對(duì)MANET AODV路由協(xié)議攻擊效果分析

張宗恕

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

移動(dòng)無(wú)線自組網(wǎng)可以不需要其他基礎(chǔ)設(shè)施、自組織、自愈，具有抗毀性強(qiáng)、組網(wǎng)靈活的特點(diǎn)，有助于武器裝備的集中指揮和協(xié)同作戰(zhàn)，得到越來(lái)越廣泛的重視?，F(xiàn)存移動(dòng)無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議可分為2類(lèi):表驅(qū)動(dòng)(table-driven)和源發(fā)起按需(demonddriven)［1］。源發(fā)起按需路由協(xié)議只在源節(jié)點(diǎn)需要路由時(shí)才發(fā)起，降低網(wǎng)絡(luò)帶寬消耗，增強(qiáng)了通信的隱蔽性。典型的源發(fā)起按需路由包括:AODV、DSR(Dynamic Source Routing)和TORA(Temporally Ordered Routing Algorithm)等［2］。

移動(dòng)無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)由于采用無(wú)線信道、有限電源和分布式控制等技術(shù)，容易受到攻擊。充分利用協(xié)議信息，有可能實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的智能干擾［3］。本文基于AODV協(xié)議，建立受攻擊后的網(wǎng)絡(luò)流量分析模型，對(duì)協(xié)議攻擊的效果展開(kāi)分析。

1 AODV路由協(xié)議的工作過(guò)程

1.1 AODV路由協(xié)議的正常通信過(guò)程

傳統(tǒng)AODV路由協(xié)議使用路由請(qǐng)求、路由應(yīng)答和路由錯(cuò)誤［4］來(lái)建立路由，利用了路由表緩存機(jī)制，中間節(jié)點(diǎn)設(shè)一個(gè)條目表，其中每個(gè)目的地用一個(gè)條目表示，一個(gè)條目表示一條有效路徑。這樣，就可以為每一個(gè)目的地維持幾個(gè)路由緩存。AODV路由協(xié)議依靠路由表中的條目來(lái)將路由應(yīng)答RREP返回源節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而路由源和目的的數(shù)據(jù)包。

以圖1所示的網(wǎng)絡(luò)為例，假定A為源節(jié)點(diǎn)，P為目的節(jié)點(diǎn)，B、C、D為A的相鄰節(jié)點(diǎn)，E為C、D的相鄰節(jié)點(diǎn)。

圖1 AODV路由發(fā)現(xiàn)

其路由請(qǐng)求在圖1中用實(shí)線表示，過(guò)程如下:

① A首先向B、C、D發(fā)送路由請(qǐng)求RREQ，編號(hào)為:1、2、3;

②B、C、D收到路由請(qǐng)求后，向相鄰節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)RREQ;

③ C、D、E 丟棄重復(fù)路由請(qǐng)求 4、5、7、8;

④ E轉(zhuǎn)發(fā)路由請(qǐng)求，依此類(lèi)推，直到節(jié)點(diǎn)P。

其路由應(yīng)答在圖1中用虛線表示，其過(guò)程如下:

①目的節(jié)點(diǎn)P收到路由請(qǐng)求以后，將向路由請(qǐng)求源節(jié)點(diǎn)發(fā)送反向應(yīng)答RREP;

②中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)反向應(yīng)答RREP，并依此建立前向路由;

③源節(jié)點(diǎn)收到RREP，整個(gè)前向路由建立。

1.2 AODV路由協(xié)議對(duì)鏈路斷裂的處理

由源節(jié)點(diǎn)或者中間節(jié)點(diǎn)移動(dòng)，無(wú)線移動(dòng)自組網(wǎng)路由斷裂有2種可能:① 發(fā)送RREQ時(shí)，發(fā)現(xiàn)找不到路由表中的相鄰節(jié)點(diǎn);②目的節(jié)點(diǎn)或中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送RREP時(shí)，發(fā)現(xiàn)反向鏈路不可達(dá)。對(duì)第1種情況，路由泛搜索機(jī)制可以很好地處理。對(duì)第2種情況，在AODV路由協(xié)議中一般通過(guò)超時(shí)來(lái)重新啟動(dòng)泛搜索進(jìn)行處理。

1.3 AODV路由協(xié)議對(duì)環(huán)路的處理

AODV路由協(xié)議利用對(duì)網(wǎng)絡(luò)路由中目的序列號(hào)的管理來(lái)避免出現(xiàn)路由環(huán)路。通常AODV路由協(xié)議定義的網(wǎng)絡(luò)路由表項(xiàng)包含以下信息:源節(jié)點(diǎn)的IP地址、目的節(jié)點(diǎn)的IP地址、目的節(jié)點(diǎn)的序列號(hào)、目的序列號(hào)標(biāo)記、下一跳節(jié)點(diǎn)IP地址、跳數(shù)值、前驅(qū)鏈表指針、生存期和路由標(biāo)記。

每條路由表?xiàng)l目都各自使用一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)序號(hào)。目的節(jié)點(diǎn)序號(hào)由目的節(jié)點(diǎn)生成，包含在任何發(fā)送尋找路由的信息中。在已知的2條路徑中，接收節(jié)點(diǎn)總是選擇具有最大序號(hào)［5］的路由，以保證路由表中所維護(hù)的路由信息能夠反應(yīng)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)實(shí)際情況，對(duì)于過(guò)時(shí)信息則不進(jìn)行處理。當(dāng)鏈路失效或者某個(gè)無(wú)線路由器已經(jīng)無(wú)法提供其本身目的序列號(hào)信息時(shí)(如脫離移動(dòng)自組織無(wú)線網(wǎng)或者關(guān)機(jī))，無(wú)線路由器將目的序列號(hào)標(biāo)志和路由標(biāo)志置為“無(wú)效”，使對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)路由表項(xiàng)失效。

1.4 AODV路由協(xié)議路由更新

AODV路由協(xié)議的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都維護(hù)一個(gè)路由表項(xiàng)，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)都維護(hù)一個(gè)基于定時(shí)器的狀態(tài)信息。如果某個(gè)路由表項(xiàng)在一段時(shí)間內(nèi)沒(méi)被采用，那么它就會(huì)被認(rèn)為過(guò)時(shí)而被終止。節(jié)點(diǎn)周期性地廣播一個(gè)HELLO消息給鄰近節(jié)點(diǎn)，表明自己的存在。節(jié)點(diǎn)通過(guò)接收鄰近節(jié)點(diǎn)發(fā)送的HELLO消息來(lái)證實(shí)他們之間鏈路的有效性。如果在數(shù)據(jù)包的逐跳傳輸過(guò)程中發(fā)現(xiàn)鏈路中斷，節(jié)點(diǎn)就發(fā)送斷鏈通知分組(RERR)包通知它的前序節(jié)點(diǎn)，每個(gè)前序節(jié)點(diǎn)再轉(zhuǎn)發(fā)RERR包給它自己的前序節(jié)點(diǎn)，依此類(lèi)推，這樣就有效地擦除了使用這條中斷鏈路的所有路徑。接收到此信息的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相同的路由更新過(guò)程，直到活躍路徑上的所有節(jié)點(diǎn)更新路由表。

2 對(duì)AODV路由協(xié)議攻擊的分析模型

移動(dòng)無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)的特征決定了該網(wǎng)絡(luò)容易遭受惡意攻擊。攻擊可從2個(gè)方面入手:一是針對(duì)信號(hào)特點(diǎn)設(shè)計(jì)高效干擾樣式，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)的干擾;二是通過(guò)分析信號(hào)及信息流特征，實(shí)現(xiàn)協(xié)議攻擊。無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)多使用跳擴(kuò)、直擴(kuò)通信體制，TDMA、FDMA、CDMA等接入機(jī)制，針對(duì)其信號(hào)特點(diǎn)設(shè)計(jì)高效的干擾樣式，依靠功率，可實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)的壓制干擾［6］，在文獻(xiàn)中已有研究。這里重點(diǎn)分析對(duì)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議攻擊的效果。

分析模型如圖2所示，假定J點(diǎn)為輻射源，A區(qū)域表示輻射源能夠干擾區(qū)域內(nèi)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的路由申請(qǐng)和路由應(yīng)答，C區(qū)域?yàn)殡x輻射源較遠(yuǎn)的區(qū)域，干擾功率不足以壓制來(lái)自于相鄰節(jié)點(diǎn)的路由申請(qǐng)和路由應(yīng)答，B區(qū)域表示輻射源能夠干擾區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)來(lái)之A區(qū)節(jié)點(diǎn)的路由申請(qǐng)和路由應(yīng)答，而對(duì)來(lái)自C區(qū)的申請(qǐng)和應(yīng)答干擾無(wú)效。

圖2 分析模型

記A區(qū)節(jié)點(diǎn)為{NAi}，其路由申請(qǐng)包括:

RREQAA(NAi)和RREQBA(NAi)，其路由應(yīng)答為RREPAA(NAi)和 RREPBA(NAi)。

記B區(qū)節(jié)點(diǎn)為{NBi}，其路由申請(qǐng)包括:

RREQAB(NBi)、RREQBB(NBi)和 RREQCB(NBi)，其路由應(yīng)答包括:RREPAB(NBi)、RREPBB(NBi)和RREPCB(NBi)。

記C區(qū)節(jié)點(diǎn)為{NCi}，其路由申請(qǐng)包括:

RREQBC(NCi)和RREQCC(NCi)，其路由應(yīng)答包括:RREPBC(NCi)和RREPCC(NCi)。

3 網(wǎng)絡(luò)路由的攻擊途徑

3.1 阻塞路由請(qǐng)求

在實(shí)施干擾阻斷路由申請(qǐng)時(shí)，分析如下:

A區(qū):路由請(qǐng)求和應(yīng)答均被屏蔽，RREQAA(NAi)=0，RREQBA(NAi)=0，RREPAA(NAi)=0，RREPBA(NAi)=0。

B區(qū):RREQAB(NBi)=0，RREQCB(NBi)=RREPBC(NCi)，RREPCB(NBi)=RREQBC(NCi)，RREQBB(NBi)=RREPBB(NBi)。

因此，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)路由表中，到{NAi}的路由會(huì)被全部刪除，{NBi}相互間的路由以及{NBi}與{NCi}間的路由不受影響，實(shí)際干擾作用范圍為{NAi}。

3.2 阻塞路由應(yīng)答

在實(shí)施干擾阻斷路由應(yīng)答時(shí)，分析如下:

A區(qū):路由應(yīng)答被屏蔽，RREPAA(NAi)=0，RREPBA(NAi)=0，RREQAA(NAi)＞0，RREQAB(NAi)＞0。

B 區(qū):RREQCB(NBi)=RREPBC(NCi)，RREPCB(NBi)=RREQBC(NCi)，RREQBB(NBi)=RREPBB(NBi)。

因此，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)路由表中，{NBi}相互間的路由以及{NBi}與{NCi}間的路由不受影響，而{NAi}將定期發(fā)起路由泛搜索，查找新的路由，{NBi}會(huì)定期收到{NAi}的路由申請(qǐng)廣播，并向{NCi}擴(kuò)散。因此，實(shí)際干擾作用范圍為{NAi}，同時(shí)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)會(huì)定期受到{NAi}路由泛搜索的影響，其業(yè)務(wù)流量為RREQAB(NBi)、RREQBA(NAi)以及{NBi}對(duì)業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

3.3 信息攻擊

3.3.1 轉(zhuǎn)發(fā)路由申請(qǐng)

由于無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)在物理空間上是暴露的，通過(guò)監(jiān)聽(tīng)設(shè)備可以錄取網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男畔ⅲ缓笸ㄟ^(guò)信息篡改轉(zhuǎn)發(fā)，增加網(wǎng)絡(luò)的流量或者形成環(huán)路。根據(jù)AODV路由協(xié)議對(duì)環(huán)路的處理分析，中繼節(jié)點(diǎn)收到重復(fù)或轉(zhuǎn)發(fā)信息后，會(huì)對(duì)信息的序號(hào)進(jìn)行判斷，將重復(fù)或轉(zhuǎn)發(fā)信息直接丟棄，不會(huì)將信息進(jìn)行擴(kuò)散。采用轉(zhuǎn)發(fā)路由申請(qǐng)的方式實(shí)施干擾，分析如下:

A區(qū):(n+1)×RREQAA(NAi)＞0，(n+1)×RREQBA(NAi)＞0，其路由應(yīng)答為 RREPAA(NAi)和RREPBA(NAi)。

B 區(qū):RREQCB(NBi)= RREPBC(NCi)，RREPCB(NBi)=RREQBC(NCi)，RREQBB(NBi)=RREPBB(NBi)。

因此，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)路由表中，{NBi}相互間的路由以及{NBi}與{NCi}間的路由不受影響，而{NAi}將定期發(fā)起路由泛搜索，查找新的路由，{NBi}會(huì)定期收到{NAi}的路由申請(qǐng)廣播，并向{NCi}擴(kuò)散，同時(shí){NBi}會(huì)收到{NAi}的重復(fù)的路由申請(qǐng)廣播垃圾信息，這些信息會(huì)部分占用{NBi}的網(wǎng)絡(luò)資源。

3.3.2 轉(zhuǎn)發(fā)路由應(yīng)答

采用轉(zhuǎn)發(fā)路由應(yīng)答的方式實(shí)施干擾，分析如下:

A 區(qū):RREQAA(NAi)＞0，RREQBA(NAi)＞0，其路由應(yīng)答為(n+1)×RREPAA(NAi)＞0和(n+1)×RREPBA(NAi)＞0。

B 區(qū):RREQCB(NBi)=RREPBC(NCi)，RREPCB(NBi)=RREQBC(NCi)，RREQBB(NBi)=RREPBB(NBi)，RREPAB(NBi)=(n+1)×RREQAB(NBi)。

因此，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)路由表中，{NBi}相互間的路由以及{NBi}與{NCi}間的路由不受影響，而{NAi}將定期發(fā)起路由泛搜索，查找新的路由，{NBi}會(huì)定期收到{NAi}的路由申請(qǐng)廣播，并向{NCi}擴(kuò)散，同時(shí){NBi}會(huì)收到{NAi}的重復(fù)的路由應(yīng)答垃圾信息，這些信息會(huì)部分占用{NBi}的網(wǎng)絡(luò)資源。

3.3.3 模擬呼叫

通過(guò)俘獲的節(jié)點(diǎn)或呼叫模擬器，在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)起路由申請(qǐng)RREQ(N)，

式中，N為呼叫模擬器數(shù)量;Ti為節(jié)點(diǎn)的路由更新周期。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)增加、節(jié)點(diǎn)路由更新周期縮短時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)路由申請(qǐng)RREQ(N)會(huì)顯著增加，伴隨的網(wǎng)絡(luò)廣播會(huì)顯著增加，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的沖擊往往是致命的，有可能會(huì)癱瘓整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

3.3.4 模擬應(yīng)答

通過(guò)應(yīng)答模擬器，在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)起搶占應(yīng)答。

即A區(qū)，路由申請(qǐng)包括:RREQAA(NAi)和RREQBA(NAi)，其路由應(yīng)答為 2RREPAA(NAi)和2RREPBA(NAi)。

B區(qū)，路由申請(qǐng)包括 RREQAB(NBi)、RREQBB(NBi)和 RREQCB(NBi)，其路由應(yīng)答包括:2RREPAB(NBi)、RREPBB(NBi)和 RREPCB(NBi)。

這種干擾方式下，A、B、C區(qū)節(jié)點(diǎn)幾乎感覺(jué)不到A區(qū)通信被中斷，同時(shí)A、B、C區(qū)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)流量幾乎感覺(jué)不到變化，是最隱蔽的一種攻擊方式。

4 對(duì)AODV路由協(xié)議攻擊后的網(wǎng)絡(luò)流量

在圖2中，進(jìn)行如下的假設(shè):

① A 區(qū)節(jié)點(diǎn)數(shù)量為 M，即{NAi}，i=1，2，…，M，且任意2個(gè)節(jié)點(diǎn)均相鄰;

② B 區(qū)節(jié)點(diǎn)數(shù)量為 P，即{NBi}，i=1，2，…，P，且任意2個(gè)節(jié)點(diǎn)均相鄰;

③ C 區(qū)節(jié)點(diǎn)數(shù)量為 P，即{NCi}，i=1，2，…，K，且任意2個(gè)節(jié)點(diǎn)均相鄰;

④A區(qū)與B區(qū)任意2個(gè)節(jié)點(diǎn)均相鄰;

⑤B區(qū)與C區(qū)任意2個(gè)節(jié)點(diǎn)均相鄰;

⑥A區(qū)與C區(qū)任意2個(gè)節(jié)點(diǎn)均不相鄰;

⑦一次路由表更新，泛搜索發(fā)起節(jié)點(diǎn)向相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)起一次路由請(qǐng)求，對(duì)本次更新中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)路徑，不重復(fù)搜索;

⑧一次路由表更新，模擬呼叫量或模擬轉(zhuǎn)發(fā)量為n。

在假設(shè)條件下，采取不同的攻擊方式，其攻擊仿真分析結(jié)果如表1、表2和表3所示。

表1 正常通信網(wǎng)絡(luò)流量與分布

表2 阻塞方式的網(wǎng)絡(luò)流量與分布

表3 信息攻擊方式的網(wǎng)絡(luò)流量與分布

從表中可以得出:

①阻斷路由申請(qǐng)，影響區(qū)域主要為A區(qū)域，B、C區(qū)域網(wǎng)絡(luò)流量變化不大，其網(wǎng)絡(luò)特征為:A區(qū)節(jié)點(diǎn)通信中斷，網(wǎng)絡(luò)上監(jiān)測(cè)不到{NAi}發(fā)起的路由申請(qǐng)和路由應(yīng)答，可以監(jiān)測(cè)到{NAi}斷鏈后，B、C區(qū)域向A區(qū)域節(jié)點(diǎn)發(fā)起的路由申請(qǐng);

②阻斷路由應(yīng)答，影響區(qū)域主要為A區(qū)域，B、C區(qū)域網(wǎng)絡(luò)流量變化不大，其網(wǎng)絡(luò)特征為:A區(qū)節(jié)點(diǎn)通信中斷，網(wǎng)絡(luò)上監(jiān)測(cè)不到 RREPAA(NAi)和RREPBA(NAi)，可以監(jiān)測(cè)B、C區(qū)域向A區(qū)域節(jié)點(diǎn)發(fā)起的路由申請(qǐng)以及A區(qū)域向B、C區(qū)域節(jié)點(diǎn)發(fā)起的路由申請(qǐng);

③轉(zhuǎn)發(fā)路由申請(qǐng)或應(yīng)答，A區(qū)域網(wǎng)絡(luò)流量隨轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)顯著增加，B、C區(qū)域網(wǎng)絡(luò)流量變化不大，其網(wǎng)絡(luò)特征為:A區(qū)節(jié)點(diǎn)通信中斷，網(wǎng)絡(luò)上監(jiān)測(cè)到A、B區(qū)域出現(xiàn)大量的對(duì){NAi}、{NBi}節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)路由請(qǐng)求或路由應(yīng)答，C區(qū)域路由不受影響;

④模擬呼叫，網(wǎng)絡(luò)流量隨模擬呼叫次數(shù)顯著增加，且擴(kuò)散到B、C區(qū)域，其網(wǎng)絡(luò)特征為:A區(qū)節(jié)點(diǎn)通信中斷，網(wǎng)絡(luò)上在A、B、C區(qū)域均能監(jiān)測(cè)到大量的路由申請(qǐng)和路由應(yīng)答，B、C區(qū)域的通信資源被搶占消耗;

⑤模擬應(yīng)答，網(wǎng)絡(luò)流量的增加主要在A區(qū)域，B、C區(qū)域變化不大，其網(wǎng)絡(luò)特征為:A區(qū)節(jié)點(diǎn)通信中斷，B、C區(qū)域通信不受影響，B區(qū)可以收到A區(qū)重復(fù)的應(yīng)答。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)基于AODV協(xié)議的移動(dòng)無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)，建立了網(wǎng)絡(luò)流量的分析模型，從節(jié)點(diǎn)發(fā)起泛搜索路由的角度分析了不同協(xié)議攻擊方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量產(chǎn)生的影響，并給出了簡(jiǎn)化的網(wǎng)絡(luò)模型下的攻擊效果示例。實(shí)際不同廠商的路由設(shè)備對(duì)泛搜索路由策略不同，需要做具體的分析。本文采用的分析方法可以推廣應(yīng)用到針對(duì)其他協(xié)議的攻擊效果分析。網(wǎng)絡(luò)在受到攻擊狀態(tài)下的其他性能參數(shù)，如時(shí)延、能量消耗、攻擊者選擇多大的參數(shù)才能使攻擊效果達(dá)到最佳等問(wèn)題還需進(jìn)一步研究。

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