摘 要： 針對移動Ad Hoc網(wǎng)絡反應式路由的洪泛攻擊，分析了現(xiàn)有的抵御洪泛攻擊的FAP方案的安全漏洞，提出了一種簡單易行的CSR方案，并與FAP方案進行了對比。
關鍵詞： 移動Ad Hoc網(wǎng)絡 反應式路由? 洪泛攻擊? FAP方案
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移動Ad Hoc網(wǎng)絡是一種新型的移動多跳無線網(wǎng)絡，它不依賴于任何固定的基礎設施和管理中心，而是通過傳輸范圍有限的移動節(jié)點間的相互協(xié)作和自我組織來保持網(wǎng)絡連接并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。Ad Hoc網(wǎng)絡中路由的特殊性使其成為Ad Hoc網(wǎng)絡中的重要問題，一直是該領域的研究熱點。目前，較為成熟且已在Ad Hoc網(wǎng)絡中廣為使用的路由協(xié)議" title="路由協(xié)議">路由協(xié)議有優(yōu)化鏈路" title="鏈路">鏈路狀態(tài)路由算法OLSR(Optimized Link State Routing Protocol)、動態(tài)源路由DSR(Dynamic Source Routing)、按需距離矢量路由AODV (Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing)等。同時，隨著各類攻擊的出現(xiàn)，基于安全的Ad Hoc路由協(xié)議也相繼產(chǎn)生[1～4]。
洪泛攻擊是新近提出的一種針對Ad Hoc網(wǎng)絡中反應式路由的攻擊類型，分為RREQ報文和數(shù)據(jù)報文攻擊兩種。它通過在網(wǎng)絡中引發(fā)拒絕服務，能夠?qū)ΜF(xiàn)有的所有反應式路由進行攻擊。Ping Yi等人首次提出了這種攻擊的模型[5]，同時給出了抵御這種攻擊的洪泛攻擊預防FAP（Flooding Attack Prevention）方案。
針對FAP方案的不足，本文提出了通信狀態(tài)記錄CSR（Communication Status Record）方案。該方案中各節(jié)點通過實時記錄與其相關聯(lián)的節(jié)點及鏈路的狀態(tài)，從而可以有效地辨別非法節(jié)點，避免為非法節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)報文，達到抵御洪泛攻擊的效果。
1 背景知識
1.1 反應式路由簡介
反應式路由協(xié)議又稱為按需路由協(xié)議，是一種當需要發(fā)送數(shù)據(jù)時才查找路由的路由算法。在這種路由協(xié)議中，節(jié)點不需要維護及時、準確的路由信息，當需要向目的節(jié)點發(fā)送報文時，源節(jié)點才在網(wǎng)絡中發(fā)起路由查找過程，找到相應的路由。常用的反應式路由協(xié)議有DSR、AODV等。與先驗式路由協(xié)議相比，反應式路由協(xié)議的開銷較小，應用更廣泛。
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以AODV路由協(xié)議為例，RREQ報文的傳播路徑如圖1所示。圖中當節(jié)點A要發(fā)起與節(jié)點B的通信時，A先在網(wǎng)絡中洪泛路由請求RREQ(Route Request)尋路報文。實箭頭方向為RREQ洪泛的方向，目的節(jié)點收到RREQ報文后，不再轉(zhuǎn)發(fā)。
中間節(jié)點接收RREQ報文后進行轉(zhuǎn)發(fā)，同時在自身的路由表" title="路由表">路由表中增加一個表項，用來記錄從本節(jié)點到源節(jié)點的反向路徑。反向路徑示意圖如圖2所示。虛箭頭方向為各節(jié)點建立的朝源節(jié)點的反向鏈路。
目的節(jié)點接收到RREQ報文后，不再轉(zhuǎn)發(fā)該RREQ報文，并回送路由應答RREP（Route Reply）報文。RREP報文沿RREQ報文到達的反方向，依次到達轉(zhuǎn)發(fā)RREQ報文的各中間節(jié)點，中間節(jié)點沿自身路由表中保存的反向路徑，向源節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)RREP報文。數(shù)據(jù)報文傳輸路徑如圖3所示。實箭頭方向為目的節(jié)點發(fā)送RREP的鏈路，源節(jié)點沿虛箭頭方向向目的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包。在此后的通信中，源節(jié)點沿RREP報文的反方向向目的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)報文。
鏈路不通的消息由路由錯誤RRER(Route Error)傳播。
每個RREQ 報文在網(wǎng)絡中存活的時間由報文中的TTL值控制，RREQ報文每次經(jīng)過一個節(jié)點，其TTL值減少1，TTL值為0的RREQ報文視為失效報文并被丟棄。
每個路由都采用序號標記，以此來指示路由的新舊。
1.2 洪泛攻擊對反應式路由的影響
洪泛攻擊分為RREQ報文洪泛攻擊和數(shù)據(jù)報文洪泛攻擊。
在RREQ報文洪泛攻擊中，入侵節(jié)點選擇大量不在此網(wǎng)絡中的IP地址作為目的地址，連續(xù)發(fā)送大量的TTL值極大的RREQ報文。因目的地址不在本地網(wǎng)絡，沒有節(jié)點能夠發(fā)送RREP報文響應，這些RREQ報文就會在整個網(wǎng)絡中循環(huán)傳播。一方面，網(wǎng)絡中到處充斥的RREQ報文會占用網(wǎng)絡通信帶寬，阻礙正常通信；另一方面，各節(jié)點的反向路由表很快就會被耗盡，無法為正常的通信提供服務。
在數(shù)據(jù)報文洪泛攻擊中，入侵節(jié)點首先和網(wǎng)絡中的所有節(jié)點建立通信鏈路，然后沿所建的路徑給所有節(jié)點發(fā)送大量的無用報文。這些泛濫的數(shù)據(jù)報文將會堵塞網(wǎng)絡，耗盡網(wǎng)絡中節(jié)點間的通信帶寬。目的節(jié)點將會忙于接收入侵節(jié)點的無用報文而無法正常工作。
移動Ad Hoc網(wǎng)絡中的節(jié)點資源極其有限，這兩種攻擊方式都旨在占用網(wǎng)絡中的通信帶寬，消耗網(wǎng)絡中節(jié)點的大量資源，使合法節(jié)點之間無法正常通信。特別當入侵節(jié)點聯(lián)合使用RREQ洪泛攻擊和報文洪泛攻擊時，很快就會置網(wǎng)絡于癱瘓狀態(tài)。
2 FAP方案
2.1 FAP方案的原理
文獻[5]中采用鄰居抑制的方法來抵御RREQ報文洪泛攻擊。網(wǎng)絡中的節(jié)點為其所轉(zhuǎn)發(fā)的每個RREQ報文附加一個優(yōu)先級。每個RREQ報文的優(yōu)先級與發(fā)送它的節(jié)點發(fā)送的RREQ報文的頻度成反比。
當某節(jié)點的RREQ報文隊列中有很多RREQ報文要轉(zhuǎn)發(fā)時，它轉(zhuǎn)發(fā)這些RREQ報文的順序由它們的優(yōu)先級來決定，優(yōu)先級高的先被轉(zhuǎn)發(fā)。同時，如果某個節(jié)點發(fā)送的RREQ報文過多，以至于超過特定的門限時，其鄰居節(jié)點就會拒絕為它轉(zhuǎn)發(fā)RREQ報文，從而達到防范RREQ報文洪泛的目的。
FAP方案中采用Path Cutoff(切斷路徑)的方法來抵御數(shù)據(jù)報文洪泛攻擊。目的節(jié)點發(fā)現(xiàn)對方是入侵節(jié)點后，發(fā)送RRER報文，指明入侵節(jié)點的IP地址不可達，以此切斷正在通信的鏈路，阻止入侵節(jié)點繼續(xù)發(fā)送無用報文。另外，當入侵節(jié)點再發(fā)RREQ報文企圖與其他節(jié)點建立連接時，因為所有節(jié)點已接收到了RRER報文，所以不會有節(jié)點向入侵節(jié)點發(fā)送RREP報文回應，從而使入侵節(jié)點無法與合法節(jié)點建立通信鏈路，實施數(shù)據(jù)報文洪泛攻擊。
2.2 FAP方案的分析
(1)比較各個RREQ報文優(yōu)先級決定轉(zhuǎn)發(fā)順序的策略只在網(wǎng)絡通信量大時有效。優(yōu)先級是由各節(jié)點發(fā)送RREQ報文的頻度決定的，而計算頻度的過程較為復雜，加重了各節(jié)點的負擔，不適合Ad Hoc網(wǎng)絡中節(jié)點資源極其有限的特點。
(2)FAP方案中對數(shù)據(jù)報文攻擊采取了發(fā)現(xiàn)攻擊后再進行防御的被動方式。如果多個入侵節(jié)點同時與網(wǎng)絡中的多" title="的多">的多個節(jié)點建立了連接，則會發(fā)送大量的無用報文，實施該策略的代價是很大的，并且可能無法阻止產(chǎn)生的惡劣后果。
(3)如果網(wǎng)絡中有兩個或兩個以上的入侵節(jié)點，則任意兩個入侵節(jié)點之間建立鏈路，發(fā)送大量的無用報文，占用網(wǎng)絡資源，由于合法節(jié)點不能判知洪泛攻擊的存在，所以FAP方案無法對此進行防御。
3 CSR方案
本文主要關注節(jié)點間的雙向通信模式。假設每個節(jié)點都有一個MAC到IP地址的惟一映射。源節(jié)點與目的節(jié)點之間使用安全認證" title="安全認證">安全認證機制，比如它們可以通過交換密鑰或初始化時發(fā)放證書等方法驗證雙方的合法性，確保只有合法的通信節(jié)點才能通過安全通信認證。但是中間節(jié)點不必參與這一通信建立的安全認證過程。
3.1 CSR方案的實現(xiàn)
在FAP方案的基礎上，本文提出CSR方案，在每個合法節(jié)點上建立一張CSR表，CSR表結(jié)構如圖4所示。記錄節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ報文并保存當前建立連接的合法通信路由。
3.2 RREQ數(shù)目表項的維護
當節(jié)點A向節(jié)點B發(fā)送報文時，先洪泛RREQ報文。每個收到RREQ報文的節(jié)點在自身的CSR中加一個表項，把其中的源地址、目的地址置為報文中相應的項，同時把新增表項的RREQ數(shù)目一項置為1。以后每收到一條從A到B的，且序號相同的RREQ報文，就把RREQ值加1。網(wǎng)絡中的所有節(jié)點對收到的RREQ報文進行類似的統(tǒng)計。例如節(jié)點A發(fā)出的RREQ報文經(jīng)由節(jié)點T和Q到達B，節(jié)點T和Q分別在各自的CSR中增加表項如圖5所示。
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3.3 合法性標記表項的維護
目的節(jié)點B收到來自A的RREQ報文(可能多個)后，按最先到達或路徑最短等原則，選擇一條路由(如Ａ－Ｔ－Ｑ-Ｂ)，在自身的CSR中加入相應的表項。之后發(fā)送RREP報文，報文里包含源地址Ａ，目的地址Ｂ和序列號s，并按照Ｂ－Ｑ－Ｔ-Ａ的路徑回送給Ａ。在RREP到達Ｑ和Ｔ時，Ｑ和Ｔ驗證B的合法性。若為合法節(jié)點，它們分別把自身CSR中相應項的合法性標記置為1；若為非法節(jié)點，則丟棄該RREP報文。例如，收到B的RREP報文后，Q和T修改其上的CSR中相應的表項如圖6所示，B 上的該表項同此項。
節(jié)點在設某一表項（如從A到B，序列號為S）的合法標記為1時，首先檢測CSR表，找到所有從A到B的表項，把它們的序列號與S進行比較，如果存在序列號大于S的表項，且其合法標記為1，則CSR把序列號為S的這一項刪除。如果其他從A到B的表項的序列號都小于S，則CSR把這一項的合法標記置為1，并把從A到B，序列號小于S的表項都刪除。
3.4 CSR表項的刪除
當兩個合法節(jié)點之間的通信完成以后，由源節(jié)點發(fā)送RANC（Rout Anouncement）通知報文，告訴鏈路中用到的中間節(jié)點。中間節(jié)點收到RANC報文后，自動把CSR中相應的表項刪除。
如果節(jié)點A和B的通信未結(jié)束就中斷原有鏈路，則采用新鏈路進行通信。由于源節(jié)點不發(fā)送RANC報文，原先鏈路的中間節(jié)點在新鏈路中若未被采用，其保留的節(jié)點A與B之間通信的表項就無法更新及刪除。但是由于存在3.3節(jié)中的檢測機制，在A和B之間建立新鏈路的過程中，由于新發(fā)送的RREQ的序列號是最近的，所以A與B之間原有的、不再使用的鏈路就會被自動刪除，不會占用CSR表的資源。
4 CSR方案分析
4.1 CSR抵御洪泛攻擊的原理
現(xiàn)在假設某節(jié)點的CSR中有n個表項，其源地址、目的地址和RREQ值分別為Si、Di、RVQi，0≤i
另外，當有報文到某合法節(jié)點要求進行轉(zhuǎn)發(fā)時，該合法節(jié)點首先查詢自身的CSR，看表中是否有關于該報文里所涉及的源地址和目的地址的通信條目，如果有就查看其所對應的合法性標記。若合法性標記為1，判定該通路為合法鏈路，對數(shù)據(jù)報文進行轉(zhuǎn)發(fā)，否則丟棄。
由于入侵節(jié)點不能通過安全認證，無法與合法節(jié)點建立路由。其鄰居節(jié)點的CSR中沒有入侵節(jié)點對應的路由表項，所以不會為其轉(zhuǎn)發(fā)報文，從而達到了抵御數(shù)據(jù)報文洪泛攻擊的目的。
4.2 CSR方案的正確性分析
(1)各節(jié)點利用CSR表中的RREQ數(shù)目表項來記錄相鄰節(jié)點發(fā)送的RREQ報文數(shù)，采用定期統(tǒng)計CSR表中每個節(jié)點的RREQ數(shù)目值的方式可以有效及時地判定是否有節(jié)點發(fā)起RREQ報文攻擊。
(2)CSR方案通過各節(jié)點實時登記正在通信的合法鏈路的方式，從根源上杜絕了合法節(jié)點為入侵節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報文的可能。
4.3 CSR方案與FAP方案的對比
(1)CSR方案解決了FAP方案無法解決的多個入侵節(jié)點配合攻擊的問題。
(2)CSR方案的算法簡單，其動態(tài)建立和動態(tài)刪除機制不會給移動Ad Hoc網(wǎng)絡中的節(jié)點引入太大的工作量。
(3)CSR方案計算簡單有效，用于通信量較均衡的、安全系數(shù)不高的網(wǎng)絡，如對于多臺移動主機臨時組建的會議局域網(wǎng)，有更高的有效性和準確度。
本文針對用于反應式路由中的洪泛攻擊，提出了一種簡單的CSR方案。該方案以很小的代價就能有效地抵御這種攻擊，克服了FAP方案的漏洞，且計算量小，用于通信量較均衡、安全系數(shù)不高的局域網(wǎng)時，有較大的優(yōu)勢。
參考文獻
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