一種基于隨機線性網(wǎng)絡(luò)編碼的衛(wèi)星網(wǎng)抗毀路由協(xié)議

郝選文，馬建峰

(1.西安電子科技大學計算機網(wǎng)絡(luò)與信息安全教育部重點實驗室，陜西 西安 710071;2.陜西師范大學計算機科學學院，陜西 西安 710062)

隨著航天技術(shù)的迅猛發(fā)展和快速應(yīng)用，空間在軍事、政治和經(jīng)濟等領(lǐng)域的戰(zhàn)略地位日益重要，奪取空間優(yōu)勢成為世界各國發(fā)展航天力量的首要任務(wù).發(fā)展以衛(wèi)星系統(tǒng)為核心［1］的空間網(wǎng)絡(luò)是世界各國發(fā)展航天力量的重要任務(wù)之一.空間網(wǎng)絡(luò)作為一種新型的無線網(wǎng)絡(luò)，易受到偽造、竊聽、拒絕服務(wù)等攻擊.由于路由交換部件擔負著星間數(shù)據(jù)鏈路的實現(xiàn)、各種數(shù)據(jù)的安全監(jiān)測與分發(fā)等重任，路由技術(shù)是空間網(wǎng)絡(luò)得以持續(xù)、安全運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵所在.因此，開展在空間網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的抗毀安全路由交換技術(shù)研究是非常必要的.目前國內(nèi)外專家學者在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由方面已經(jīng)提出了許多算法［1－8］.根據(jù)算法的主要特征，現(xiàn)有路由算法可以劃分為單層星座路由算法和多層星座路由算法.單層星座路由算法主要針對低軌道衛(wèi)星構(gòu)成的系統(tǒng)，比較有影響的單層星座面向連接的路由算法是Gounder提出的基于快照序列的路由［4］和Eylem Ekici提出的分布式路由［5］.多層星座路由算法的研究主要針對中軌道衛(wèi)星和低軌道衛(wèi)星兩層星座構(gòu)成的系統(tǒng)，算法多采用主從模式，以中軌道衛(wèi)星為主干，低軌道衛(wèi)星為接入衛(wèi)星.比較有影響的多層星座路由算法是Ian F Akyildiz提出的多層衛(wèi)星路由MLSR［6］.這些路由算法大多都沒有充分考慮衛(wèi)星節(jié)點失效的情況和路由信息的安全性，不能有效應(yīng)對衛(wèi)星節(jié)點被動失效對整個空間網(wǎng)絡(luò)造成的影響，也不能有效地抵制路由篡改和偽造等攻擊，沒有防止路由黑洞、路由重播攻擊的功能.針對以上協(xié)議的問題提出了一種基于隨機線性網(wǎng)絡(luò)編碼的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)抗毀路由協(xié)議.

文中以隨機線性網(wǎng)絡(luò)編碼為基礎(chǔ)，將其與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議相結(jié)合，提出基于隨機線性網(wǎng)絡(luò)編碼的衛(wèi)星網(wǎng)抗毀路由協(xié)議，最后對協(xié)議進行仿真分析.

1 GEO-LEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

同步地球軌道衛(wèi)星GEO(geosynchronous earth orbit，GEO)衛(wèi)星軌道高，相對地面位置固定，3顆GEO衛(wèi)星即可實現(xiàn)全球覆蓋;低地球軌道衛(wèi)星LEO(low earth orbit，LEO)的星地時延非常小，適合提供各類實時通信，地面用戶使用手持設(shè)備即可接入LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò).根據(jù)對衛(wèi)星星座特性的研究，我們設(shè)計了一種GEO-LEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò).衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)由LEO衛(wèi)星層和GEO衛(wèi)星層所組成.GEO層包括衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中所有的GEO衛(wèi)星，軌道內(nèi)的第i顆GEO衛(wèi)星用Gi表示;LEO層包括衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中所有的LEO衛(wèi)星，在GEO衛(wèi)星Gi覆蓋下的第j顆LEO衛(wèi)星用Lij表示.

衛(wèi)星同層間的通信通過星間鏈路ISLs(innersatellite links，ISLs)來完成.在任何給定的時間內(nèi)，每個LEO衛(wèi)星通過同層的雙向ISLs與它周圍最臨近的4個衛(wèi)星鏈接.GEO衛(wèi)星也是通過ISLs與相鄰的兩個衛(wèi)星通信.GEO和LEO軌道層衛(wèi)星間的通信通過軌間鏈路 IOLs(inner-orbital links，IOLs)完成.每個GEO衛(wèi)星與低于它所在軌道且處在它覆蓋區(qū)間的LEO衛(wèi)星通過IOLs聯(lián)接.用戶通過用戶數(shù)據(jù)鏈路 UDLs(user data links，UDLs)同LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信，單個衛(wèi)星能與多重地面用戶保持UDLs.當有LEO衛(wèi)星進入一顆GEO衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域時，LEO衛(wèi)星注冊到該GEO衛(wèi)星，這些在同一GEO衛(wèi)星下的LEO衛(wèi)星構(gòu)成一個LEO衛(wèi)星組，如圖1所示.

圖1 GEO-LEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

2 基于網(wǎng)絡(luò)編碼的抗毀路由協(xié)議

2.1 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)編碼的選擇

網(wǎng)絡(luò)編碼理論最早由Ahlswede等人［9］開始研究，他們提出，通過使用網(wǎng)絡(luò)編碼，網(wǎng)絡(luò)的組播能力可以達到組播樹的最大流最小割流量，而這種網(wǎng)絡(luò)吞吐量是常規(guī)路由無法達到的.

將網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)引入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)能夠有效地節(jié)省各種衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源.在線性網(wǎng)絡(luò)編碼中，首先由源節(jié)點啟動一個多項式時間算法來確定和分配每個編碼點的局部編碼向量.這樣就帶來了許多不便之處.在多項式時間算法中，源節(jié)點需要了解整個網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，確定編碼點，能為每一個編碼點所在的節(jié)點分配局部編碼向量.線性網(wǎng)絡(luò)編碼的處理過程決定了它適用于網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的情況.因此，線性網(wǎng)絡(luò)編碼主要適用于網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定的有線網(wǎng)絡(luò)，難以分布式實現(xiàn)，不能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)變化.隨機線性網(wǎng)絡(luò)編碼不需要預(yù)先啟動一個算法來分配局部編碼向量.其局部編碼系數(shù)都是從一個有限域中隨機選取的.隨機線性網(wǎng)絡(luò)編碼的特點決定了它可以適用于網(wǎng)絡(luò)拓撲動態(tài)變化，網(wǎng)絡(luò)鏈路變化頻繁的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)環(huán)境.

2.2 衛(wèi)星覆蓋域分時及相關(guān)定義

定義1 衛(wèi)星覆蓋域:在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運行的不同時刻，每顆衛(wèi)星覆蓋不同地面區(qū)域，把地球表面覆蓋域劃分成不同區(qū)域并給各個區(qū)域賦予不同的地址編號，該劃分區(qū)域稱為衛(wèi)星覆蓋域.

定義2 LEO衛(wèi)星時間片:一顆LEO衛(wèi)星從運行進入一個LEO衛(wèi)星覆蓋域到運行離開該覆蓋域的時間稱為LEO衛(wèi)星時間片.定義［tl1，tl2］時間間隔為LEO衛(wèi)星層時間片，該時間片內(nèi)LEO衛(wèi)星層內(nèi)衛(wèi)星位置保持相對不變.

將LEO衛(wèi)星運行周期分為若干個LEO衛(wèi)星時間片，將動態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓撲離散化為一系列靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓撲，星際鏈路長度和通斷僅在每個LEO衛(wèi)星時間片的開始時刻發(fā)生改變.通過設(shè)立LEO衛(wèi)星時間片，從LEO衛(wèi)星真實位置的動態(tài)變化到與LEO衛(wèi)星覆蓋域相對靜止的轉(zhuǎn)化，屏蔽了LEO衛(wèi)星星座的動態(tài)性.

定義3 LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)虛擬拓撲圖:根據(jù)LEO衛(wèi)星星座運行的可預(yù)測性和周期性，在每一個時間片內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)都可以被預(yù)先模型化為一個靜態(tài)的加權(quán)無向圖＜Gk=(L，N)＞，L為所有星間鏈路ISLs的集合，N為所有LEO衛(wèi)星節(jié)點的集合，稱該圖為LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的虛擬拓撲圖.

定義4 切換表:對于LEO節(jié)點Lij，定義切換表記錄LEO衛(wèi)星Lij的路由表切換時間，表項格式為＜STime，Num＞，其中 STime為切換時刻，Num為路由表編號.

2.3 密鑰管理

2.3.1 密鑰初始化

由 GEO 衛(wèi)星生成一個 5 元組(e，G1，G2，g，p)，其中e為一個可計算的雙線性映射e:G1×G1→G2，G1，G2為兩個有著相同素數(shù)階為p的乘法循環(huán)群.g是G1的生成器;選擇隨機的SK∈Zp作為私鑰，計算PK=gSK作為公鑰.

每顆LEO衛(wèi)星在加入到一個GEO/LEO衛(wèi)星組之前，首先需要通過GEO衛(wèi)星的身份認證，經(jīng)過認證后，在每個 LEO衛(wèi)星時間片［tl1，tl2］周期起始STime，GEO衛(wèi)星為覆蓋其下的所以LEO衛(wèi)星生成和分發(fā)密鑰.

2.3.2 同態(tài)簽名

LEO衛(wèi)星路由發(fā)起過程中的簽名以及中繼LEO衛(wèi)星節(jié)點和目的LEO衛(wèi)星節(jié)點的簽名驗證采用羅海等［10］提出的網(wǎng)絡(luò)編碼同態(tài)簽名方案.

2.4 LEO衛(wèi)星單步鄰接表

LEO層衛(wèi)星維護一張單步鄰接表，該單步鄰接表如圖2所示，用來記錄該LEO衛(wèi)星節(jié)點的同層一跳鄰居LEO衛(wèi)星節(jié)點的信息;每經(jīng)過［tl1，tl2］時間間隔，LEO衛(wèi)星節(jié)點向其他LEO衛(wèi)星節(jié)點廣播一條HELLO消息，當一個節(jié)點收到此消息后，更新其單步鄰接表.

圖2 單步鄰接表示意圖

在LEO衛(wèi)星時間片初始對鄰接表進行更新，可以實時保存LEO衛(wèi)星局部虛擬拓撲信息.

2.5 報文格式

報文格式設(shè)計［11］如圖3所示.

圖3 報文格式

報文格式含義如下:MTime:報文產(chǎn)生時間，用于驗證報文的新鮮性.SIP:發(fā)起路由請求的節(jié)點的IP地址.TIP:路由請求的目的IP地址.Step:LEO衛(wèi)星跳數(shù)，通過LEO衛(wèi)星的單步鄰接表可以進行判斷;當通信發(fā)生在一個LEO衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域內(nèi)，不需要路由，不需要進行網(wǎng)絡(luò)編碼，Step設(shè)置為0;當通信發(fā)生在兩個鄰接的LEO衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域內(nèi)，需要路由，但是網(wǎng)絡(luò)編碼沒有意義，不需要進行網(wǎng)絡(luò)編碼，Step設(shè)置為1;當通信發(fā)生在兩個不鄰接的LEO衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域內(nèi)，需要路由，也需要進行網(wǎng)絡(luò)編碼，Step設(shè)置為2.NC:是否進行了網(wǎng)絡(luò)編碼，0表示未編碼的報文，1表示編碼的報文.NCSeq:若進行了網(wǎng)絡(luò)編碼，編碼后的報文序列號.IDList:序列號列表，與源節(jié)點IP地址一起唯一確定了編碼報文是由哪些RREQ報文線性編碼而來的.HCou:用來記錄編碼RREQ報文后的跳數(shù).Vec:從某個有限域中隨機選取的編碼系數(shù)，未編碼時該項為空.RMes:封裝的源RREQ報文.Sig:編碼后報文的簽名，Sig=Signature(Vec‖RMes).簽名范圍包括編碼系數(shù)Vec及編碼報文RMes.

2.6 路由建立

2.6.1 路由觸發(fā)

在每個LEO 衛(wèi)星時間片［tl1，tl2］起始 STime，路由查找產(chǎn)生路由表后，在該LEO衛(wèi)星時間片內(nèi)對該路由表進行存儲，如果在該LEO衛(wèi)星時間片內(nèi)沒有衛(wèi)星節(jié)點失效或鏈路擁塞的情況出現(xiàn)，則各衛(wèi)星節(jié)點間的相互關(guān)系保持不變，路由表保持不變.如果在該LEO衛(wèi)星時間片之間出現(xiàn)衛(wèi)星節(jié)點失效或鏈路擁塞等情況，則需要觸發(fā)路由更新過程，重新進行路由查找，建立新的有效路由表.直到下個衛(wèi)星周期開始，路由表切換時間為STime時再開始新的路由表建立過程.

2.6.2 路由發(fā)起

當源LEO衛(wèi)星節(jié)點需要和目的LEO衛(wèi)星節(jié)點的通信時，源LEO衛(wèi)星通過其單步鄰接表進行判斷，若通信發(fā)生在其自身的覆蓋區(qū)域內(nèi)，不需要路由，不需要進行網(wǎng)絡(luò)編碼，直接進行消息轉(zhuǎn)發(fā);若通信發(fā)生在和其鄰接的LEO衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域內(nèi)，則需要簡單路由，網(wǎng)絡(luò)編碼仍然沒有意義，源LEO衛(wèi)星通過其鄰接表的虛擬拓撲直接轉(zhuǎn)發(fā)消息到鄰接LEO衛(wèi)星，不進行網(wǎng)絡(luò)編碼;若通信發(fā)生在兩個不鄰接的LEO衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域內(nèi)，需要路由，也需要進行網(wǎng)絡(luò)編碼，路由過程如下.

1)發(fā)送請求

當源LEO衛(wèi)星節(jié)點需要選擇到達目的LEO衛(wèi)星節(jié)點的路由時，源LEO衛(wèi)星節(jié)點Lij首先判斷NC的值，若NC=1;接著產(chǎn)生RREQ請求報文Mi;進行編碼時，首先從有限域GF(2s)中選取m個隨機數(shù)，組成局部編碼向量 a=(a1，a2，…，am)，然后，將報文進行線性編碼運算;源衛(wèi)星節(jié)點Lij使用簽名算法對編碼系數(shù)Vec與編碼后的請求報文RMes使用Lij的私鑰SKLij簽名.

2)中繼轉(zhuǎn)發(fā)

中繼LEO衛(wèi)星節(jié)Lik在收到源LEO衛(wèi)星節(jié)點Lij發(fā)送過來的編碼包后，先通過Mtime驗證報文是否新鮮，若不新鮮則直接丟棄;若未被丟棄，接著與之前已收到的同一數(shù)據(jù)段的編碼包解碼，利用源LEO衛(wèi)星節(jié)點的公鑰對接收的消息Mi和其簽名Sig進行驗證，如果驗證不成功，丟棄該報文，否則中繼LEO衛(wèi)星節(jié)Lik對照其單步鄰接表對收到的報文重新進行編碼并轉(zhuǎn)發(fā)出去.

3)解碼回應(yīng)

LEO衛(wèi)星接收節(jié)點Lxy收到k個線性無關(guān)的編碼包后解碼出原始數(shù)據(jù)包，并利用源LEO衛(wèi)星節(jié)點的公鑰對收到消息的簽名進行驗證，若簽名驗證不成功，丟棄該分組，若簽名驗證成功，則接收節(jié)點Lxy回應(yīng)RREP消息;LEO衛(wèi)星接收節(jié)點Lxy收到RREQ后，將HCou加1并轉(zhuǎn)發(fā)RREQ.

2.6.3 路由建立

源LEO衛(wèi)星節(jié)點Lij收到RREP報文后，選擇RREP報文中中跳數(shù)最小的路由作為最優(yōu)路由.然后，LEO衛(wèi)星節(jié)點Lij向選擇的路由的下一跳LEO衛(wèi)星節(jié)點Lik發(fā)送路由激活報文MACT.

2.6.4 路由維護

當某個有效路由上的鏈路由于LEO衛(wèi)星節(jié)點自身故障或被攻擊而失效導致鏈路損壞，或者鏈路擁塞，則其鄰居LEO衛(wèi)星節(jié)點利用錯誤消息ERR報告給GEO管理衛(wèi)星.所有ERR消息均要求報告節(jié)點使用其私鑰進行簽名.GEO管理衛(wèi)星收到兩個以上的不同LEO衛(wèi)星通過IOLs報告的ERR消息后，GEO管理衛(wèi)星通過IOLs向所有LEO衛(wèi)星廣播吊銷失效LEO衛(wèi)星的密鑰.

3 仿真結(jié)果分析

3.1 參數(shù)設(shè)置

第1輪第1次的仿真運行設(shè)定GEO衛(wèi)星數(shù)目NGEO=3，LEO衛(wèi)星數(shù)目為NLEO=48，單顆LEO衛(wèi)星覆蓋域為1.07 ×107km2，LEO 衛(wèi)星時間片［tl1，tl2］為10 min，仿真場景如圖4所示;設(shè)定LEO衛(wèi)星的ISLs的數(shù)目為4，ISLs的帶寬為10 Mb·s－1，平均鏈路傳輸時延為10 ms，各LEO衛(wèi)星以恒定比特率發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包大小為340 Byte，發(fā)包時間間隔為100 ms.

第1輪第2次仿真運行設(shè)定GEO衛(wèi)星數(shù)目NGEO=3，LEO衛(wèi)星數(shù)目為NLEO=75，單顆LEO衛(wèi)星覆蓋域為6.8×106km2，LEO 衛(wèi)星時間片［tl1，tl2］為6 min，仿真場景如圖5所示，其他參數(shù)設(shè)置不變.

第1次第3輪仿真運行設(shè)定GEO衛(wèi)星數(shù)目NGEO=3，LEO衛(wèi)星數(shù)目為NLEO=108，單顆 LEO衛(wèi)星覆蓋域為4.7 ×106km2，LEO 衛(wèi)星時間片［tl1，tl2］為2 min，仿真場景如圖6所示，其他參數(shù)設(shè)置不變.

第1輪的3次仿真結(jié)果如圖7所示.其中NMessage為Message數(shù)量.

在第2輪的3次仿真運行中，分別隨機指定1顆LEO衛(wèi)星在LEO衛(wèi)星時間片［tl1，tl2］內(nèi)出現(xiàn)失效，其他參數(shù)設(shè)置不變，仿真結(jié)果如圖8所示.

圖4 NLEO=48時衛(wèi)星組仿真示意圖

圖5 NLEO=75時衛(wèi)星組仿真示意圖

圖6 NLEO=108時衛(wèi)星組仿真示意圖

圖7 全部LEO衛(wèi)星節(jié)點正常運行時的控制報文傳輸次數(shù)對比圖

圖8 指定1顆LEO衛(wèi)星節(jié)點失效時的控制報文傳輸次數(shù)對比圖

3.2 仿真結(jié)果分析

圖7和8分別給出了文中提出的基于隨機線性網(wǎng)絡(luò)編碼的衛(wèi)星網(wǎng)抗毀路由協(xié)議與經(jīng)典多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議MLSR在正常運行狀態(tài)下和出現(xiàn)LEO衛(wèi)星節(jié)點失效的情況下的控制報文傳輸次數(shù)對比.MLSR路由協(xié)議是采用衛(wèi)星接收數(shù)據(jù)包驅(qū)動的計算衛(wèi)星時延的匯聚路由協(xié)議，具有一定的抗毀性能，但是控制報文的傳輸次數(shù)較多.在文中提出的基于隨機線性網(wǎng)絡(luò)編碼的衛(wèi)星網(wǎng)抗毀路由協(xié)議中，由于在LEO衛(wèi)星層的每個LEO衛(wèi)星上使用了單步鄰接表，按照LEO衛(wèi)星時間片實時記錄一跳鄰居LEO衛(wèi)星的信息，當需要路由的消息不在單步鄰接表中時，在每個LEO衛(wèi)星時間片起始發(fā)起路由查找，在路由請求階段對RREQ報文采用隨機線性網(wǎng)絡(luò)編碼.通過在LEO衛(wèi)星上使用單步鄰接表，當通信發(fā)生在單個LEO衛(wèi)星覆蓋域或兩個相鄰的LEO衛(wèi)星覆蓋域時，通過單步鄰接表可以直接轉(zhuǎn)發(fā)消息，而當通信發(fā)生在兩個不鄰接的LEO衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域時，再進行網(wǎng)絡(luò)編碼路由，這樣使得在有許多個用戶通過UDLs接入的源LEO衛(wèi)星節(jié)點和目的LEO衛(wèi)星節(jié)點的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，能夠有效地減少控制報文的傳輸次數(shù).

3.3 抗毀性能分析

文中提出的基于隨機線性網(wǎng)絡(luò)編碼的衛(wèi)星網(wǎng)抗毀路由協(xié)議的抗毀性能主要體現(xiàn)在我們在LEO衛(wèi)星層的每個LEO衛(wèi)星上使用了單步鄰接表，該單步鄰接表按照LEO衛(wèi)星時間片實時記錄了其一跳鄰居LEO衛(wèi)星的信息，單步鄰接表在每個LEO衛(wèi)星時間片［tl1，tl2］的起始時間 STime都會進行更新，當有LEO衛(wèi)星發(fā)生失效時也會進行更新;在每個LEO衛(wèi)星時間片［tl1，tl2］起始時間STime都會周期性發(fā)起路由查找，當有LEO衛(wèi)星發(fā)生失效時也會促發(fā)新的路由查找，繞開故障LEO衛(wèi)星節(jié)點，更新路由表;在路由查找時，報文中的報文產(chǎn)生時間Mtime能過很好地驗證報文的新鮮性，在一定程度上抵御重放攻擊;報文采用的私鑰簽名可以防止假的路由請求和應(yīng)答，阻止敵對國惡意衛(wèi)星節(jié)點或航天飛行器對路由信息的非法篡改，有效地增強了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的抗毀性能.

4 結(jié)論

1)在路由協(xié)議的設(shè)計中采用隨機線性網(wǎng)絡(luò)編碼，在路由請求階段對RREQ報文進行編碼傳送，能夠有效減少消息傳輸次數(shù).

2)通過在LEO衛(wèi)星上設(shè)置按照衛(wèi)星時間片動態(tài)更新的單步鄰接表，對不需要執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)編碼的路由請求進行篩選，從而降低宇航芯片計算開銷.

3)初步試驗結(jié)果表明:新協(xié)議容錯性強、可靠性高、信令開銷小，可以有效提高衛(wèi)星網(wǎng)的自適應(yīng)性和抗毀性.

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