第２８卷第３期　计算机仿真　２０１１年３月　

文章编号：１００６—９３４８（２０１１）０３—０１４６—０４　

一种安全的动态源路由协议　

李嘉为，郭达伟，张国庆，陈　骁　

（西北工业大学自动化学院，陕西西安７１０１２９）　

摘要：研究了移动Ａｄ　ｈｏｅ网络（ＭＡＮＥＴ）按需路由协议的安全问题，针对ＤＳＲ路由协议分析了现有安全改进方案的优缺点。　

为了防止恶意攻击，降低网络开销，以一种基于椭圆曲线密码体制的高效数字签名算法为基础，结合后向验证策略，提出了　

一种适用于ＤＳＲ协议的安全解决方案（Ｓｅｅ—ＤＳＲ）。对协议的安全性进行了论证，并在ＱｕａｌＮｅｔ仿真环境下进行实验验证。　仿真过程实现了安全算法，同时使用ｂｌａｃｋｈｏｌｅ和ｒｕｓｈｉｎｇ两种常见攻击模型测试协议抗攻击能力，结果表明Ｓｅｃ—ＤＳＲ协议模　

型能够以较小的协议开销确保较高的安全性能。　关键词：无线自组织网络；动态源路由协议；椭圆曲线；后向认证　

中图分类号：ＴＰ３９３　文献标识码：Ｂ　

Ａ　Ｓｅｃｕｒｅ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｓｏｕｒｃｅ　Ｒｏｕｔｉｎｇ　

ＬＩ　Ｊｉａ—ｗｅｉ，ＧＵＯ　Ｄａ—ｗｅｉ，ＺＨＡＮＧ　Ｇｕｏ—ｑｉｎｇ，ＣＨＥＮ　Ｘｉａｏ　

（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ　Ｓｈａｎｘｉ　７１０１２９，Ｃｈｉｎａ）　

ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｏｎ－ｄｅｍａｎｄ　ｒｏｕｔｉｎｇ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｉｓ　ｖｅｒｙ　ｐｏｐｕｌａｒ　ｉｎ　ｍｕｌｔｉ—ｈｏｐ　ｍｏｂｉｌｅ　ａｄ　ｈｏｃ　ｎｅｔｗｏｒｋ（ＭＡＮＥＴ）ｆｏｒ　ｉｔｓ　ｌｏｗ　

ｏｖｅｒｈｅａｄ，ｂｕｔ　ｖｕｌｎｅｒａｂｌｅ　ｔｏ　ｍａｌｉｃｉｏｕｓ　ａｔｔａｃｋｓ　ｆｏｒ　ｌａｃｋ　ｏｆ　ｓｅｃｕｒｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ．Ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ｄｒａｗｂａｃｋｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　

ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｅｃｕｒｅ　ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＤＳＲ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ａ　ｎｅｗ　ｓｅｃｕｒｅ　ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａｎ　

ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　Ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌ　Ｃｕｒｖｅ　Ｃｒｙｐｔｏｓｙｓｔｅｍ（ＥＣＣ）ｄｉｇｉｔａｌ　ｓｉｇｎａｔｕｒｅ　ｕｓｉｎｇ　ｂａｃｋｗａｒｄ　ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｆｏｒ　ＤＳＲ　

ｐｒｏｔｏｃｏｌ　Ｓｅｃ—ＤＳＲ，ｗｈｉｃｈ　ｈａｓ　ｂｅ　ｐｒｏｖｅｄ　ｓｅｃｕｒｅ　ａｎｄ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ．Ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｂｌａｃｋｈｏｌｅ　ａｎｄ　ｒｕｓｈｉｎｇ　ａｔｔａｃｋ　

ｍｏｄｅｌ，Ｓｅｃ—ＤＳＲ　ｉｓ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＱｕａｌＮｅｔ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｏｏｌｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｓｅｃｕｒｅ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｃａｎ　

ｏｂｔａｉｎ　ｓｔｒｏｎｇｅｒ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｓａｃｒｉｆｉｃｉｎｇ　ｌａｒｇｅ　ｏｖｅｒｈｅａｄ．　

ＫＥＹＷＯＲＤＳ：Ａｄ　ｈｏｃ　ｎｅｔｗｏｒｋ；Ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｏｕｒｃｅ　ｒｏｕｔｉｎｇ；Ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌ　ｃｕｉｙｅ　ｃｒｙｐｔｏｓｙｓｔｅｍ；Ｂａｃｋｗａｒｄ　ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ　

１　引言　

移动Ａｄ　ｈｏｅ网络（ＭＡＮＥＴ）是由一系列具有无线收发装　

置的移动节点组成的多跳临时性自组织网络。在此网络中，　任意两个位于相互通信距离之外的节点可通过中间节点进　

行数据报文转发。网络中节点一般具有可移动性和资源受　

限等特点。按需路由（ｏｎ—ｄｅｍａｎｄ　ｒｏｕｔｉｎｇ）是专门为Ａｄ　ｈｏｃ　

网络环境提出的。各节点无需周期性广播路由数据分组，而　

是当有数据传输时才启动路由过程，故极大的减少了网络协　

议开销。典型的按需路由协议有ＡＯＤＶ（Ａｄ　Ｈｏｃ　Ｏｎ—Ｄｅｍａｎｄ　

Ｄｉｓｔａｎｃｅ　Ｖｅｃｔｏｒ）…，ＤＳＲ（ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｏｕｒｃｅ　ｒｏｕｔｉｎｇ）Ｌ２］等，其中　

ＤＳＲ协议以它的简单和高效的特点，被广泛应用。但是这些　

协议在设计时虽然适应了Ａｄ　Ｈｏｃ网络的特点，却忽视了安　

全方面的因素，很容易受到来自恶意节点的攻击。常见攻击　

有ｂｌａｃｋｈｏｌｅ　攻击，ｒｕｓｈｉｎｇｌ４　攻击，Ｓｙｂｉｌ　攻击等。　

为了防范这些攻击，同时考虑到Ａｄ　Ｈｏｃ网络节点资源　

收稿日期：２００９—１１—１７修回日期：２０１０—０２—２２　

－－．——１４６．－——　有限，应当采取高效的加密运算机制和严格的认证机制，以　

达到安全目的和减少资源的占用以及网络延迟。本文引入　

一种高效的数字签名算法和后向认证策略，对ＤＳＲ路由协　

议进行安全改进，提出了一种高效的按需路由安全协议Ｓｅｃ—　

ＤＳＲ并对该协议进行了仿真，应用ｂｌａｃｋｈｏｌｅ和ｒｕｓｈｉｎｇ两种　

攻击模型对其安全性进行了测试。　

２相关工作　

作为最早的ＤＳＲ安全扩展，ＳＲＰ　协议假设源节点与目　

的节点之间存在安全关联（ｓｅｃｕｒｉｔｙ　ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ），两节点间共　

享一个密钥用于保护他们之间的路由信息的不变字段。但　

是ＳＲＰ协议对路由维护信息提供了很少的保护。当节点发　

送恶意的路由错误消息时，声称某路由中断（实际是正常　

的），ＳＲＰ不提供任何保护措施。Ａｒｉａｄｎｅ”　对ＳＲＰ进行了进　

一步的扩展，可以确定路径上的中间节点所提供信息的真实　

性。引入ＴＥＳＬＡ广播认证技术在路由请求阶段逐跳验证源　

路由信息的完整性，同时保证无论是在路由请求还是回复中　

都无法修改携带的源路由信息。该方法的不足在于其庞大　的计算开销以及ＴＥＳＬＡ技术在时钟同步方面的特点与无线　

自组织网络的移动性不匹配。ＳＤＳＲ　协议假设组网时存在　

一个离线可信机构，为每个节点分发一个与其身份对应的私　

钥，避免了证书的使用，减少了资源的消耗。但ＳＤＳＲ安全策　

略的开销仍然占用大量的无线自组织网络资源。　

３安全路由策略　

３．１安全策略　

常规的安全策略为双向验证，也就是对于ＲＲＥＱ和　

ＲＲＥＰ数据报进行验证。但是在节点处理ＲＲＥＱ数据报时无　

法确认自己是否会最终成为被选择路径由上的一点。与此　

同时，对数据报进行的验证运算和加密运算均会导致数据传　

输的延迟；在数据报上添加验证信息如数字签名，会增加包　

的长度进而增加带宽的占有量。本文基于ＤＳＲ按需路由协　

议提出一种反向安全验证策略，利用ＲＲＥＰ数据报按原有路　

径返回的特点，在返回过程中对数据进行数字签名等安全运　

算，同时更新路由信息，可以节约资源占用并实现安全目的。　

对于ＲＲＥＱ的过程中，各节点正常转发接收到的数据　

报，不进行任何安全处理。到达任意中间节点：　

，０＜Ｐ＋１　，的ＲＲＥＱ报文为：　

ｍｓｇｓ．Ｄ．　＝（ｒｒｅｑ，Ｓ，Ｄ，ｉｄ，ＸｓＸ１…Ｘｐ）　

考虑到这个过程中可能会受到安全的攻击，　不使用　

ＲＲＥＱ包更新本身路由表信息，减少了节点接受被篡改的路　

由信息的可能。　

对于ＲＲＥＰ，使用数字签名进行保护。本文在　Ｅ尸数　

据报中，添加相关的数字签名信息：ｓｉｇｎ　．ｆｏ＜ｄｅｓｔ￣ｉｇｎ，　

ｈｏｐｂｙｈｏｐｓｉｇｎ＞其中ｄｅｓｔ＿ｓｉｇｎ表示目的节点　以私钥对数　

据报的签名；ｈｏｐｂｙｈｏｐ＿ｓｉｇｎ表示中间节点　，（０　），对转　

发报文的签名。到达任意中间节点　．的ＲＲＥＰ的报文为：　

ｍｓｇｓ．Ｄ．　＝（ｒｒｅｐ，Ｓ，Ｄ，ｉｄ，Ｘｓ…　Ｄ，ｓ　ｎ—　）　

本文借鉴文献［９］提出的一种基于身份离线／在线的数　

字签名方案对ＲＲＥＰ进行数字签名。假定存在一个密钥生　

成中心，它根据签名者事先提交的个人身份ＩＤ构造公钥和　

对应的私钥，连同系统参数一同传回签名者。签名过程被分　

为离线和在线两部分，离线签名基于椭圆曲线密码ＥＣＣ，在　

线签名只需要做一次ｈａｓｈ运算。与ＲＳＡ公钥密码体制相比，　

ＥＣＣ体系在同等的安全强度下拥有更小的计算量以及更短　

的密钥长度。实验证明该过程资源消耗非常小。　

由于ＲＲＥＲ中的信息均为固定值，本方法同样使用上述　

数字签名方法进行保护。　

３．２　安全路由流程　

改进后的ＤＳＲ协议包括准备阶段，路由发现阶段以及路　

由维持阶段。　

１）准备阶段　

每一个节点在加入网络之前都必须向密钥生成中心　

（ＫＧＣ）提交自己的唯一身份（如自己的ｍａｃ地址等）。根据　

这个身份，ＫＧＣ产生一个对应该节点的私钥，并通过安全的　渠道，通知节点这个私钥以及系统参数。进入网络后，节点　

开始计算自己的离线签名。而在路由信息发送前，它会开始　

计算在线签名。　

２）路由发现　

路由启动算法伪代码：　

ｉｎｐｕｔ　Ｘｓ：源节点；　

Ｘ。：目的节点；　

Ｖ＝｛Ｘ　，１　ｎ｝：节点集；　

Ｄ　置从ＫＧＣ得到的私钥；　

：　从ＫＧＣ得到的公钥；　

ｂｅｇｉｎ　

ｉｆ　对　有数据传输要求ｔｈｅｎ　

Ｘｓ＿＿＋　：ｍｓｇｓ．Ｄ　＝（ｒｒｅｑ，Ｓ，Ｄ，ｉｄ，Ｘｓ）；；　

ｆｏｒ　ＶＸ　∈Ｖ，ｄｏ　

ｉｆ　Ｘ　收到ｍｓｇｓ．Ｄ　＆＆Ｘ　≠ＸＤ　ｔｈｅｎ　

：ｍｓｇｓ．Ｄ　＝（ｒｒｅｑ，Ｓ，Ｄ，ｉｄ，Ｘｓ…Ｘ　）；　

ｅｎｄ　

ｅｎｄ　

更新ｓｉｇｎ—ｉｎｆｏ＜ｄｅｓｔ—ｓｉｇｎ，ｈｏｐｂｙｈｏｐ—ｓｉｇｎ＞；　

ｘＤ＿＿＋Ｘ　：　

ｍｓｇｓ　Ｄ　ｐ＝ｔｍｐ，ｓ，Ｄ，谗，Ｘ　ｓＸｌ…Ｘ　ＪＸＤ，ｓｉｇｎ—ｉｎｆｏ　；　

ｆｏｒ（ｉ＝　，ｉ≠１，ｉ一一），ｄｏ　

ｉｆ　，检验ｓｉｇｎ—ｉｎｆｏ成功ｔｈｅｎ　

使用　对数据报文进行签名；　

更新ｈｏｐｂｙｈｏｐ—ｓｉｇｎ；　

，＿　ｌ：　ｍｓｇｓ．Ｄ，　＝（ｒｒｅｐ，Ｓ，Ｄ，ｉｄ，Ｘｓ…　，ｓｉｇｎ—ｉｎｆｏ）；　

更新自身路由表；　

ｅｎｄ　

ｉｆ　验证ｓｉｇｎ—ｉｎｆｏ成功ｔｈｅｎ　

安全路径　一　建立；　

ｅｎｄ　

ｅｎｄ　

３）路由维持阶段　

当发现路由过期、链路中断等情况时，节点会发送ＲＲＥＲ　

通知其他节点。为防止恶意节点伪造ＲＲＥＲ数据报，对该报　

文计算　

ｓｉｇｎｉｎｆｏ＜ｄｅｓｔｓｉｇｎ，ｈｏｐｂｙｈｏｐｓｉｇｎ＞。　

收到报文的节点只有在验证通过后才对自己的路由表　

进行操作。为减少资源消耗，某些分组（如ａｃｋｎｏｗｌｅｄｇｅｍｅｎｔ　

ｒｅｑｕｅｓｔ）不施加保护。　

４）基于节点缓存的路由发现过程　

由于ＤＳＲ协议存在路由缓存机制，也就是说当中间节　

点转发ＲＲＥＱ时，如果发现自己的缓存中存在到达目的节点　

的路由信息，该中间节点会把缓存中的信息加入ＲＲＥＱ路由　

信息中，并放弃转发ＲＲＥＱ，回复源节点一个ＲＲＥＰ。但是在　

这种情况下由于ＲＲＥＱ无法到达目的节点Ｄ，因此得不到目　

一

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