CN102098669B - Ad Hoc网络中节点攻击的防御方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种Ad Hoc网络中节点攻击的防御方案。包含以下步骤：修改OLSR协议，将Reversed字段改为放置加密信息的Encrypt字段，接收方对接收到的HELLO消息进行解密，经过验证其中的Encrypt字段为空，或者不是原来的加密信息则丢弃该消息；获取HELLO消息中的Willingness字段，判断是否为WILL_NEVER，若不是则认为该消息是安全的；在协议中添加HELLO消息跟踪监控，监控发送该HELLO消息的一跳邻居节点发送消息的频率，HELLO消息频率大于原频率的2⁵倍，则认为网络受到攻击，此时选择丢弃该HELLO。使用本发明方法，可以使网络完全避免受到此类攻击，保证数据传输的安全性和可靠性。

Description

Ad Hoc网络中节点攻击的防御方法

技术领域

本发明是针对Ad Hoc网络中OLSR路由协议的安全解决方法。主要用于解决无线路由节点易受攻击的安全问题，属于网络安全技术领域。

背景技术

移动自组网(Mobile Ad Hoc Network)是一种无基础设施的无线网络，最初用于军事通讯，它具有开放的媒质、分布式的合作、动态的拓扑结构和受限的网络能力特点，所以特别容易受到攻击。应用于Ad Hoc网络中的OLSR（Optimized Link State Routing Protocol,最优化链路状态路由协议）协议是由INRIA(法国国家信息与自动化研究所)开发提出，并被IETF MANET工作组确定为RFC标准的一种先应式无线移动Ad Hoc网络路由协议。OLSR协议在优化网络负载的同时，使得网络的完整性和安全性在一定程度上比较容易受到恶意节点攻击。例如：MPR（Multi-Point Relays,多点中继）节点就存在很大的安全隐患，这些隐患将给现代信息化战争带来严重后果。针对Ad Hoc网络的攻击有：虫洞攻击，黑洞攻击等。

1. 虫洞攻击

     虫洞攻击一般由2个能直接通信的攻击节点协同发动，它们之间的链路称为“隧道”(其长度大于普通节点信号覆盖半径，在路由上体现为1跳距离)是发动攻击的基础。虫洞攻击示意如图1，其中A和B是距离较远的2个节点，不在信号覆盖范围内，X和Y是协同攻击节点，在X和Y之间建立一条私密的链路形成“隧道”。

    当A向周围邻居发送HELLO报文时，X收到该报文后通过隧道传给Y，由Y原封不动地重放到网络中，B接收到A的HELLO报文，判定A为1跳邻居。因此A，B以及所有位于X,Y传播范围内正常节点的邻居表中均会存在伪邻居。若路由协议时以最优路径优先原则建立路由表项，A到B的最短距离是(2n+2)跳，则A的n跳内的邻居会通过“隧道”建立路由表项到达B。所有的节点的通信都暴露在攻击节点下，通过路由信息的扩散传播会使网络极大范围内的节点通信受控于攻击节点，攻击者对通过其路径的信息进行篡改、丢弃或窃取等恶意操作使网络中部分节点无法通信，甚至让整个网络瘫痪。

2. 黑洞攻击

    黑洞攻击的特征有：即使没有到目的节点的路由信息，黑洞节点也会声称自己具备该路由信息，目的是为了干扰正常的数据传输；当收到其它节点传来的数据分组时，黑洞节点会全部丢弃该分组以达到破坏网络的目的。黑洞攻击有两种方式：单个节点的黑洞攻击和多个节点配合的攻击。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种针对Ad Hoc网络中OLSR路由协议安全的解决方法，来解决路由节点受攻击的问题。

技术方案：本发明的方法是一种策略性的方法，通过引入节点消息的密钥认证以及对消息发送频率的监控达到对非法消息的过滤。

一、体系结构

1.基于OLSR路由协议的Ad Hoc网络通过HELLO消息互相发送邻居消息，图2给出了传统HELLO控制消息格式，其中字段含义如下所示： 

Reversed: 该字段是个预留字段。

    Willingness: 该字段表示节点为其他节点转发消息的乐意程度，主要有三种类型：WILL_NEVER表示节点不愿意参加消息转发；WILL_ALWAYS表示节点必然被选为MPR节点；WILL_DEFAULT表示看具体的网络节点分布情况，可能作为MPR节点。默认情况下该字段为WILL_DEFAULT。

    HTime：该字段表示HELLO消息发送周期，一般OLSR协议默认值为2秒，针对MPR节点的一种攻击方案便是对节点HELLO消息周期的修改，降低周期值并利用攻击节点模拟MPR节点发送HELLO消息给周围节点，将消息中的Willingness字段修改为WILL_NEVER（表示节点不愿作为MPR节点）。防御的第二阶段便是监测HELLO消息的发送周期。

    Link Code: 表示了节点与其邻居节点之间的链路类型和链接类型，ASYM_Link表示单向链路；SYM_Link表示双向链路，而且表示被该节点选为节点的MPR。

    Link Message Size: 给出本分组的大小，从Link Code字段开始计算，直到下一个Link Code字段，倘若没有后续的链路类型，则到该分组的结尾。

    Neighbor Interface Address: 邻居节点的地址列表。每一种链路类型之后都会紧跟若干个邻居地址列表，表明发送HELLO分组的节点到这些邻居列表中的所有节点的链路类型是前面Link Code中给出的链路类型。

2.图3给出了改进的HELLO消息格式，它与传统的HELLO控制消息相比没有增加消息大小，但是把消息中的一个Reversed字段改为Encrypt字段（放置加密信息）。

：在HELLO消息发送过程中提供密钥认证，该字段提供16位，利用SHA1算法对指定密钥进行加密，每个节点发送时进行加密，接收到消息后进行解密认证，如果认证失败则认为该消息非法，则丢弃该消息。

二、方法流程

1、针对MPR节点的攻击分析

OLSR是一种先应式的网络表现在节点定时广播HELLO和TC消息，HELLO消息主要用于实现链路侦测、邻居侦听的功能，以此建立节点的本地链路信息表，同时也用于向邻居节点通告本节点的MPR节点选择；TC消息用于执行MPR Selector链路状态声明，使得每个节点都能够感知全网拓扑图。OLSR协议的主要工作过程为：首先，节点之间周期性地互相发送HELLO消息来完成邻居探测，邻居探测也可以分为邻居节点探测、二跳邻居节点探测和对邻居关系变化的响应；其次，被选为MPR的节点才会把TC分组消息发送到全网，这可以大幅度减少控制消息的洪泛规模；最后是构建路由表，每个节点周期性地通过它周围的MPR节点传播TC消息到网络中的所有节点，消息中包含了该节点及其MPR selector之间的链路，网络中的每个节点通过接收到的TC消息建立它的拓扑表，然后再利用最短路径算法来计算出它的路由表。由此可以看出如果能够实现对网络中某个或某些MPR节点的攻击便能够使得网络中消息传送中断甚至是整个网络的瘫痪，同时如果攻击者使用另外一个节点来代替受攻击节点作为网络中的一个MPR节点，那么该节点可以在被攻击网络毫无感觉的情况下截获其中的消息。在战场环境下可以攻击对方的网络节点以达到窃取或破坏对方机密消息的目的。经过对OLSR协议的分析发现每个节点的HELLO消息中都带有一个willingness的字段，该字段表示发送消息的节点作为MPR节点的意愿程度，常用的有五种类型：WILL_NEVER表示节点不能作为MPR节点；WILL_ALWAYS表示节点必须被选择为MPR；WILL_DEFAULT表示节点可作为MPR但不是必须的，视具体的算法而定； WILL_LOW表示节点作为MPR节点的优先级较低；WILL_HIGH表示节点作为MPR节点的优先级较高。默认状态为WILL_DEFAULT。

针对MPR节点的攻击方案就是针对其中的willingness字段，具体方案为：如图4正常节点为12个，g1,g2为攻击节点。首先在被攻击节点1处安排两个攻击节点g1、g2，g1用于模拟被攻击节点1向周围一跳邻居节点发送HELLO消息，不过其中的willingness字段值为：WILL_NEVER，使得被攻击节点不能作为MPR节点，从而中断0节点与3节点的通讯。而且通过仿真发现通过修改攻击节点g1发送HELLO消息的频率可以使得经过被攻击节点1的数据丢包率不断增加，当频率足够大时0节点与3节点之间的联系完全中断。实现了对已有链路的破坏后，另外攻击节点g2开始工作，代替原1节点把已经断开的连接重新连接，让数据消息通过攻击节点g2，从而达到攻击网络的目的，接下来就可以窃取或修改消息。在实际攻击中g1节点攻击频率可以直接设置为能使得网络连接中断的值，而g2节点同时开始工作，几乎可以使得网络无法感觉到被攻击。用此方法在战场上便可以在关键时刻给对手以致命打击。

、针对MPR节点攻击的防御

上一节给出的攻击方案主要是针对HELLO消息中的willingness字段，所以接下来的防御方案也是针对HELLO消息，提高对非法HELLO消息的过滤能力。防御方案通过对HELLO消息加上两层过滤来实现（如图5所示）。

第一：通过分析HELLO消息的格式发现，其中有一个预留字段，基于这样一个字段我们可以在不增加HELLO消息长度的前提下给它加上验证来保证消息的安全。针对以上攻击采用以下的第一层过滤方案：修改OLSR协议，给发送的HELLO消息的预留字段加上一个加密的验证信息，而这个验证信息可以自由指定，但是必须保证大小不能超过16位表示范围的数或字符串，使用SHA1加密算法对信息进行加密。每个HELLO消息都会在SHA1加密的保护下发送，接收方在获取消息后首先提取出预留字段数据进行解密，如果解密信息和指定验证信息不一样则可以认为该消息非法，选择丢弃。通过这一层的过滤，在加密的保护下能抵御大部分非法HELLO消息攻击，但是SHA1加密算法并不是不可以破解，一旦这一层防御被攻破还有以下第二层的有效过滤。

第二：提取HELLO消息中的willingness字段并判断其值是否为WILL_NEVER，如果不是则说明没有受到攻击，正常处理HELLO消息；如果是则说明网络有可能受到攻击。通过在协议中添加HELLO消息跟踪监控功能，可以在这个时候监控发送该HELLO消息的一跳邻居节点发送消息的频率，如果在正常HELLO消息发送时间间隔过程中发现接收到多个同一邻居节点发送过来的消息（本文采用的是当前HELLO消息频率>原频率的2⁵倍），可以认为网络受到攻击，此时选择丢弃该HELLO消息，否则正常处理消息。

有益效果

本发明针对Ad Hoc网络OLSR协议中MPR节点的攻击，提出了一种解决方案。在攻击情况下整个网络有瘫痪甚至有被攻击者窃取或篡改数据的危险，但是带有防御功能的网络能够通过自身消息的密码保护和对消息发送频率的检测，达到双重安全保障的目的，从而使网络完全避免受到此类攻击，保证数据传输的安全性和可靠性。

附图说明

图1虫洞攻击示意图。

图2是原HELLO消息格式。

图3是修改后的HELLO消息格式。

图4基于MPR攻击模拟图。

图5针对MPR节点攻击的防御流程图。

具体实施方式

根据图4场景图假设0节点需要和3节点进行通讯，g1和g2是攻击节点，然后结合图5的流程图给出以下攻防过程：

1. OLSR是先应式的网络，在网络初始阶段整个网络结构已经建立好。

2. 首先在未受攻击的网络情况下，0节点能顺利向3节点发送消息。

3. 此时攻击节点g1和g2发动攻击，攻击是针对2节点，模拟2节点向周围节点发送HELLO消息，从而完全取代2节点，此时网络中消息已经完全暴露在攻击者面前。

4. 针对以上攻击设计以下防御流程：

1) 修改OLSR协议，将发送的HELLO消息的预留字段Reversed字段改为放置加密信息的Encrypt字段，大小不超过16位表示范围的数或字符串，使用SHA1加密算法对信息进行加密，网络中每个节点对接收到的HELLO消息进行解密检查，若其中的Encrypt内容为空，或者经过验证不是原来的加密信息则丢弃该消息，否则进入2)。

2) 获取HELLO消息中的Willingness字段，判断是否为WILL_NEVER，若不是则认为该消息是安全的，正常处理消息，否则进入3）。

3) 根据协议中添加的HELLO消息跟踪监控功能，监控该消息源发送的消息频率，如果其频率大于原频率的2⁵倍则可以认为消息非法，丢弃该消息，否则正常处理消息。

Claims (1)

1.一种OLSR路由协议中MPR节点攻击的防御方法，网络结构为采用OLSR路由协议的先应式网络，各个节点之间可以顺利发送消息,其特点在于包含以下步骤：

第一步：修改OLSR协议，将用于实现链路侦测、邻居侦听的HELLO消息的Reversed字段改为放置加密信息的Encrypt字段，大小不超过16位表示范围的数或字符串，使用SHA1加密算法对信息进行加密，接收方在获取消息后首先提取出Encrypt字段数据进行解密；

第二步：网络中每个节点对接收到的HELLO消息进行检查，接收方在获取消息后首先提取出Encrypt字段的加密数据进行解密，若其中的Encrypt字段为空，或者经过验证不是原来的加密信息则丢弃该消息，否则进入第三步；

第三步：获取HELLO消息中的Willingness字段，判断是否为WILL_NEVER，若不是则认为该消息是安全的，正常处理消息；

第四步：在协议中添加HELLO消息跟踪监控，监控发送该HELLO消息的一跳邻居节点发送消息的频率，如果在正常HELLO消息发送时间间隔过程中发现接收到多个同一邻居节点发送过来的消息， HELLO消息频率大于原频率的2⁵倍，则认为网络受到攻击，此时选择丢弃该HELLO消息，否则正常处理消息。

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