混合無線多跳網(wǎng)絡(luò)安全性問題探討

涂勇輝

摘 要：文章先引出混合無線多跳網(wǎng)絡(luò)，通過整理匯總無線多跳網(wǎng)絡(luò)所面對(duì)的內(nèi)在和外在雙重安全問題，，在相關(guān)研究假設(shè)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)散分析，并提出網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制，為混合無線多跳網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)提供合理意見與發(fā)展指導(dǎo)，進(jìn)一步促進(jìn)無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，及時(shí)快速的解決存在的安全問題，保障網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)營。

關(guān)鍵詞：混合無線多跳網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制；擴(kuò)散

中圖分類號(hào)：TN929.53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）27-0083-02

1 無線多跳網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)安全問題

1.1 外在的安全問題

①人們過高估計(jì)了混合無線多跳網(wǎng)絡(luò)的覆蓋層面，常常視作任何位置都存在節(jié)點(diǎn)這一錯(cuò)誤概念。同時(shí)，考慮節(jié)點(diǎn)調(diào)度時(shí)過于理想化，忽略了節(jié)點(diǎn)擴(kuò)散傳輸過程中的數(shù)據(jù)包丟失和能量消耗等問題，導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)偏差，影響正常的理論研究。

②由于存在商業(yè)或其他等的外在利益驅(qū)使，某些不法意圖的誕生，促使黑客突起，通過建立惡意基站，篡改重要的網(wǎng)絡(luò)程序，導(dǎo)致系統(tǒng)漏洞屢被攻擊，嚴(yán)重影響了混合無線多跳網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)營和落實(shí)。

1.2 內(nèi)在的安全問題

①節(jié)點(diǎn)自身的感知能力，容易受到網(wǎng)絡(luò)中陰影衰敗效應(yīng)的影響，以及擴(kuò)散傳輸路徑調(diào)度數(shù)據(jù)包易出現(xiàn)故障等問題的影響，即節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)性受到惡意干涉的阻礙。

②無限多跳網(wǎng)絡(luò)自身具有層次結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，使得本身容易受到無線環(huán)境干擾、物流傳輸破壞、層級(jí)連接節(jié)點(diǎn)間的碰撞攻擊、能源衡量耗盡攻擊、非公平競(jìng)爭(zhēng)、整體網(wǎng)絡(luò)容易受到攻擊、洪泛攻擊。

③節(jié)點(diǎn)自身的不穩(wěn)定性使得其容易受到外在環(huán)境的影響而發(fā)生結(jié)構(gòu)和連接狀態(tài)的改變。

④節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)包擴(kuò)散傳輸時(shí)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)恰好處于幀聽狀態(tài)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致無數(shù)據(jù)包傳發(fā)的效果。

2 混合無線多跳網(wǎng)絡(luò)視角下的網(wǎng)絡(luò)安全模型

2.1 模型介紹

①基本混合無線多跳網(wǎng)絡(luò)模型?；旌蠠o線多跳網(wǎng)絡(luò)里，在有若干節(jié)點(diǎn)組成的空間里，選擇源節(jié)點(diǎn)，規(guī)定其密鑰池為，密鑰池含有個(gè)密鑰，每個(gè)密鑰分別有其對(duì)應(yīng)的密鑰環(huán)。同時(shí)，規(guī)定其他節(jié)點(diǎn)具有自身唯一的密鑰環(huán)（之后成密鑰環(huán)為標(biāo)識(shí)符），且其他節(jié)點(diǎn)密鑰環(huán)的個(gè)數(shù)綜合，即保障任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)都存在一個(gè)密鑰環(huán)，且保障任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間能夠共享一個(gè)密鑰，滿足了網(wǎng)絡(luò)的連接建立有效的安全通訊密鑰這一要求。

②多路徑混合無線多跳網(wǎng)絡(luò)模型。多路徑混合無線多跳網(wǎng)絡(luò)模型，是在基本混合無線多跳網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上建立的?？紤]到兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間，存在若干條連接路徑，影響數(shù)據(jù)包的擴(kuò)散傳輸這一現(xiàn)象，建立的針對(duì)路徑實(shí)現(xiàn)調(diào)度的。不同的路徑，因長(zhǎng)短不同，獲知性不同，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的安全性也有所不同。

③隨機(jī)混合無線多跳網(wǎng)絡(luò)模型。隨機(jī)混合物無線多跳網(wǎng)絡(luò)模型，是在基本混合無線多跳網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上建立的。該模型是考慮到節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間存在安全認(rèn)證的基礎(chǔ)上，保障節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)連接之際通過認(rèn)證，實(shí)現(xiàn)加密握手的模型。

2.2 模型的假設(shè)

假設(shè)一：在混合無線多跳網(wǎng)絡(luò)里，每個(gè)基站節(jié)點(diǎn)有且只有一個(gè)標(biāo)示符，即自身具有唯一性；

假設(shè)二：混合無線多跳網(wǎng)絡(luò)中存在的密鑰自身安全性強(qiáng)，不會(huì)出現(xiàn)被攻擊等現(xiàn)象，即該模型只考慮外在網(wǎng)絡(luò)安全問題，不涉及節(jié)點(diǎn)內(nèi)在缺陷；

假設(shè)三：在網(wǎng)絡(luò)空間里，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的半徑相同，即任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)包擴(kuò)散傳輸?shù)搅硗庖粋€(gè)節(jié)點(diǎn)的速率相同，沒有誤差，考慮模型時(shí)刻忽略速率這一影響因素；

假設(shè)四：在網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的連接不是唯一的，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有相鄰的節(jié)點(diǎn)，并分別與其他節(jié)點(diǎn)相連接；

假設(shè)五：節(jié)點(diǎn)不存在休眠時(shí)間，數(shù)據(jù)包的擴(kuò)散傳輸時(shí)間可直接計(jì)算，不需考慮本身的影響因素。

2.3 模型的安全性擴(kuò)散描述

2.3.1 節(jié)點(diǎn)分布

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)空間里，選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)a，設(shè)定其具有密鑰池h，密鑰池h含有個(gè)n密鑰。每個(gè)密鑰h有且只有一個(gè)標(biāo)識(shí)符J。其中，標(biāo)識(shí)符j的通過哈希函數(shù)（Hash-Function）生成。哈希函數(shù)是對(duì)存在于哈希表中數(shù)值相對(duì)位置的函數(shù)關(guān)系值，具有加密、語音識(shí)別和散列表的作用，表達(dá)式為：

情況一：如果兩個(gè)節(jié)點(diǎn)存在相同的密鑰w ，則可以進(jìn)行傳遞消息，即兩節(jié)點(diǎn)可進(jìn)行數(shù)據(jù)包的擴(kuò)散傳播，實(shí)現(xiàn)連接。關(guān)系如圖1所示。

情況二：如果，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)不存在相同的密鑰h，則節(jié)點(diǎn)d1不能與節(jié)點(diǎn)d2建立連接，之后，節(jié)點(diǎn)d1選擇與下一節(jié)點(diǎn)d3進(jìn)行配對(duì)。關(guān)系如圖2所示。

在上述節(jié)點(diǎn)連接的基礎(chǔ)上，其他的節(jié)點(diǎn)同理進(jìn)行配比，任意節(jié)點(diǎn)分別與鄰近節(jié)點(diǎn)依次配比，直至尋找到相同標(biāo)識(shí)符的節(jié)點(diǎn)，之后進(jìn)行連接。所有節(jié)點(diǎn)在混合無線多跳網(wǎng)絡(luò)里進(jìn)行配比，直至每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能連接，且連接路徑遍布整個(gè)網(wǎng)絡(luò)空間。關(guān)系如圖3所示。

2.4 混合無線多跳網(wǎng)絡(luò)的安全機(jī)制

本章考慮節(jié)點(diǎn)自身存在的缺陷，對(duì)混合無線多跳網(wǎng)絡(luò)的安全機(jī)制進(jìn)行研究。對(duì)于節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間存在著數(shù)據(jù)泄露的這一現(xiàn)象，即節(jié)點(diǎn)d與鄰近節(jié)點(diǎn)e建立連接后，節(jié)點(diǎn)d向節(jié)點(diǎn)e進(jìn)行數(shù)據(jù)擴(kuò)散傳輸，節(jié)點(diǎn)e接到數(shù)據(jù)包之后，節(jié)點(diǎn)e繼而與鄰近的節(jié)點(diǎn)f建立連接。節(jié)點(diǎn)e向節(jié)點(diǎn)d進(jìn)行數(shù)據(jù)擴(kuò)散傳輸后，節(jié)點(diǎn)e將接到的數(shù)據(jù)包信息泄露。這個(gè)過程里，節(jié)點(diǎn)d與節(jié)點(diǎn)f提前建立了泄露協(xié)議關(guān)系，產(chǎn)生了節(jié)點(diǎn)間的泄露關(guān)系。如圖4所示。

針對(duì)上述過程出現(xiàn)的信任漏洞，建立了基于混合無線多跳網(wǎng)絡(luò)下的安全機(jī)制。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都設(shè)置一個(gè)用來統(tǒng)計(jì)接收數(shù)據(jù)包數(shù)值的數(shù)據(jù)包接收次數(shù)統(tǒng)計(jì)器，即節(jié)點(diǎn)接收擴(kuò)散傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包一次時(shí)，數(shù)據(jù)包接收次數(shù)統(tǒng)計(jì)器記為1，并隨著接受次數(shù)的增加依次遞增。當(dāng)發(fā)送擴(kuò)散數(shù)據(jù)包節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)值P大于接收數(shù)據(jù)包節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)值q時(shí)，說明接收數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)泄露數(shù)據(jù)包的可能性大，信任度較低；當(dāng)發(fā)送擴(kuò)散數(shù)據(jù)包節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)值P小于接收數(shù)據(jù)包節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)值q時(shí)，說明接收數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)泄露數(shù)據(jù)包的可能性小，信任度較高。

假設(shè)存在驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)數(shù)值T，表示數(shù)據(jù)包傳遞個(gè)節(jié)點(diǎn)之后被泄露；存在泄露節(jié)點(diǎn)0，統(tǒng)計(jì)數(shù)值為0。如果驗(yàn)證數(shù)值大于接受統(tǒng)計(jì)值，即T>0時(shí)，則可保障檢測(cè)到所有達(dá)成泄露協(xié)議的節(jié)點(diǎn)；如果驗(yàn)證數(shù)值小于接受統(tǒng)計(jì)值，即T<0，則無法保障檢測(cè)到所有達(dá)成泄露協(xié)議的節(jié)點(diǎn)。

節(jié)點(diǎn)d的接收數(shù)據(jù)包的統(tǒng)計(jì)值為p，距離節(jié)點(diǎn)d距離最近的節(jié)點(diǎn)e的統(tǒng)計(jì)值為q，則節(jié)點(diǎn)d對(duì)下游節(jié)點(diǎn)e的信任值為，則存在

混合無線多跳網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定期向整個(gè)空間的連接的節(jié)點(diǎn)發(fā)送擴(kuò)散數(shù)據(jù)包的統(tǒng)計(jì)信息。節(jié)點(diǎn)通過驗(yàn)證數(shù)值，對(duì)節(jié)點(diǎn)連接情況進(jìn)行驗(yàn)證。首先是節(jié)點(diǎn)對(duì)距離自己最近的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)，如果不能收到該節(jié)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)值，則說明下游節(jié)點(diǎn)的信任度低，不能實(shí)現(xiàn)信息上傳功能，可能發(fā)生泄漏現(xiàn)象。如果能夠接受到下游的統(tǒng)計(jì)值，且未發(fā)現(xiàn)異常，則進(jìn)行下一節(jié)點(diǎn)的檢驗(yàn)，直至所有節(jié)點(diǎn)檢驗(yàn)為止。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

文章通過應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)離散事件仿真軟件，對(duì)建立的基于混合無線多跳網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制進(jìn)行實(shí)踐研究。

在規(guī)定節(jié)點(diǎn)半徑和數(shù)據(jù)包傳輸速率的前提下，考慮到數(shù)據(jù)包丟失這一漏洞這一缺陷下，仿真軟件對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都進(jìn)行了鄰近連接。通過實(shí)踐結(jié)果，結(jié)果以驗(yàn)證數(shù)值對(duì)安全機(jī)制的影響和驗(yàn)證周期對(duì)安全機(jī)制的影響兩個(gè)方面表現(xiàn)。

3.1 驗(yàn)證數(shù)值對(duì)安全機(jī)制的影響

隨著驗(yàn)證數(shù)值的增加，對(duì)混合無線多跳網(wǎng)絡(luò)的安全機(jī)制影響越大，呈正比增長(zhǎng)，且隨著驗(yàn)證數(shù)值的增大，對(duì)安全機(jī)制的影響趨勢(shì)在增大的基礎(chǔ)上，越來越趨于平緩，最后幾乎成為一條直線。

得到結(jié)論，節(jié)點(diǎn)連接接受的統(tǒng)計(jì)值越大，對(duì)無線多跳網(wǎng)絡(luò)的影響力越強(qiáng)，且影響程度隨著接受統(tǒng)計(jì)值的增大而減小增大，增長(zhǎng)趨勢(shì)到一定程度后，會(huì)逐漸趨于平緩，直至趨于一條直線，增長(zhǎng)趨勢(shì)不再明顯，驗(yàn)證數(shù)值對(duì)安全機(jī)制的影響程度不再加劇。

3.2 驗(yàn)證周期對(duì)安全機(jī)制的影響

隨著驗(yàn)證周期的增加，對(duì)混合無線多跳網(wǎng)絡(luò)的安全機(jī)制影響越小，呈反比降低，且隨著驗(yàn)證周期的減小，對(duì)安全機(jī)制的影響趨勢(shì)在降低的基礎(chǔ)上，越來越趨于和緩，雖然程度很大， 但可見逐漸趨和緩趨勢(shì)。

得到結(jié)論，節(jié)點(diǎn)間連接的時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)無線多跳網(wǎng)絡(luò)的影響力越弱，且影響程度隨著接受統(tǒng)計(jì)值的增大而線性減弱。就長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，安全機(jī)制的影響程度隨著驗(yàn)證周期的增長(zhǎng)，在線性減弱的同時(shí)，逐漸趨和緩趨勢(shì)下降，可見，節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)連接的時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)安全機(jī)制的影響程度越小，且影響趨勢(shì)越趨于和緩。

參考文獻(xiàn)：

[1] 仝華梓.一種無線自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究與實(shí)現(xiàn)[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng) 用，2014，（01）.

[2] 張兵，邢麗莉，李軍，楊帆.無線自組織網(wǎng)絡(luò)在地震救援中的應(yīng)用研究[J]. 自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2013，（02）.