CN1741527A - 一种应用于ad hoc网络的合作增强机制的方法 - Google Patents

Abstract

一种应用于ad hoc网络的合作增强机制的方法，本发明引入了中心服务器，提供鉴权能力并保存每个节点的身份，存储每个用户相应的自私记录。方法包括：声望初值设定，用来确定新加入网络的节点声望初值；邻居合作监测和声望评价，监视网络中每个节点行为并检测来自不良节点的攻击，并根据邻居监测得到的声望值经评价系统计算得出节点的最终综合声望；对自私节点的反应机制，根据声望评价确定节点的可信度，当节点声望值低于门限值时，则认定其为自私节点，将其隔离在网络之外，并通知邻居节点或可信任中心服务器；自私节点的激励机制，自私节点应能通过合作以增加综合声望评价值，并重新加入到移动Ad hoc网络中。

Description

一种应用于ad hoc网络的合作增强机制的方法

所属技术领域

本发明涉及一种应用于ad hoc网络的合作增强机制的方法。本发明适用于无线网络应用领域，尤其适用于无线ad hoc网络应用领域。

背景技术

移动ad hoc网络(MANET)是不依赖于任何固定基础设施的临时性网络，采用自组织方式进行通信，目前ad Hoc网络已经得到了国际学术界和工业界的广泛关注，并正在得到越来越广泛的应用，已经成为移动通信技术向前发展的一个重要方向，并将在未来的通信技术中占据重要地位。但由于每个移动节点无线传输距离受限，节点之间有必要相互支持和帮助将分组数据包前转给目标点。在执行分组转发和路由等重要网络功能时，ad hoc网络节点是不可信任的。当然，某些少数应用中，如军事网络和企业内部网络，存在通用的、被信任的网络管理授权，但它需要防篡改硬件实现重要管理功能。而像MANET这样的开放环境里，管理网络的通用授权不存在，故ad hoc网络的任何节点都可能威胁到路由等基本功能的可靠性。

ad hoc网络与有基础设施(如基站)网络有所不同，其基本网络功能(如分组转发和路由)可由网络中所有可用节点来实现。这就需要所有节点之间的相互合作，而象MANET这样的环境中尤其缺乏电池能量资源，因而，新型的针对ad hoc网络的节点不良行为就出现了，这种缺乏合作的行为我们称作“节点自私行为”。通常，一个自私节点不会想采用主动攻击来直接地破坏其他节点(主要因为从能量消耗角度考虑主动攻击的代价较高)，但它为了保证电池能量仅用于自己的通信中，可以通过简单地不参加路由协议或不执行分组转发(也称作黑洞攻击)破坏网络的正常工作。

节点自私行为问题最近已引起研究人员的重视。在MANET中，增强合作性的机制可分为两类：第一类是基于货币的，第二类使用了本地监视技术。基于货币的系统实现很简单，但需要依赖于防篡改的硬件。这种方法的主要缺点是建立虚拟货币的交易在现实系统中不太可行。基于本地监视的合作安全性方案提供了更合适的自私问题解决方案，由MANET中的每个节点监视它的本地邻居，并对邻居节点的行为作出评估。基于评估标准，自私节点能逐渐从网络中隔离出来。这种研究方法的主要缺点是缺乏有关识别网络节点的安全机制，任何自私节点通过改变它的身份就能躲避合作增强机制并逃避惩罚。

Buchegger和Le Boudec提出了“节点合作公平实现动态ad hoc网络CONFIDANT(Cooperation Of Nodes：Fairness In Dynamic Ad-hoc NeTworks)”，通过观察或报告几种类型攻击来检测出恶意节点，节点路由时就可以绕开这些行为不良的节点并隔离它们。

CONFIDANT是基于DSR路由协议的一个扩展。DSR属于基于源路由的按需路由协议，它的工作过程如下：当节点S向节点D发送数据时，它首先检查缓存是否存在未过期的到目的节点的路由，如果存在，则直接使用可用的路由，否则启动路由发现过程，即源节点S发送路由请求消息(RREQ)，所有收到RREQ的节点将把自己的节点标识放入源路由，并转发给邻居节点，除非它们先前已经收到过此消息。当RREQ消息到达目的节点D或具有到达目的节点路由的中间节点时，会向S发送路由应答消息(RREP)，该消息中将包含源路由的反转路由信息，如果由于非对称链路的因素，RREP不可到达源节点，则D或该中间节点会启动一个返回源端的路由请求。当源节点收到一条或以上路由后，它将择优选择一条作为数据发送的路径，如果链路失效，中间节点不能向下一节点转发数据，它就会向源节点发送一个错误消息，源端就会改变路由，避免经过失效的链路。

CONFIDANT系统主要由四部分组成，即监视器、声望系统、信任管理器和路径管理器。监视器主要用来观察、记录节点的路由和前转行为是否异常，如果它们有理由确信某一邻居节点存在异常行为，它们可在自己路由和前转时采取相应的行动，并通过发送ALARM消息警告其他节点；声望系统是根据节点监视邻居节点的行为情况所作出的声望评价；信任管理器主要用来判决收到的ALARM是否可信，而路径管理器则可根据节点的声望值调节相应的行为，并对自私节点采取行动，即在路由过程中隔离该节点，或者同样不合作该节点发来的分组，或者前转关于有关该节点的ALARM。

CONFIDANT的缺点主要是抗欺骗攻击能力极低，由于它是一个基于检测的声望系统，声望仅对于每个节点保持身份不变时才有意义。

发明内容

为了克服现有的技术的不足，本发明提供一种应用于ad hoc网络的合作增强机制的方法，解决ad hoc网络自私节点问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提出了一种基于可信任中心服务器和邻居监测的ad hoc网络合作增强机制。

本发明中采用的路由协议是动态源路由(DSR)协议，基于声望值的合作增强安全方案的一个共性问题就是节点身份问题，当节点频繁更换身份时，声望系统对其就没有意义了。因此本发明中引入了与Internet网络相连的可信任的中心服务器，中心服务器提供鉴权能力并保存每个节点的身份，该身份与可验证的真实世界的身份相对应，此外实现鉴权的同时还可存储每个用户(身份)相应的自私记录。

本发明的合作增强安全机制的方法包括密切相关的4个过程步骤：

步骤1、声望初值设定，用来确定新加入网络的节点声望初值；

步骤2、邻居合作监测和声望评价，监视网络中每个节点行为并检测来自不良节点的攻击，并根据邻居监测得到的声望值经评价系统计算得出节点的最终综合声望；

步骤3、对自私节点的反应机制，根据声望评价确定节点的可信度，当节点声望值低于门限值(一般指取值为负值)时，则认定其为自私节点，将其隔离在网络之外，并通知邻居节点或可信任中心服务器；

步骤4、自私节点的激励机制，自私节点应能通过合作以增加综合声望评价值，并重新加入到移动Ad hoc网络中。

本发明的有益效果是，

1、通过邻居监测以及评价系统中引入加权因子衡量节点的综合声望值，建立了新的节点声望评价机制。

2、通过设置信任中心服务器，使节点在频繁改变身份时不能取得利益，解决了身份危机问题。

3、采用了激励机制来鼓励自私节点通过合作重新获得其他节点的信任。

4、本发明提出的ad hoc合作增强机制可使节点不需要防篡改硬件，设备复杂性降低，并且能够有效解决身份问题。

5、通过可信任中心服务器的管理，可以弥补移动ad hoc中管理方面的一些不足，并保留移动ad hoc网络灵活自主的特点，是一种非常实用的方法。

6、综合声望评价和激励机制的引进保证了网络的公平性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1、基于可信任中心服务器和邻居监测的合作增强系统结构；

图2、程序流程图。

具体实施方式

在图1中，基于可信任中心服务器(Server)和邻居监测的合作增强系统结构，由可信任中心服务器和一组节点所组成，这些节点应具有接入广域蜂窝网络的接口，例如，可从GPRS网络接收或向GPRS网络发送数据。通过广域蜂窝网络可接入到Internet网络，从而接入可信任中心服务器(以下简称中心服务器)验证身份，其他节点可向中心服务器查询关于某个节点(用户)的声望记录。

步骤1、进行节点的声望初值设定；

当一个新节点A要加入移动ad hoc网络时，首先到中心服务器上进行log in登记和身份验证，中心服务器通过节点的广域无线网接口接入，可由广域蜂窝运营商管理或者服务代理商管理。新节点A通过Hello消息可以与A的邻居节点B建立联系(可以是一个或多个，如图1所示A的邻居节点有B、C和D，这里以节点B为例)。B会查询节点自身存储的声望值表中是否有关于节点A的声望值r_A，并且未过期，如果有即可采用声望初值r₀＝r_A，如果没有，B会根据A的唯一标识符(身份)通过广域无线网接口向中心服务器查询其声望记录，中心服务器则根据本地存储的声望记录查询节点A是否有不良“前科”，如果有就发送给B一个负值作为新节点A的声望初值，如果没有存储则发送0值作为初值。

步骤2、邻居合作监测和声望评价；

当节点的声望初值设定后，该节点将在ad hoc中应用，此过程中，可采取类似“看门狗”这样的机制来探测行为不良的节点。当一个网络节点(B，监视者)需要监测其邻居节点(A，被监视者)对网络功能(路由或分组转发)实现情况时，就会激活监测设备，在B监测设备的临时缓冲器中存储了监测预期结果e_r(f)，并比较实际观测结果o_r(f)是否与其一致。如果一致，说明监测的功能被正确执行了，监测设备将清空缓冲器进入空闲状态，等待下一个功能监测；如果没有被正确执行，缓冲器将保留e_r(f)一定时间，超出时间范围还没有被执行，则观测结果为负值。通过邻居网络的检测评价值，可以更新B对A的声望评价值。

声望评价包括主观声望评价和间接声望评价方法。每个节点都存储一个声望表，包括节点唯一标识符，最近搜集的关于节点主观声望和近期其他节点提供的间接声望值。

主观声望评价是指由监视者B计算得出的声望值，并只在发送RREQ请求消息中更新。由于网络中某些处于不利地位的节点可能因为能量不足造成“自私”行为，这时就不能象对待恶意自私节点那样把这些个别“自私”节点排除在网络之外，必须给予正确的声望评价值。所以B在时刻t的主观声望值的计算将给过去的观测更多权重，这样也可以避免因链路中断而引起的虚假监测结果。计算主观声望评价的通用公式为

${\mathrm{sr}}_B^t\left(A\right)=\mathrm{\Σ\ρ}(t,t_k){\mathrm{\σ}}_k---\left(1\right)$

sr_B ^t(A)表示在t时刻监视者B给予被监视节点A的(必须是A的无线传输范围内的邻居)声望值，ρ(t，t_k)是与时间有关的归一化了的参数，可以给予过去的观测值σ_k更多的权重。σ_k表示第k次观测结果值。σ_k∈[-1，1]，如果为-1表明实际观测结果o_r(f)与预期结果不一致，如果取值为+1则表明二者一致，而如果在时间t内不足以判决出结果，则取中立值0。由以上可知sr_B ^t(A)∈[-1，1]。

间接声望评价是指B在时间t内从RREP应答消息中搜集来的关于A的间接声望值，如果RREP中记录了A的节点标识符，则间接声望值ir_B ^t(A)加1，其值的更新只与RREP应答消息有关。由于间接声望评价只能取正值，故可以防止多个恶意节点故意串通诋毁某个行为正常节点的声望。

综合声望评价可定义为

$r_B^t\left(A\right)=w_1{\mathrm{sr}}_B^t\left(A\right)+w_2{\mathrm{ir}}_B^t\left(A\right)---\left(2\right)$

W₁和W₂分别为主观声望和间接声望的权重。

通过邻居合作监测和声望评价，可以在功能上分配不同的权重，从而得出更精确的声望评价值。

步骤3、对自私节点的反应机制；

反应机制是指节点对自私节点所采取的行动，当节点B中经综合声望评价得出的节点A声望值低于门限值(一般指取值为负值)时，可认定其为自私节点，将其隔离在网络之外，即路由和分组发送时都不考虑经过该节点A的路径，并发送附加了节点B签名的ALARM警告消息通知可信任中心服务器。对于来自节点的ALARM消息，中心服务器必须检查ALARM的起始源以确定可信任程度，因此可采用类似Pretty Good Privacy(PGP)密钥管理和验证。中心服务器对节点可设置几种信任等极，例如，不知道、没有、边缘和完全。当中心服务器计算ALARM有效性时，它会检查所有附加验证签名的信任等级，并计算出关于ALARM有效性的加权值，比如两个边缘信任签名可等效于一个完全信任签名，权重可以根据实际情况进行调整。这样做的目的也是为了防止恶意节点串通诋毁行为正常节点的“诽谤”攻击。最终，中心服务器确认了ALARM的有效性后，它会将节点A设为自私节点。

中心服务器的自私节点记录也是有时间限制的，在规定时间t₁内，如果其他节点来查询节点A声望初值则会得到负值，从而使自私节点受到“惩罚”。超出规定时间t₁，就会把自私节点初始声望值归零。

步骤4、自私节点的激励机制；

为了鼓励自私节点加入到网络合作中，本发明中增加了激励机制，防止自私节点被其他节点永远排斥在网络之外。对于在规定时间t₁内的自私节点，如果它想通过合作重新加入到移动Ad hoc网络中，可以让邻居节点给予自私节点一个考察时期t₂(t₂＜t₁)，在考察时期内，邻居节点可以让自私节点参与路由和转发分组，但不转发来自自私节点的分组(即自私节点只为他人服务)；在考察时期结束之前，如果邻居节点给予自私节点的综合声望值能够变为正值，则可将它当成正常节点对待，并为其提供分组转发服务。

通过上述过程，可以实现在ad hoc网络中对自私节点的有效隔离，同时通过增加对自私节点的激励机制，给予自私节点改过机会，保证网络的公平性。

Claims (5)

1.一种应用于ad hoc网络的合作增强机制的方法，其特征是：包括下面的4个步骤：

步骤1、声望初值设定，用来确定新加入网络的节点声望初值；

步骤2、邻居合作监测和声望评价，监视网络中每个节点行为并检测来自不良节点的攻击，并根据邻居监测得到的声望值经评价系统计算得出节点的最终综合声望；

步骤3、对自私节点的反应机制，根据声望评价确定节点的可信度，当节点声望值低于门限值时，则认定其为自私节点，将其隔离在网络之外，并通知邻居节点或可信任中心服务器；

步骤4、自私节点的激励机制，自私节点通过合作增加综合声望评价值，并重新加入到移动Ad hoc网络中。

2.根据权利要求1所述的一种应用于ad hoc网络的合作增强机制的方法，其特征是：一个新节点A要加入移动ad hoc网络时，首先到中心服务器上进行log in登记和身份验证，中心服务器通过节点的广域无线网接口接入，新节点A通过Hello消息与A的邻居节点一个或多个B建立联系，B会查询节点自身存储的声望值表中是否有关于节点A的声望值r_A，并且未过期，如果有即可采用声望初值r₀＝r_A，如果没有，B会根据A的唯一标识符通过广域无线网接口向中心服务器查询其声望记录，中心服务器则根据本地存储的声望记录查询节点A是否有不良“前科”，如果有就发送给B一个负值作为新节点A的声望初值，如果没有存储则发送0值作为初值。

3.根据权利要求1或2所述的一种应用于ad hoc网络的合作增强机制的方法，其特征是：探测行为不良的节点，在B监测设备的临时缓冲器中存储了监测预期结果e_r(f)，并比较实际观测结果o_r(f)是否与其一致，如果一致，监测设备将清空缓冲器进入空闲状态，等待下一个功能监测；如果没有被正确执行，缓冲器将保留e_r(f)一定时间，超出时间范围还没有被执行，则观测结果为负值。

4.根据权利要求1或2所述的一种应用于ad hoc网络的合作增强机制的方法，其特征是：发送附加了节点B签名的ALARM警告消息通知可信任中心服务器，对于来自节点的ALARM消息，中心服务器采用密钥管理和验证，检查所有附加验证签名的信任等级，计算出关于ALARM有效性的加权值；

中心服务器的自私节点记录在超出规定时间t₁，就把自私节点初始声望值归零。

5.根据权利要求1或2所述的一种应用于ad hoc网络的合作增强机制的方法，其特征是：在规定时间t₁内，邻居节点给予自私节点一个考察时期t₂，如果邻居节点给予自私节点的综合声望值能够变为正值，则可将它当成正常节点对待，并为其提供分组转发服务。

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