是否在路由请求消息的下一跳字段中，如果不在，丢 弃该路由请求消息；否则执行步骤40;
步骤40，检查路由请求消息的路由节点列表字段、排除节点列表字段、 下一跳字段中是否存在重复的节点ID，如果存在，丢弃该路由请求消息，否 则通过有效性检査。
进一步地，所述中间节点进行更新所述路由请求消息的字段并转发为 挑选攻击因子值低于危险阈值的邻居节点加入合格邻居集； 中间节点将自己的ID附到路由节点列表字段末尾，将下一跳字段中除 自己以外的节点ID附到排除节点列表字段的末尾；用合格邻居集中的节点 ID替代下一跳字段，并删去其中和更新后的路由节点列表字段、下一跳字段 中重复的节点ID;将更新后的下一跳字段中的一个邻居节点的攻击因子值附 在攻击因子列表字段的末尾；
根据所述攻击因子哈希值字段及式<formula>formula see original document page 11</formula> 计算转发到不 同邻居节点的更新后的所述路由请求消息中的新的攻击因子哈希值字段；其
中AFw是新加入到攻击因子列表字段中的邻居节点的攻击因子值，tW。w是 路由请求消息更新前的攻击因子哈希值字段，HAF—new是路由请求消息更新后
的攻击因子哈希值字段。
进一歩地，所述第二节点生成并发送携带有路径集信息的路由回复消息
后还包括
中间节点处理所述路由回复消息发送给第-一节点；
第一节点确定中间节点的最终攻击因子值，计算路径及路径集的攻击因 子，构造符合自身安全需求的合格路径集集合，从合格路径集集合选择最终 的数据传输通道。
进一步地，所述中间节点处理所述路由回复消息为
步骤l，检查上一跳节点的攻击因子值是否超过了危险阈值，如果超过， 则执行步骤2;否则执行丢弃所述路由回复消息；
步骤2，检査所述中间节是否在所述路由回复消息的路由列表字段中，
如果不在，则执行丢弃该RREP消息；否则执行步骤3;
步骤3，检査所述路由回复消息的路由列表字段中上一跳和下一跳节点 是否属于所述中间节点的邻居节点，如果不是，则丢弃该RREP消息；否则 执行步骤4;
步骤4，将路由列表字段中下一跳节点最新的攻击因子值附在攻击因子 列表字段中相应节点的原攻击因子值的后面，并计算相应的攻击因子哈希值 字段。
因此，本发明实现了在源节点(也称之为第一节点)和目的节点(也称 之为第二节点)之间建立安全的多路径数据传输通道，并且能够在可能收到 攻击或者发起攻击的节点对网络造成实质性破坏的时候，提前发起路径维护 进程，降低网络维护的通信开销。
图1是本发明基于攻击因子的多路径安全路由协议的消息字段示意图； 图2为本发明中基于所述攻击因子值进行节点的安全多路径路由的具体 流程图3为本发明步骤202检査RREQ消息有效性，通过检査后才缓存该 RREQ消息摘要；步骤203更新RREQ消息相关字段的流程图； 图4为本发明中间节点收到RREP消息后执行的流程图； 图5为本发明源节点路由选择的流程图； 图6本发明引入的滑动窗口机制的示意图。
具体实施例方式
本发明通过提供计算节点的邻居节点的攻击因子值；并基于所述攻击因 子值，提供了一种应用于Ad hoc网络的安全多路径路由方法。
本发明中主要提出了将节点当前以及未来遭受攻击或者发起攻击的可能 性转换为一个安全度量，称为攻击因子(Attacking Factor)，简称为AF。攻 击因子具有如下特点
1 )攻击因子给予了不同节点间安全性相互比较的一个量化的参考依据；
2) 节点的攻击因子不仅反映了节点当前遭受攻击或者发起攻击的可能性， 也反映了节点未来遭受攻击或者发起攻击的可能性，这使得对于节点的安全 性度量具有了预见性，可以帮助提前进行路径的维护操作，减少了路径断链 之后才发起路径维护带来的通信开销；
3) 确定了节点的攻击因子后，将其进一步推广到节点所在路径的攻击因 子以及该路径所在的路径集的攻击因子，可以衡量一条路径以及一个路径集 的安全性，这样对于安全性的考察就不仅限于节点层面，不仅更加全面，也 更加符合路由协议选路的要求；
4) 当路径以及路径集的攻击因子确定后，多路径路由协议的选路依据更
多地向安全性侧重，源节点和目的节点可以根据自身的安全需求灵活选择路 径作为数据传输通道，而不是局限在传统的基于路径建立时延的这类选路原 则上。
所述计算节点的邻居节点的攻击因子值为从一跳范围内的邻居节点处 收集运行状况信息；根据所述运行状况信息计算出攻击因子值并保存。所述 运行状况信息包括节点的吞吐量、收发包比例、响应时间、节点的利用率、 周边稠密度和任务队列，为计算出所述攻击因子AF，首先根据 ^F^'"7+;;^ + ;^A计算攻击影响因子AIF，其中？1.为节点的吞吐量、
PK)为收发包比例、PR为响应时间，7' + ^"3 = 1， W、 W和W为PT、 Pl0、 pR 在攻击影响因子AIF所占的比重系数；再根据= & * A' "2 * A + n * &计算攻
击诱惑因子ATF，其中Pu为节点的利用率、PN为周边稠密度和PQ为任务队 列，n + r2 + n = l，n ，"和n为Pu、 pN、 PQ在攻击诱惑因子ATF中所占比
重系数，最后根据^^"W^ + ^^^计算攻击因子AF，其中AIF为攻击影 响因子，ATF为攻击诱惑因子和AF为节点攻击因子，以及《 + " = 1，"，"分 别代表AF对于AIF以及ATF的置信度。 下面详细介绍攻击因子值的计算 (1)攻击影响因子AIF
当节点如果受到了攻击，其性能变化主要表现在以下几个方面 1)节点的吞吐量
节点的吞吐量指在不丢包的情况下，单位时间内节点能够接收处理的包 的最大数量，用Nt表示。节点的吞吐量下降，意味着节点的处理能力下降， 可能受到了拒绝服务类(DoS)攻击，或者节点为了节省自身能量，有意地 减少了收包的数量；
2)节点的收发包比例 节点的收发包比例指在单位时间内，节点发出的包和收到的包的数目的比 例，用Rk)表示。如果节点的收发包比例过低，意味着节点有大量的请求不
能及时处理，即节点的处理能力下降，可能受到了拒绝服务类(DoS)攻击， 也可能是节点已经转变为恶意节点，故意将一部分包丢弃，发起了黑洞类攻 击；
3)节点的响应时间
节点的响应时间指节点在收到了来自于邻居节点运行状况信息査询请求，
即Hdlo消息后给予回应的时间，用Tk表示。节点的响应时间过长甚至不响
应，意味着节点可能己经被攻击者所控制，不能再参与到正常的路由进程中 去了。
需要指出的是，以上3种性能的下降，并不一定代表节点当前受到了攻击 或者是已经转变为恶意节点，比如节点响应时间过长，也可能是由于网络拥 塞造成的，或者是节点的能量不足所致，因此是有着一定的错判概率的，这 也是传统的判定节点是否安全的方法中所普遍存在的问题。所以，本发明定 义一个当前受攻击概率参数，这个当前受攻击概率参数代表了如果节点出现 了其中一种性能的下降，可以将其判定为正在受到攻击，是不安全节点的概
率。上述3种性能分别对应的当前受攻击概率参数如下PT是节点的吞吐量
下降所代表的节点当前受攻击概率参数；P10是节点的收发包比例下降所代表 的节点当前受攻击概率参数；Pk是节点的响应时间上升所代表的节点当前受 攻击概率参数。
攻击影响因子AIF是节点正在受到攻击或者发起攻击的可能性，以上3 种性能的下降都会增加这种可能性，但是在不同的实际应用环境中，3种性 能的下降对应的当前受攻击概率参数在决定攻击影响因子AIF时所占的比重 是不一样的。例如在对节点的响应时间要求较高的场合，概率参数Pk所占 的比重就会高于其他两种概率参数。因此本发明中还定义了 3种当前受攻击 概率参数在AIF中所占的比重系数^、 ^和^。
最终的攻击影响因子AIF的表达式如下
<formula>formula see original document page 14</formula> 式(1)
其中<formula>formula see original document page 15</formula>
(2)攻击诱惑因子ATF 攻击者通常都是在网络中到处搜寻可能造成网络破坏最大化的攻击目标。
尽管Ad hoc网络是一个无中心全分布式的网络，但是仍可能有一些节点因为
自身性能的突出或者多次参与到路由进程中，成为了网络运作的热点，对这 样的节点进行攻击，对网络造成的破坏程度比对一般节点要大。 一般来说，
在以下特征上表现突出的节点，未来极有可能成为恶意攻击的冃标
1) 节点的利用率
节点利用率指单位时间内节点参与到路由进程中的次数，用Ru表示，节
点的利用率越高，意味着节点频繁参与到路由及数据转发等网络活动中，拥
有丰富的路由信息资源；
2) 节点的周边稠密度
节点的周边稠密度指节点一跳范围内的邻居节点数目，用Nw表示。节点 的周边稠密度越高，意味着节点和邻居节点的交互也会十分频繁；
3) 节点的任务队列
节点的任务队列指节点正有待处理的消息数量，用Nq表示。节点的任务 队列越长，意味着节点是所在区域中的一个关键节点，正在负责处理来自邻 居节点的大量请求。
Ru、 Nw及Nq越高，代表节点的网络活动频繁，这样的热点在未来受到 攻击的可能性也最大。同当前受攻击概率参数一样，本发明中也定义了未来 受攻击概率参数，代表了节点以上3种性能特征上比较出众的话，可以判定 其未来可能收到攻击，成为不安全节点的概率。以上3种特征对应的未来受 攻击概率参数如下Pu是节点的利用率高所代表的未来受攻击概率参数，PN 是节点的周边稠密度大所代表的未来受攻击概率参数，PQ是节点的任务队列 长所代表的未来受攻击概率参数。
攻击诱惑因子ATF是节点未来受到攻击的可能性，以上3种特征的表
现突出都会增加这种可能性。同攻击影响因子AIF—样，在不同的实际应用 环境中，3种特征的表现突出对应的未来受攻击概率参数在决定攻击诱惑因
子ATF时所占的比重也是不一样的。因此本发明中还定义了 3种未来受攻击 概率参数在ATF中所占的比重系数n， n和n。 最终的攻击诱惑因子ATF的表达式如下<formula>formula see original document page 16</formula>式(2)
其中ri + z"2 + r3 = 1
(3)攻击因子AF
在取得攻击影响因子AIF和攻击诱惑因子ATF后，可以得到节点最终的 攻击因子AF。
其中<formula>formula see original document page 16</formula>分别代表AF对于AIF以及ATF的置信度。
实际应用环境中可能会有不止以上3种节点性能的下降以及3种特征的突 出影响到攻击影响因子AIF以及攻击诱惑因子ATF的确定，是可以灵活地调 整上述确定依据的，只要保证所有确定依据所对应的概率参数和为1即可， 这也是本发明的特点之一。
本发明在Adhoc网络的单路径安全路由协议(SAODV)的路由消息基础 上增加了基于攻击因子的多路径消息扩展字段，使得其可以应用于建立安全 的路径集中，即构成了多路径攻击因子安全路由协议。如图l所示多路径攻 击因子安全路由协议，新加消息字段为在图中显示的路由节点列表
(RouteList)，排除节点列表(ExcludeList)，下一跳(NextHop)节点列表， 攻击因子列表(AFList)以及攻击因子哈希值(AFHash)共5个字段，其余 字段为现有单路径安全路由协议(SAODV)中的字段，在此不再赘述。这5 个字段会随着路由消息在网络中的传输发生改变。网络中每个节点都有一个 唯一的标识符ID。
a) RouteList:动态记录了路径经过的节点ID;
b) ExcludeList:动态记录了被排除在路由进程之外的节点ID;
c) NextHop:动态记录了接收路由消息的下一跳节点ID;
d) AFList:动态记录了经过的中间节点的攻击因子AF值，是源节点及 目的节点进行攻击因子相关计算的主要来源；
e) AFHash:动态记录了对AFList字段进行哈希计算的结果，ffl于给源 节点及目的节点验证AFList是否在路由消息传输的过程遭到篡改。
在本发明中，路由请求消息(RREQ)以及路由回复消息(RREP)都将 使用以上的消息格式。
如图2所示为本发明—应用于Ad hoc网络的安全多路径路由方法的流 程图，其中根据多路径攻击因子安全路由协议基于所述攻击因子值进行节点 的多路径路由具体过程为
步骤201，第一节点发起包括路由节点列表、排除节点列表、下一跳节 点列表、攻击因子列表和攻击因子哈希值等字段的路由请求消息；具体为 源节点在生成路由请求消息后，不同于传统的Ad hoc路由协议向邻居节点广 播路由请求消息RREQ，在本发明中源节点及后来的中间节点只是选择其中 攻击因子AF值低于AFd的邻居节点向其发送RREQ。
在源节点发出的RREQ中，5个新增消息字段的取值如下
a) RouteList只记录了源节点ID;
b) ExcludeList为空；
c) NextHop记录了源节点的所有邻居节点中攻击因子AF值低于AFd的节
点ID;
d) AFList记录了 NextHop字段中一个邻居节点的攻击因子AF值，发往 不同邻居节点的RREQ中的AFList字段中记录着对应节点的AF值；
e) AF Hash记录了对AFList字段进行哈希计算的结果HAF，如式(4)所 示<formula>formula see original document page 17</formula> 其中AFN是从AFList中选定的一个邻居节点的AF值，Ksd是源节点和目
的节点间的共享密钥，hash (*)是哈希函数。
步骤202，中间节点接收所述路由请求消息检查所述路由请求消息的有
效性，经检査有效后缓存所述路由请求消息的摘要；
步骤203，中间节点更新所述路由请求消息的字段并转发；
步骤204，第二节点从攻击因子值列表中提取出路径上所有中间节点的
攻击因子值；
仏''二 fezs7;(A^/,爿F》
步骤205，根据^"'""^^"'，f")递归计算出攻击因子哈希值，并和所 述路由请求消息中携带的攻击因子哈希值比较，如果相等，证明攻击因子值 列表在传输的过程没有被篡改继续执行步骤206，如果不相等，则执行歩骤 200:所述路由请求消息被丢弃；
步骤206，第二节点从中间节点发送的路由列表提取出各自的有效路径， 构造出节点不相交的路径集；在一个设定的时间内，目的节点收到的m条真 实有效的RREQ消息RREQ,， ...， RREQm，并提取出各自的RouteList字段 RouteList,， ...， RouteListm，即m条有效路径。目的节点从这m条路径中构 造出节点不相交的路径集。节点不相交的路径集即各路径上的中间节点ID 没有重复的。最终得到的节点不相交路径集可能不止一个。设满足节点不相 交条件的有k条路径，则节点不相交多路径集可以表示为
DisjointSet= {Routelist 1 ，...,Routlistm|Routelisti二0 }
如果构造出多个路径集，这些路径集可以表示为一个路径集的集合 {DisjointSetl, DisjointSet2, DisjointSet3,...}。
步骤207，第二节点生成并发送携带有构造的路径集的信息的路由回复 消息。
其中，中间节点收到RREQ消息后执行以下两部分算法，第一部分歩骤
202检查RREQ消息有效性，通过检査后才缓存该RREQ消息摘耍；第二部 分步骤203更新RREQ消息相关字段并转发。
如图3所示，步骤202算法第一部分的步骤如下
步骤301 ，检查向自己发送RREQ消息的上一跳节点的AF值是否超过了 AFd，如果超过，则执行步骤300:丢弃该RREQ消息；如否，则执行步骤
302;
步骤302，计算该RREQ的摘要，同保存在缓存的摘要比较，如果有相同 的则执行歩骤300丢弃该RREQ消息；否则执行步骤303;
步骤303，检查自己是否在RREQ消息的NextHop字段中，如果不在， 则执行步骤300，丢弃该RREQ消息；否则执行步骤304;
歩骤304，检査RREQ消息的RouteList、 ExcludeList和NextHop三个字
段中是否存在重复的节点ID，如果存在，则执行歩骤300，丢弃该RREQ消 息；否则步骤305通过有效性检査。
以上4步完成了对于RREQ消息的有效性检查，检査通过之后就可以将 该条RREQ消息保存到节点的缓存之中，如图3所示，再继续进行第二部分 算法。
步骤306，挑选AF值低于AFd的邻居节点加入合格邻居集； 步骤307，更新原RREQ消息中5个新增字段，具体为 将自己的ID附到原RouteList字段末尾；
将原NextHop字段中除自己以外的节点ID附到原ExcludeList字段的末
尾；
用合格邻居集中的节点ID替代原NextHop字段，并删去其中和新的 RouteList、 NextHop两个字段重复的节点ID;
将新的NextHop字段其中一个邻居节点的AF值附在原AFList字段的末 尾，因此发往不同邻居节点的RREQ消息的AFList字段也相应有所不同；
根据原AF Hash字段及式(5)计算转发到不同邻居节点的RREQ消息中
的新的AFHash字段；
<formula>formula see original document page 20</formula>
其中AFN是新加入到攻击因子列表字段中的邻居节点的攻击因子值， HAF—。ld是路由请求消息更新前的攻击因子哈希值字段，HAF—new是路由请求消 息更新后的攻击因子哈希值字段。
其余中间节点都将执行以上步骤。
在步骤207所述第二节点生成并发送携带有构造的路径集的信息的路由 回复消息后还包括
中间节点处理所述路由回复消息发送给第一节点；
第一节点确定中间节点的最终攻击因子值，计算路径及路径集的攻击因 子，构造符合自身安全需求的合格路径集集合，从合格路径集集合选择最终 的数据传输通道。
下面介绍上述过程
1) 中间节点处理路由回复消息，中间节点收到RREP消息后执行以下步
骤，如图4所示
步骤401，检査上一跳节点AF值是否超过了 AFd，如果超过，则执行歩 骤400，丢弃该RREP消息；否则执行步骤402;
步骤402，检査自己是否在RREP消息的RouteList字段中，如果不在， 则执行步骤400，丢弃该RREP消息；否则执行步骤403;
步骤403，检査RREP消息中RouteList字段中自己的上一跳和下一跳节 点是否属于自己的邻居节点，如果不是，则执行歩骤400丢弃该RREP消息; 否则执行步骤404;
步骤404，将RouteList字段中下一跳节点最新的AF值附在AFList字段 中相应节点的原AF值的后面，并计算相应的AF Hash字段。
2) 源节点路由选择
源节点在收到RREP消息后将根据其中携带的路径集信息构造出符合自身安全需求的路径集，即最终的数据传输通道。如图5所示源节点路由选择 的流程图，源节点将执行以下步骤
步骤501，确定中间节点的最终AF值；
如上所述，RREP消息的AF List字段中每个节点都有在路由请求阶段和 路由回复阶段中邻居节点给其的AF评价，将路由请求阶段给出AF值记为 AFpre，路由回复阶段给出的AF值记为AFnext。为防止恶意节点在传输过程 中蓄意提高其它节点的AF值，源节点根据式(6)决定中间节点的最终AF值。
<formula>formula see original document page 21</formula>
步骤502，计算路径及路径集的攻击因子；
定义Pr。ute(N)为拥有N个中间节点的路径的攻击因子，Pw(M)为拥有M
条路径的路径集的攻击因子。
如果路径表示为Route = {S, n,, n2，…，nN， D}，<formula>formula see original document page 21</formula>在此基础上，如果节点不相交路径集表示为DisjointSet = {Route,,…， RouteM}，则
<formula>formula see original document page 21</formula>
歩骤503，源节点构造符合自身安全需求的合格路径集集合； 设源节点对于多路径集的安全需求为Tset，即最后作为数据传输通道的路
径集的PJ(M)不能超过Tset。
如果RREP消息携带的路径集集合信息为(DisjointSeti， DisjointSet2，
DisjointSet3，...}。选取DisjointSet,为例，DisjointSet! = {Route,,…,RouteM}。
先计算其中各条路径的Pr。ute(N)，不妨设P咖te,(N) ^ PR)ute2(N)、..《PTOUte3(N)，
再计算DisjiontSet,的Pset(M)。
源节点比较Pset(M)和Tset，如果Pset(M)>Tset，则从DisjiontSet,去掉Proute(N) 最高的路径RouteM，再计算新的PJM)直至该Pset(M)<Tset，并将最后得到的 DisjiontSet,加入到合格路径集集合中；
步骤504，从合格路径集集合选择最终的数据传输通道；
源节点从合格路径集集合中选择PJM)最小的路径集，作为源目的节点
间的数据通道。源节点根据自身要求选择路径集，这样既保证了源节点拥有
自主选择路径的能力，同时也保证了即便携带在RREP消息中的路径信息在 中途被截取，攻击者也不能以此确定最终数据传输通道。
在路由回复阶段之后，源节点和目的节点间的路由建立正式完成，开始 相互发送数据，节点进入了路由维护阶段。
本发明引入了滑动窗口机制对邻居节点进行监控，预测邻居节点的安全 性，如图6所示。滑动窗口从低到高保存着一个邻居节点最近一段时间内的 AF值，其中头部的AF值最低，尾部的AF值最高。如果最新的AF值低于 头部的AF值，则将新的AF值放入滑动窗口头部，并清空后面的窗口；如 果新AF值高于尾部AF值，则将新AF值保存到原滑动窗口的尾部，且前面 的所有窗口中保存的AF值都向头部方向滑动一个窗口，原先头部所保存的 AF值被移出。
一旦邻居节点最新的AF值高于危险阈值(AFd)，将此时的AF值标记 为AFa，链路进入了警报状态，但还不必发起路由维护进程，因为存在着误 报的可能性。如果接下来收到的该节点的AF值仍高于AFd且呈上升趋势， 使得AFK滑动到了滑动窗口头部的时候，才会发出路由维护RRER消息。这 样就在保证了在抢先发起路由维护进程的同时，最大限度地降低了误报的可 能。滑动窗口的窗口数目可以根据实际需要进行调整。
本发明通过将节点的安全性量化为攻击因子，使得路由进程中可以避免 将数据和消息路由到高攻击因子的节点，即安全性低的节点上，最终形成的 路径和路径集都是攻击因子低的节点，使得这些路径和路径集受到攻击而断
链的可能性大大降低；攻击因子的确定依据来源于节点的各方面特征，而且 可以根据实际应用的需要，对这些确定依据灵活调整，使得它们能够更全面、 准确地反映节点当前及未来的安全状况；攻击因子的计算复杂度较低，所有 的计算都是线性计算，且节点只需要维护自身周边一跳范围内的节点的攻击 因子，因此适合在节点的计算能力及存储空间都有限的Adhoc网络中使用； 通过引入攻击因子，形成了对节点、路径、路径集3个层次的安全性考察， 能够更全面地反映网络的安全状况，从而制定相适应的选路策略。
并且本发明通过在仿真工具OPNET下编写代码，对本发明进行仿真实 验。仿真实验证明，在采用了该安全多路径路由方法的Adhoc网络中，即使
有相当比例的恶意节点存在，也不会对正常的路由迸程产生太大影响，提高 了路由建立的效率。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限 制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人 员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离 本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1、一种应用于Ad hoc网络的安全多路径路由方法，其特征在于包括计算节点的邻居节点的攻击因子；基于所述攻击因子和基于所述攻击因子的多路径安全路由协议进行节点的安全多路径路由。
2、 根据权利要求l所述的应用于Ad hoc网络的安全多路径路由方法，其特征在于所述计算节点的邻居节点的攻击因子为从一跳范围内的邻居节点 处收集运行状况信息；根据所述运行状况信息计算出攻击因子值并保存。
3、 根据权利要求2所述的应用于Ad hoc网络的安全多路径路由方法，其 特征在于所述运行状况信息包括节点的吞吐量、收发包比例、响应时间、节 点的利用率、周边稠密度和任务队列，所述计算出攻击因子值为根据^^""7 。 + ;;3*^计算攻击影响因子，其中PT为节点的吞吐量、P,o为收发包比例、PR为响应时间，为PT、 PIO、 PR在攻击影响因子AIF所占的比重系数；根据^F^"'^^" + n^'计算攻击诱惑因子，其中Pu为节点的利用 率、PN为周边稠密度和PQ为任务队列，n + " + n = l， n， n和n为Pu、 pN、PQ在攻击诱惑因子ATF中所占的比重系数；根据^i"^ + ""^计算所述 攻击因子，其中AIF为攻击影响因子，ATF为攻击诱惑因子和AF为节点攻 击因子，以及《 + / =，《，"分别代表AF对于AIF以及ATF的置信度。
4、 根据权利要求3所述的应用于Ad hoc网络的安全多路径路由方法，其 特征在于所述攻击因子的多路径安全路由协议具体为在单路径安全路由协议 的路由消息上增加路由节点列表字段、排除节点列表字段、下一跳节点列表 字段、攻击因子列表字段和攻击因子哈希值字段。
5、 根据权利要求4所述的应用于Ad hoc网络的安全多路径路由方法，其 特征在于所述进行节点的安全多路径路由为第一节点发起包括路由节点列表、排除节点列表、下一跳节点列表、攻击 因子列表和攻击因子哈希值字段的路由请求消息； 中间节点接收所述路由请求消息并检査所述路由请求消息的有效性，经检 査有效后缓存所述路由请求消息的摘要；中间节点更新所述路由请求消息的字段并转发； 第二节点从所述攻击因子列表字段中提取出路径上所有中间节点的攻击因子值；<formula>formula see original document page 3</formula>根据'"^^"'，^^递归计算出攻击因子哈希值，并和所述路由请求消 息中携带的攻击因子哈希值比较，如果相等，证明攻击因子值列表在传输的过程没有被篡改，如果不相等，则所述路由请求消息被丢弃；第二节点从中间节点转发来的多条路由请求消息的路由列表字段屮提取出多条有效路径，构造出节点不相交的路径集；第二节点生成并发送携带有构造的路径集的信息的路由回复消息。
6、 根据权利要求5所述的应用于Ad hoc网络的安全多路径路由方法，其 特征在于所述中间节点接收所述路由请求消息并检查所述路由请求消息的有 效性，经检查有效后缓存所述路由请求消息的摘要为步骤10，检查所述路由请求消息的上一跳节点的攻击因子值是否超过了危 险阈值，如果超过则丢弃路由请求消息；否则执行步骤20;步骤20，计算所述路由请求消息的摘要，同保存在缓存的摘要比较，如果 有相同的则丢弃路由请求消息；否则执行步骤30;步骤30，检査自己是否在路由请求消息的下一跳字段中，如果不在，丢弃 该路由请求消息；否则执行步骤40;步骤40，检査路由请求消息的路由节点列表字段、排除节点列表字段、下 一跳字段中是否存在重复的节点ID，如果存在，丢弃该路由请求消息，否则 通过有效性检査。
7、 根据权利要求5或6所述的应用于Ad hoc网络的安全多路径路由方法， 其特征在于所述中间节点进行更新所述路由请求消息的字段并转发为 挑选攻击因子值低于危险阈值的邻居节点加入合格邻居集； 中间节点将自己的ID附到路由节点列表字段末尾，将下-f兆字段中除自己 以外的节点ID附到排除节点列表字段的末尾；用合格邻居集中的节点ID替 代下一跳字段，并删去和更新的路由节点列表字段、下一跳字段中重复的节 点ID;将更新后的下一跳字段中的一个邻居节点的攻击因子值附在攻击因子 列表字段的末尾；根据所述攻击因子哈希值字段及式^，'""^(^' '""^计算转发到不同 邻居节点的更新的所述路由请求消息中的新的攻击因子哈希值字段；其中AFN是新加入到攻击因子列表字段中的邻居节点的攻击因子值，Ha,.。w是路 由请求消息更新前的攻击因子哈希值字段，HAF new是路由请求消息更新后的 攻击因子哈希值字段。
8、 根据权利要求7所述的应用于Ad hoc网络的安全多路径路由方法，其 特征在于所述第二节点生成并发送携带有构造的路径集的信息的路由回复消 息后还包括中间节点处理所述路由回复消息发送给第 一节点；第一节点确定中间节点的最终攻击因子值，计算路径及路径集的攻击因子， 构造符合自身安全需求的合格路径集集合，从合格路径集集合选择最终的数 据传输通道。
9、 根据权利要求8所述的应用于Ad hoc网络的安全多路径路由方法，其 特征在于所述中间节点处理所述路由回复消息为步骤l，检査上一跳节点的攻击因子值是否超过了危险阈值，如果超过，则执行步骤2;否则执行丢弃所述路由回复消息；步骤2，检查所述中间节是否在所述路由回复消息的路由列表字段中，如 果不在，则执行丢弃该路由回复消息消息；否则执行步骤3;步骤3，检查所述路由回复消息的路由列表字段中上一跳和下---跳节点是 否属于所述中间节点的邻居节点，如果不是，则丢弃该RREP消息；否则执 行步骤4;步骤4，将路由列表字段中下一跳节点最新的攻击因子值附在攻击因子列 表字段中相应节点的原攻击因子值的后面，并计算相应的攻击因子哈希值字 段。
全文摘要
本发明公开了一种应用于Ad hoc网络的安全多路径路由方法，包括计算节点的邻居节点的攻击因子值；基于所述攻击因子值和基于所述攻击因子的多路径安全路由协议进行节点的多路径路由。因此，本发明实现了在源节点(也称之为第一节点)和目的节点(也称之为第二节点)之间建立安全的多路径数据传输通道，并且能够在可能受到攻击或者发起攻击的节点对网络造成实质性破坏的时候，提前发起路径维护进程，降低网络维护的通信开销。
文档编号H04L12/56GK101170498SQ20071016854
公开日2008年4月30日 申请日期2007年11月30日 优先权日2007年11月30日
发明者帆 张, 怿 王, 王芙蓉, 海 胡, 闵玉堂, 辰 黄 申请人:华中科技大学