CN108134772B - 一种采用aodv或dsdv协议实现的安全路由方法 - Google Patents

一种采用aodv或dsdv协议实现的安全路由方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用AODV或DSDV协议实现的安全路由方法，包括步骤：S1：节点获得网络的基本配置信息并得到节点之间的参数以及系统配置参数；S2：将所获取的节点之间的参数以及系统配置参数整理成参数库，并实现网络中节点的共享；S3：根据信息论安全容量的定义，推导出系统端到端安全连接概率EESCP的表达式；S4：根据所述的表达式建立系统优化模型，并从所述的参数库中导出相关的参数信息，代入优化模型；S5：根据所述的优化模型，分析并得到一种路由选择策略。本发明在假定未知窃听者位置及其信道状态信息的前提下，结合了基于信息论的物理层安全技术，且得到并运用了多跳中继网络的端到端安全连接概率。

Description

一种采用AODV或DSDV协议实现的安全路由方法
技术领域
本发明属于网络的安全通信领域，基于信息论的物理层安全技术，公开了一种针对解码转发中继网络，可采用传统AODV或DSDV协议实现的安全路由方法。
背景技术
在网络通信不断发展创新的过程中，作为网络通信的一个核心问题，信息安全一直是人们关注的重点，也是网络通信大规模普及和应用的前提条件。伴随着各种新型网络通信技术的不断涌现以及网络通信用户数量的快速增长，信息安全问题与日益严峻。此外，由于技术的复杂性和外界环境变化的动态性，解码转发中继网络的传统路由方法的安全性能受到了巨大的考验，与此同时，传统路由方法也面对着扩展性不佳的问题。
发明内容
针对上述路由方法中无法最大化网络安全性能，与扩展性不佳的问题。本发明公开了一种针对解码转发中继网络，可用传统AODV或DSDV协议实现的安全路由方法。该方法在假定未知窃听者位置及其信道状态信息(CSI)的前提下，结合基于信息论的物理层安全技术，得到多跳中继网络的端到端安全连接概率(EESCP)，并设计出一种能实现最大化网络安全性能的路由方法。该方法不仅实现了网络的安全通信，而且扩展性良好，可用传统AODV或DSDV协议实现。
本发明采取如下技术方案：
一种采用AODV或DSDV协议实现的安全路由方法，包括步骤：
S1：节点获得网络的基本配置信息并得到节点之间的参数以及系统配置参数；
S2：将所获取的节点之间的参数以及系统配置参数整理成参数库，并实现网络中节点的共享；
S3：根据信息论安全容量的定义，推导出系统端到端安全连接概率EESCP的表达式；
S4：根据所述的表达式建立系统优化模型，并从所述的参数库中导出相关的参数信息，代入优化模型；
S5：根据所述的优化模型，分析并得到一种路由选择策略。
优选的，所述的节点之间的参数包括邻居节点信息，所述的邻居节点信息包括：邻居节点位置，发送功率，邻居的邻居信息；
节点通过所述的邻居节点信息计算得到相互之间的距离与接受信噪比。
优选的，所述的系统配置参数，包括窃听者的密度。
优选的，步骤S1中所述的节点在初始化阶段获得网络的基本配置信息并进行计算，具体步骤如下：
S3.1：通过HELLO包交互获得邻居节点信息，并计算出节点间链路的信噪比、交换彼此的操作权限信息；
S3.2：分析低于预设权限的节点密度，作为窃听者密度信息；
S3.3：获得本节点位置信息；
S3.4：通过相邻节点交互获得其他节点位置信息，并计算相互之间的距离。
优选的，步骤S2中所述的实现网络中节点的共享，具体步骤如下：
定期发送HELLO信息来更新所述的基本配置信息与所述的参数信息。
优选的，步骤S3中所述的安全连接概率(Pr)定义式为：
Figure GDA0002684211600000021
其中，Q代表安全连接概率，
Figure GDA0002684211600000022
代表信息传输路径上合法节点接收的最小信噪比，
Figure GDA0002684211600000023
代表整条路径的最大信噪比,M为路由跳数，
Figure GDA0002684211600000024
代表节点Ni的发射功率，
Figure GDA0002684211600000025
和
Figure GDA0002684211600000026
分别代表节点Ni到节点Ni+1的距离和信道衰落系数,α代表路损因子,
Figure GDA0002684211600000031
和
Figure GDA0002684211600000032
分别代表节点Ni到节点Ni+1和窃听者Ej的路损指数距离；
Figure GDA0002684211600000033
代表整条路径的最大信噪比，Ej代表第j个窃听者，G代表窃听者的集合,
Figure GDA0002684211600000034
和
Figure GDA0002684211600000035
分别代表节点Ni到窃听者Ej的距离和信道衰落系数。
优选的，步骤S3中：
所述的安全连接概率(Pr)定义式Q的概率表达式为：
Figure GDA0002684211600000036
其中，E(·)代表求均值符号,z代表信息传输路径上合法节点接收的最小信噪比，t代表整条路径的最大信噪比,f(z,t)代表z和t的联合概率密度，f(z)代表z的概率密度，f(t)代表t的概率密度，E代表窃听者，GE代表窃听者的位置,
Figure GDA0002684211600000037
代表以GE为变量的均值，
Figure GDA0002684211600000038
代表以t和GE为变量的均值，GE代表窃听者的位置；
所述的安全连接概率(Pr)定义式Q的最终表达式为：
Figure GDA0002684211600000039
其中，Γ(·)代表伽玛分布，
Figure GDA0002684211600000041
其中l代表窃听链路，Pl代表所述窃听链路l的发送功率，hl代表所述窃听链路l的信道衰落系数,W代表总的窃听链路数，d1,d2,...,dl,...,dW代表按照大小排列后的窃听链路距离变量，
Figure GDA0002684211600000042
Figure GDA0002684211600000043
为窃听链路的路损指数距离；假设所有β中有a个不相等的数值，用β1，β2…βa表示，用ki表示每个βi中对应相等元素的个数，kl同理；其中，i从1取到a；l是除去当前i后从1取到a；
即k1+k2+…+ka＝W；ml≥0代表莱布尼茨公式中的求导次数，满足m1+m2+…+ma＝ki-j；
当功率被设为相等时，所述的安全连接概率(Pr)定义式Q的最终表达式为：
Figure GDA0002684211600000044
当所有β均不一样时，可得到如下安全连接概率：
Figure GDA0002684211600000045
优选的，步骤S4中所述的优化模型为：
Figure GDA0002684211600000046
其中，
Figure GDA0002684211600000047
为从源节点到目的节点的路由。
优选的，步骤S5中所述的路由选择策略为：
Figure GDA0002684211600000051
优选的，步骤S5中：
所述的路由选择策略，其最短路径算法的路由权重函数为：
Figure GDA0002684211600000052
本发明与现有技术相比有如下优点：
1.在假定未知窃听者位置及其信道状态信息(CSI)的前提下，结合了基于信息论的物理层安全技术，且得到并运用了多跳中继网络的端到端安全连接概率(EESCP)。
2.实现了网络的安全通信，且扩展性良好，可用传统AODV或DSDV协议实现，在实际运用中对现有运用环境变化较少，实用性更强。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步描述。
图1是节点与窃听者分布的示意图；
图2是所述一种可用AODV或DSDV协议实现的安全路由方法的流程图；
图3为路由对比仿真图。
具体实施方式
以下参考附图，对本发明的进一步详细阐述。
如图1所示，节点与窃听者的分布情况。
如图2所示，一种可采用AODV或DSDV协议实现的安全路由方法的流程，可以总结为：初始阶段：获得节点参数信息库；通过信息交互，实现参数信息库共享；推导得到端到端安全连接概率EESCP的表达式；建立系统优化模型；分析、优化系统模型，得到最终路由选择策略。
图3比较了几种路由算法在窃听者密度为λ＝10-5时的安全性能。算法(I)，(II)和算法(III)分别代表最短路径算法，改进的最短路径法，遍历方法和最小跳数路由方法，用带圆形的折线、带五角星的折线和带三角形的折线代表找到的对应路由。由图3可以看出，最小跳数路由算法选择的路径偏离最优路径最远。
表1为图3对应路由的安全连接概率表。
表1
指标算法 基准路由 提出的路由 最小跳数路由
EESCP 0.9142 0.9043 0.8613
结合表1中端到端安全连接概率值可以知道，相对于本发明的算法，最小跳数路由也具有最小的端到端安全连接概率值。这是因为：最小跳数路由选择最小N的时候，也就意味着它选择的每一跳距离d都是非常大的，所以其使得
Figure GDA0002684211600000061
的总和大于本发明的算法，所以其端到端安全连接概率值更小，安全性较低。
以下是本发明一种优选方案：
一种可采用AODV或DSDV协议实现的安全路由方法，包括以下步骤：
步骤一：初始化阶段：在本阶段节点获得网络的基本配置信息并得到节点之间的参数以及系统配置参数。首先，节点通过邻居之间相互传递消息获取邻居节点信息，这些信息包括：邻居节点位置，发送功率，邻居的邻居信息等；然后根据所述的邻居节点信息计算相互之间的距离，接收信噪比等信息。同时需要得到诸如窃听者的密度等相关已知的系统配置参数。
步骤二：将所获取的参数整理成参数库，并实现网络中节点的共享，为后期实现路由选择提供条件。
步骤三：根据信息论安全容量的定义，推导出系统端到端安全连接概率EESCP的表达式。
步骤四：根据该表达式建立系统优化模型，并从已知参数库中导出相关参数，代入优化模型。
步骤五：根据所得到的优化模型，分析并得到一种简单易实现的路由选择策略。
步骤一中初始化阶段实现的网络的基本配置信息获取，具体表现为：
通过HELLO包交互获得邻居信息，并且计算出节点间链路的信噪比，以及交换彼此的操作权限信息；
分析低于预设权限的节点密度，作为窃听者密度信息；
通过GPS定位获得本节点位置信息；
通过相邻节点交互来获得其他节点位置信息，并计算相互之间的距离；
步骤二中的信息共享阶段，具体表现为：
通过定期的发送HELLO信息来更新步骤一中的相关数据信息，包括所述的基本配置信息以及所述的节点之间的参数、所述的系统配置参数。
步骤三中对于一条给定路径的安全连接概率(Pr)定义式为
Figure GDA0002684211600000071
其中
Figure GDA0002684211600000072
代表信息传输路径上合法节点接收的最小信噪比，只有当整条路径上最危险的那一跳安全时，该信息才能最终安全传输；
Figure GDA0002684211600000073
代表着在窃听者相互勾结，互相传递消息的情况下，窃听者所能从整条路径获得的最大信噪比。Pr(*)表示求*表达式的概率。
步骤三中
(1)Q的概率表达式：
Figure GDA0002684211600000074
其中E(·)代表求均值符号,GE代表窃听者的位置。
(2)Q的最终表达式：
Figure GDA0002684211600000075
其中Γ(·)代表伽玛分布，
Figure GDA0002684211600000076
其中l代表网络中存在的窃听链路，Pl代表链路l的发送功率，W代表总的窃听链路数，d1,d2,...,dl,...,dW代表按照大小排列后的窃听链路距离变量，
Figure GDA0002684211600000081
假设所有β中有a个不相等的数值，用β1，β2…βa表示，用ki表示每个βi中对应相等元素的个数，所以k1+k2+…+ka＝W。
(3)当功率设为相等时，Q的最终表达式：
Figure GDA0002684211600000082
(4)进一步假设所有βi均不一样，可得到如下安全连接概率：
Figure GDA0002684211600000083
步骤四中优化模型为：
Figure GDA0002684211600000084
步骤五中路由方法为：
Figure GDA0002684211600000085
步骤五中，所述的路由选择策略，其最短路径算法的路由权重函数为：
Figure GDA0002684211600000086
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种采用AODV或DSDV协议实现的安全路由方法，其特征在于，包括步骤：
S1：节点获得网络的基本配置信息并得到节点之间的参数以及系统配置参数；
S2：将所获取的节点之间的参数以及系统配置参数整理成参数库，并实现网络中节点的共享；
S3：根据信息论安全容量的定义，推导出系统端到端安全连接概率EESCP的表达式；
S4：根据所述的表达式建立系统优化模型，并从所述的参数库中导出相关的参数信息，代入优化模型；
S5：根据所述的优化模型，分析并得到路由选择策略；
所述步骤S3中所述的安全连接概率(Pr)定义式为：
Figure FDA0002684211590000011
其中，Q代表安全连接概率，
Figure FDA0002684211590000012
代表信息传输路径上合法节点接收的最小信噪比，
Figure FDA0002684211590000013
代表整条路径的最大信噪比,M为路由跳数，
Figure FDA0002684211590000014
代表节点Ni的发射功率，
Figure FDA0002684211590000015
和
Figure FDA0002684211590000016
分别代表节点Ni到节点Ni+1的距离和信道衰落系数,α代表路损因子,
Figure FDA0002684211590000017
和
Figure FDA0002684211590000018
分别代表节点Ni到节点Ni+1和窃听者Ej的路损指数距离；
Figure FDA0002684211590000019
代表整条路径的最大信噪比，Ej代表第j个窃听者，G代表窃听者的集合,
Figure FDA00026842115900000110
和
Figure FDA00026842115900000111
分别代表节点Ni到窃听者Ej的距离和信道衰落系数；
所述步骤S3中：
所述的安全连接概率(Pr)的概率表达式为：
Figure FDA0002684211590000021
其中，E(·)代表求均值符号,z代表信息传输路径上合法节点接收的最小信噪比，t代表整条路径的最大信噪比,f(z,t)代表z和t的联合概率密度，f(z)代表z的概率密度，f(t)代表t的概率密度，E代表窃听者，GE代表窃听者的位置,
Figure FDA0002684211590000022
代表以GE为变量的均值，
Figure FDA0002684211590000023
代表以t和GE为变量的均值，GE代表窃听者的位置；
所述的安全连接概率(Pr)定义式Q的最终表达式为：
Figure FDA0002684211590000024
其中，Γ(·)代表伽玛分布，
Figure FDA0002684211590000025
其中l代表窃听链路，Pl代表所述窃听链路l的发送功率，hl代表所述窃听链路l的信道衰落系数,W代表总的窃听链路数，d1,d2,...,dl,...,dW代表按照大小排列后的窃听链路距离变量，
Figure FDA0002684211590000026
Figure FDA0002684211590000027
为窃听链路的路损指数距离；假设所有β中有a个不相等的数值，用β1，β2…βa表示，用ki表示每个βi中对应相等元素的个数，kl同理；其中，i从1取到a；l是除去当前i后从1取到a；即k1+k2+…+ka＝W；ml≥0代表莱布尼茨公式中的求导次数，满足m1+m2+…+ma＝ki-j；
当功率被设为相等时，所述的安全连接概率(Pr)定义式Q的最终表达式为：
Figure FDA0002684211590000031
当所有β均不一样时，得到如下安全连接概率：
Figure FDA0002684211590000032
2.如权利要求1所述采用AODV或DSDV协议实现的安全路由方法，其特征在于，
所述的节点之间的参数包括邻居节点信息，所述的邻居节点信息包括：邻居节点位置、发送功率、邻居的邻居信息；
节点通过所述的邻居节点信息计算得到相互之间的距离与接收信噪比。
3.如权利要求1所述采用AODV或DSDV协议实现的安全路由方法，其特征在于，
所述的系统配置参数包括窃听者的密度。
4.如权利要求1-3任一项所述采用AODV或DSDV协议实现的安全路由方法，其特征在于，步骤S1中所述的节点在初始化阶段获得网络的基本配置信息并进行计算，具体步骤如下：
S3.1：通过HELLO包交互获得邻居节点信息，并计算出节点间链路的信噪比、交换彼此的操作权限信息；
S3.2：分析低于预设权限的节点密度，作为窃听者密度信息；
S3.3：获得本节点位置信息；
S3.4：通过相邻节点交互获得其他节点位置信息，并计算相互之间的距离。
5.如权利要求1所述采用AODV或DSDV协议实现的安全路由方法，其特征在于，步骤S2中所述的实现网络中节点的共享，具体步骤如下：
定期发送HELLO信息来更新所述的基本配置信息与所述的节点之间的参数、所述的系统配置参数。
6.如权利要求1所述采用AODV或DSDV协议实现的安全路由方法，其特征在于，步骤S4中所述的优化模型为：
Figure FDA0002684211590000041
其中，
Figure FDA0002684211590000042
为从源节点到目的节点的路由。
7.如权利要求1所述采用AODV或DSDV协议实现的安全路由方法，其特征在于，步骤S5中所述的路由选择策略为：
Figure FDA0002684211590000043
8.如权利要求7所述采用AODV或DSDV协议实现的安全路由方法，其特征在于，步骤S5中：
所述的路由选择策略，其最短路径算法的路由权重函数为：
Figure FDA0002684211590000044
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