靳倩慧，姚國(guó)祥，李 佩

(暨南大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510632)

移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)MANET(Mobile Ad Hoc Networks)由眾多節(jié)點(diǎn)以自組織的方式組成，網(wǎng)絡(luò)中不存在中心控制節(jié)點(diǎn)，較遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)間以多跳的方式進(jìn)行通信。然而，在大規(guī)模無線自組織網(wǎng)絡(luò)中，部分節(jié)點(diǎn)為了保護(hù)自身較少的資源，可能不轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包，產(chǎn)生自私節(jié)點(diǎn)問題[1]，特別場(chǎng)景下(如戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境)合法節(jié)點(diǎn)被攻陷后將成為惡意節(jié)點(diǎn)。

在數(shù)據(jù)報(bào)文傳輸過程中，自私節(jié)點(diǎn)和惡意節(jié)點(diǎn)可以故意隨機(jī)丟棄部分需要自身轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)報(bào)文來對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)施破壞，這就是內(nèi)部節(jié)點(diǎn)丟棄報(bào)文攻擊，它導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)吞吐率下降、報(bào)文重傳率增高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)報(bào)文傳輸無法進(jìn)行。然而，由于無線自組織網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)性質(zhì)的不確定性，現(xiàn)有的適用于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議無法應(yīng)對(duì)這種在網(wǎng)絡(luò)層發(fā)起的攻擊。報(bào)文丟棄攻擊難以檢測(cè)和防范，嚴(yán)重影響到了無線自組織網(wǎng)絡(luò)的通信性能和實(shí)際應(yīng)用。

目前，針對(duì)報(bào)文丟棄攻擊的研究多數(shù)集中在基于鄰居節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)方法[2]對(duì)現(xiàn)有路由協(xié)議(如 DSR)的改進(jìn)，希望構(gòu)造一個(gè)安全的路由協(xié)議或模型來抵抗攻擊。然而，鄰居節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)算法本身存在一些局限性，此類方案增加了MANET網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的復(fù)雜度，監(jiān)測(cè)效果卻不理想。

本文在分析現(xiàn)有解決方案的基礎(chǔ)上，提出了一種基于簇首協(xié)作的報(bào)文丟棄攻擊全局感知算法，在MANET入侵檢測(cè)系統(tǒng)中利用分簇IDS的簇首節(jié)點(diǎn)協(xié)作進(jìn)行全局監(jiān)測(cè)。該方案將安全檢測(cè)從路由協(xié)議中獨(dú)立出來，由IDS來實(shí)現(xiàn)報(bào)文丟棄攻擊的檢測(cè)，簡(jiǎn)化了Ad Hoc路由協(xié)議的設(shè)計(jì)，同時(shí)彌補(bǔ)了鄰居節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)算法的不足，在報(bào)文丟棄攻擊的檢測(cè)率、誤報(bào)率和檢測(cè)響應(yīng)速率方面有較好的性能。

1 鄰居節(jié)點(diǎn)檢測(cè)算法分析

1.1 報(bào)文丟棄攻擊相關(guān)研究

為對(duì)抗內(nèi)部節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)層發(fā)起的報(bào)文丟棄攻擊，M ARTI S等人提出了Watchdog算法[3]，節(jié)點(diǎn)在混雜模式下工作，當(dāng)節(jié)點(diǎn)把報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳節(jié)點(diǎn)后，利用無線信號(hào)暴露在空中的特性來監(jiān)聽下一跳節(jié)點(diǎn)是否繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)該報(bào)文。LEE S和CHOI Y采用了類似Watchdog的鄰居節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(NWS)來獲取鄰居節(jié)點(diǎn)的報(bào)文狀況，但是局部管理的方法增加了節(jié)點(diǎn)能量耗費(fèi)，降低了網(wǎng)絡(luò)帶寬使用效率。參考文獻(xiàn)[4]中提出兩種不合作的節(jié)點(diǎn)形式，并提出用CCS中央控制系統(tǒng)給每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配信用值，如果節(jié)點(diǎn)A為節(jié)點(diǎn)B轉(zhuǎn)發(fā)了到目的節(jié)點(diǎn)D數(shù)據(jù)報(bào)，則D要給A一些信用幣，哪個(gè)節(jié)點(diǎn)用完了信用，可以向CCS要求補(bǔ)充。由于每次都是目的節(jié)點(diǎn)支付信用幣，這就為DOS攻擊提供了方便。參考文獻(xiàn)[5]希望利用有限自動(dòng)機(jī)構(gòu)造自組網(wǎng)的入侵檢測(cè)算法，此方案能夠監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報(bào)文，但在如何監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)收到的報(bào)文方面沒有給出有效的解決方法。

1.2 鄰居節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)算法介紹

上述研究大多以鄰居節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)算法為基礎(chǔ)對(duì)節(jié)點(diǎn)的收發(fā)報(bào)文情況進(jìn)行監(jiān)聽，從而達(dá)到判斷入侵節(jié)點(diǎn)的目的。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，鄰居監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)確認(rèn)路由的下一跳節(jié)點(diǎn)是否轉(zhuǎn)發(fā)了該報(bào)文。鄰居監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)聽下一跳節(jié)點(diǎn)采取的行為，并依此判斷下一跳節(jié)點(diǎn)是否有惡意行為。

如圖1所示，假設(shè)S到D有通路，中間節(jié)點(diǎn)為A、B、C，節(jié)點(diǎn)A不能直接和C通信，但A可以監(jiān)聽到B發(fā)送的報(bào)文。A可以辨認(rèn)B是否轉(zhuǎn)發(fā)了報(bào)文。A緩存下剛發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)，和監(jiān)聽到的B轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)報(bào)比較，看是否一致。如果一致，表明此數(shù)據(jù)報(bào)已經(jīng)發(fā)送，A移除緩存的數(shù)據(jù)報(bào)，這一過程結(jié)束；如果不一致，表明B有篡改信息的惡意行為；如果數(shù)據(jù)報(bào)在緩存區(qū)保留的時(shí)間超過一個(gè)門限，則認(rèn)為B沒有正常工作。對(duì)于后兩種情況，A會(huì)給這個(gè)沒有盡責(zé)的節(jié)點(diǎn)記過。如果B被記過的次數(shù)超過一個(gè)門限值，A確定此節(jié)點(diǎn)有惡意行為，它向源節(jié)點(diǎn)S發(fā)送路由出錯(cuò)報(bào)文(RRER)通知B是惡意節(jié)點(diǎn)。在從A回到S節(jié)點(diǎn)過程中，路由到的節(jié)點(diǎn)都會(huì)記錄下B是惡意節(jié)點(diǎn)，在以后的路由選擇過程中會(huì)將B節(jié)點(diǎn)從路由鏈路中排除。

圖1 A監(jiān)聽B正常轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)給C

1.3 鄰居節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)算法的缺陷

鄰居節(jié)點(diǎn)算法利用無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)暴露在空間中而且信號(hào)多向傳播的特性來實(shí)現(xiàn)對(duì)鄰居節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)的監(jiān)測(cè)，然而這種方法卻存在以下的局限性：

(1)鄰居監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要每個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)督其鄰居節(jié)點(diǎn)，并緩存有用的狀態(tài)信息，要求節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)和計(jì)算功能得到加強(qiáng)。而且由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)均被其所有鄰居節(jié)點(diǎn)監(jiān)視，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)信息存在大量冗余，浪費(fèi)了節(jié)點(diǎn)電池能量和計(jì)算資源。

(2)節(jié)點(diǎn)A只能孤立地監(jiān)測(cè)其鄰居節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文狀態(tài)，并根據(jù)自身的監(jiān)測(cè)記錄判斷鄰居節(jié)點(diǎn)B是否有惡意丟包行為，不能綜合B的其他鄰居節(jié)點(diǎn)(如C)對(duì)節(jié)點(diǎn)B的監(jiān)測(cè)結(jié)果。因此，這種判斷帶有很大的片面性，容易得出錯(cuò)誤的監(jiān)測(cè)結(jié)論。

(3)惡意節(jié)點(diǎn)可以把無辜節(jié)點(diǎn)作為惡意節(jié)點(diǎn)放在RRER數(shù)據(jù)報(bào)中，發(fā)送給源節(jié)點(diǎn)S，比如，節(jié)點(diǎn)A可以向S打虛假報(bào)告B沒有轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文，使S認(rèn)為B是惡意節(jié)點(diǎn)，這個(gè)問題的發(fā)現(xiàn)就需要依賴消息正常發(fā)送到D，節(jié)點(diǎn)D反饋消息給S，則S會(huì)認(rèn)為路由是正常的。如果在消息給B傳遞后未能到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)D，或者D的反饋消息沒有正常到達(dá)A，則節(jié)點(diǎn)B就會(huì)被當(dāng)作惡意節(jié)點(diǎn)，從而造成誤報(bào)，本文稱這種攻擊為虛假丟報(bào)文丟棄攻擊。

2 報(bào)文丟棄攻擊全局感知方案

2.1 分簇IDS

移動(dòng)自組網(wǎng)的組網(wǎng)特點(diǎn)決定了相應(yīng)的入侵檢測(cè)系統(tǒng)必須要采取分簇架構(gòu)。分簇結(jié)構(gòu)IDS典型層次如圖2所示，整個(gè)MANET系統(tǒng)以簇為單位分成多IDS簇，每個(gè)簇選出簇頭，IDS功能模塊按需要置于簇頭或簇成員節(jié)點(diǎn)上。

圖2 分簇IDS結(jié)構(gòu)

在鄰居節(jié)點(diǎn)檢測(cè)算法中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都監(jiān)測(cè)其鄰居節(jié)點(diǎn)的行為，產(chǎn)生大量冗余監(jiān)測(cè)信息，耗費(fèi)了節(jié)點(diǎn)資源。本文提出基于簇首的監(jiān)測(cè)模式，即整個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分為簇，每個(gè)區(qū)域選出一個(gè)簇頭作為監(jiān)視節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)整個(gè)區(qū)域的入侵檢測(cè)。該簇頭收集整個(gè)區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的行為信息，并按檢測(cè)算法進(jìn)行分析，確定入侵行為。IDS簇首節(jié)點(diǎn)周期性地廣播告示報(bào)文，以維持簇首監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的地位。簇首節(jié)點(diǎn)服務(wù)時(shí)間到了后，就重新啟動(dòng)一個(gè)新的選舉過程。為了保證公平和隨機(jī)性，防止惡意節(jié)點(diǎn)一直占據(jù)簇首位置，發(fā)動(dòng)虛假報(bào)文丟棄攻擊，IDS分簇算法要求上一分簇周期的簇首節(jié)點(diǎn)將不能參加下一周期簇首節(jié)點(diǎn)的選舉，除非整個(gè)區(qū)域只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)存在。

2.2 簇首節(jié)點(diǎn)協(xié)作實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)報(bào)文收發(fā)狀態(tài)

不同于傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)中的IDS，MANET中的簇首節(jié)點(diǎn)并不能像在有線網(wǎng)絡(luò)中那樣監(jiān)測(cè)到節(jié)點(diǎn)的報(bào)文收發(fā)狀態(tài)。由于無線網(wǎng)絡(luò)的傳播特性，分簇結(jié)構(gòu)IDS中的簇首節(jié)點(diǎn)只能監(jiān)測(cè)到其簇成員節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報(bào)文，而對(duì)于簇成員接收到的數(shù)據(jù)包只能部分監(jiān)測(cè)到，因此，在應(yīng)對(duì)報(bào)文丟棄攻擊之類的被動(dòng)攻擊時(shí)顯得無能為力。圖2中，節(jié)點(diǎn) C、E為簇首，節(jié)點(diǎn) A、S為 C的簇成員，節(jié)點(diǎn)B、D為E的簇成員。簇首節(jié)點(diǎn)E只能監(jiān)測(cè)到節(jié)點(diǎn)B發(fā)送了數(shù)據(jù)包，如果節(jié)點(diǎn)A轉(zhuǎn)發(fā)給B一個(gè)數(shù)據(jù)包，并要求B轉(zhuǎn)發(fā)給D，如果節(jié)點(diǎn)B此時(shí)發(fā)動(dòng)報(bào)文丟棄攻擊，這時(shí)，簇首節(jié)點(diǎn)E并不能監(jiān)測(cè)到B接收了這樣一個(gè)數(shù)據(jù)包，因此，并不能發(fā)現(xiàn)B丟棄了應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點(diǎn)D的數(shù)據(jù)包。

為了解決這個(gè)缺陷，本文提出了基于簇首協(xié)作監(jiān)測(cè)的方案，利用各簇首節(jié)點(diǎn)間相互通信協(xié)作檢測(cè)的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)報(bào)文丟棄攻擊的檢測(cè)。圖2中，雖然節(jié)點(diǎn)E不能夠監(jiān)測(cè)到B應(yīng)該轉(zhuǎn)發(fā)一個(gè)數(shù)據(jù)包，但節(jié)點(diǎn)A在給B轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)，節(jié)點(diǎn)A的簇首節(jié)點(diǎn)C能夠監(jiān)測(cè)到節(jié)點(diǎn)A給節(jié)點(diǎn)B轉(zhuǎn)發(fā)了數(shù)據(jù)包，并通過查詢數(shù)據(jù)包中下一跳路由信息得知B接收了這個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)并應(yīng)該轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)包給D，如果E和C進(jìn)行通信，交換彼此監(jiān)測(cè)信息，節(jié)點(diǎn)B的簇首節(jié)點(diǎn)E就能夠借助和C交換的消息來全面監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)B應(yīng)發(fā)的數(shù)據(jù)報(bào)和已發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)狀態(tài)。下面利用這一方法給出詳細(xì)解決方案。

2.3 基于簇首協(xié)作的報(bào)文丟棄攻擊全局感知方案

首先，為了監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)收發(fā)報(bào)文狀態(tài)，各IDS簇首節(jié)點(diǎn)需要為網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，記錄各節(jié)點(diǎn)收到報(bào)文的數(shù)量和發(fā)送報(bào)文的數(shù)量。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義偽碼表示如下：

typedef struct{Long Receive； Long Send；}Record；其中，Record表示此數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，下文簡(jiǎn)記為 Recd；Send表示監(jiān)聽到節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文；Receive表示根據(jù)監(jiān)聽到的報(bào)文中的路由信息，該數(shù)據(jù)報(bào)文下一跳節(jié)點(diǎn)應(yīng)該轉(zhuǎn)發(fā)此數(shù)據(jù)報(bào)文，其值為負(fù)，下文簡(jiǎn)記為Rece。

假設(shè) S到 D有通路，中間節(jié)點(diǎn)為 A、B，此時(shí)節(jié)點(diǎn) S轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)文到A，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)S處于簇首C的簇內(nèi)，C能夠監(jiān)聽到節(jié)點(diǎn)S轉(zhuǎn)發(fā)了一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文，同時(shí)，從該數(shù)據(jù)報(bào)文路由信處表中查得一下跳地址為節(jié)點(diǎn)A，則執(zhí)行操作S.Recd.Send+1和A.Recd.Rece-1，表示節(jié)點(diǎn)A需要轉(zhuǎn)發(fā)一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文。如果節(jié)點(diǎn)A也正常轉(zhuǎn)發(fā)了該數(shù)據(jù)報(bào)文，其簇首節(jié)點(diǎn)C會(huì)監(jiān)聽到該數(shù)據(jù)報(bào)文，執(zhí)行操作A.Recd.Send+1和B.Recd.Rece-1。節(jié)點(diǎn)B并不在簇首C的監(jiān)控范圍內(nèi)，但如果節(jié)點(diǎn)B正常轉(zhuǎn)發(fā)此數(shù)據(jù)報(bào)文到節(jié)點(diǎn)D，則其簇首節(jié)點(diǎn)E會(huì)監(jiān)聽到該數(shù)據(jù)報(bào)文并執(zhí)行操作B.Recd.Send+1和 C.Recd.Rece-1。

在MANET網(wǎng)絡(luò)中，各簇首節(jié)點(diǎn)在監(jiān)測(cè)周期結(jié)束時(shí)多播Hello消息，彼此交換監(jiān)測(cè)的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)表，其中，服務(wù)周期的長(zhǎng)短由系統(tǒng)根據(jù)需要設(shè)定。通過檢測(cè)算法就可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)中是否存在報(bào)文攻擊及惡意節(jié)點(diǎn)號(hào)做出檢測(cè)。

2.4 報(bào)文丟棄攻擊全局感知算法詳細(xì)實(shí)現(xiàn)

記節(jié)點(diǎn)i在一個(gè)Hello周期內(nèi)加入和退出簇的次數(shù)為Chi，其值可以在簇首節(jié)點(diǎn)中得到，換簇次數(shù)越多，系統(tǒng)記錄丟包率也就越大；節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度Mi，其值在簇生成算法中可以獲得，移動(dòng)越快，丟包率就越高；此外，節(jié)點(diǎn)的吞吐量也會(huì)對(duì)丟包率產(chǎn)生影響，單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)的包越多，就越容易產(chǎn)生碰撞，碰撞會(huì)使簇首節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽不到節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)。由于文中節(jié)點(diǎn)應(yīng)發(fā)報(bào)文數(shù)量用負(fù)值表示，因此節(jié)點(diǎn)吞吐量可表示為：

本文將這種由于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速率、吞吐量及出入簇次數(shù)對(duì)簇首節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)丟包率造成的影響定義為平衡因子μ。本模型采用的平衡因子函數(shù)為：

其中λ為系統(tǒng)歸一化系數(shù)，對(duì)MiThpiChi作歸一化處理，其值由MiThpiChi值最大的節(jié)點(diǎn)決定。μ隨節(jié)點(diǎn)MiThpiChi的變化情況如圖3所示。

圖3 μ隨節(jié)點(diǎn)MiThpiChi變化情況

定義了平衡因子，就可以對(duì)節(jié)點(diǎn)的收發(fā)報(bào)文狀態(tài)Statusi做一個(gè)比較精確的描述：

2.5 惡意丟棄報(bào)文節(jié)點(diǎn)判定

本方案采用狄克遜準(zhǔn)則對(duì)惡意節(jié)點(diǎn)進(jìn)行判定。狄克遜準(zhǔn)則是通過極差比判定和剔除異常數(shù)據(jù)。與一般比較簡(jiǎn)單的極差方法不同，該準(zhǔn)則為了提高判斷效率，對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)量測(cè)定數(shù)應(yīng)用不同的極差比進(jìn)行計(jì)算。該準(zhǔn)則認(rèn)為異常數(shù)據(jù)應(yīng)該是最大數(shù)據(jù)和最小數(shù)據(jù)，因此其基本方法是將數(shù)據(jù)按大小排隊(duì)，檢驗(yàn)最大數(shù)據(jù)和最小數(shù)據(jù)是否是異常數(shù)據(jù)。

依式(4)分別計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的Status值，從小到大排列為 Status(1)，≤Status(2)，……≤Status(n)，因?yàn)閬G包率大的節(jié)點(diǎn)才有可能是惡意節(jié)點(diǎn)，所以這里舍棄最小值，僅取最大值，應(yīng)用狄克遜準(zhǔn)則進(jìn)行節(jié)點(diǎn)類型進(jìn)行判定。如果f0＞f(n，α)就 可以判 定該值 所對(duì) 應(yīng)節(jié)點(diǎn) 為 可 疑 節(jié) 點(diǎn) 。 f(n，α)可 以查表獲得，其中n是節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，α為檢驗(yàn)水平，根據(jù)檢測(cè)精度需要可以取0.01或是0.05。fo的計(jì)算如下：

為防止惡意簇首節(jié)點(diǎn)發(fā)送虛假報(bào)文丟棄通告對(duì)正常節(jié)點(diǎn)進(jìn)行攻擊，節(jié)點(diǎn)i連續(xù)在兩個(gè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)都被判定為可疑節(jié)點(diǎn)后，系統(tǒng)即判定該節(jié)點(diǎn)為惡意節(jié)點(diǎn)，發(fā)出告警并通過Hello消息廣播將該節(jié)點(diǎn)隔離出網(wǎng)絡(luò)后，重新進(jìn)行報(bào)文丟棄惡意節(jié)點(diǎn)檢測(cè)。

如果簇首節(jié)點(diǎn)j在自己的監(jiān)測(cè)周期內(nèi)發(fā)動(dòng)虛假報(bào)文丟棄攻擊，使正常節(jié)點(diǎn)i在該監(jiān)測(cè)周期內(nèi)被判定為可疑節(jié)點(diǎn)，但下一監(jiān)測(cè)周期中，由于更改了IDS簇頭，節(jié)點(diǎn) i將不再被判定為可疑節(jié)點(diǎn)，則系統(tǒng)記錄節(jié)點(diǎn)j為可疑節(jié)點(diǎn)，認(rèn)為j在自己的監(jiān)測(cè)周期內(nèi)可能發(fā)動(dòng)了虛假報(bào)文丟棄攻擊，如果在節(jié)點(diǎn)j再次當(dāng)選為IDS簇首周期內(nèi)，再次有發(fā)送虛假報(bào)文丟棄攻擊嫌疑，則系統(tǒng)認(rèn)為節(jié)點(diǎn)j為惡意節(jié)點(diǎn)，發(fā)出告警并通過Hello消息廣播將該節(jié)點(diǎn)隔離出網(wǎng)絡(luò)。

為便于算法實(shí)現(xiàn)，需要定義節(jié)點(diǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

算法偽碼表示如下：當(dāng)系統(tǒng)一個(gè)監(jiān)測(cè)周期結(jié)束后，對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行如下算法，設(shè)節(jié)點(diǎn)i的上一周期IDS簇首節(jié)點(diǎn)為 j。

3 實(shí)驗(yàn)與性能分析

本文使用Qualnet[6]作為模擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在2 000×2 000的區(qū)域內(nèi)隨機(jī)布置100個(gè)節(jié)點(diǎn)。仿真時(shí)間為1 000 s，節(jié)點(diǎn)使用 Random Waypoint移動(dòng)模型，以 0～20 m/s的速度運(yùn)動(dòng)。通信模型采用CBR(Continuous Bit Rat)流，CBR流大小為512 B。每秒鐘發(fā)10個(gè)數(shù)據(jù)包，從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)有不間斷的數(shù)據(jù)包發(fā)送，網(wǎng)絡(luò)層采用AODV路由協(xié)議，實(shí)驗(yàn)中采用不同數(shù)量的惡意節(jié)點(diǎn)發(fā)動(dòng)報(bào)文丟棄攻擊和虛假報(bào)文丟棄攻擊。影響仿真結(jié)果的因素很多，主要是環(huán)境的設(shè)置，如節(jié)點(diǎn)間發(fā)報(bào)的速率、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度、IDS簇首監(jiān)測(cè)周期大小、節(jié)點(diǎn)活動(dòng)的范圍。

評(píng)價(jià)算法性能的主要指標(biāo)是惡意節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)率和惡意節(jié)點(diǎn)的誤檢率。檢測(cè)率是指被檢測(cè)出來的惡意節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)占網(wǎng)絡(luò)中實(shí)際的全部惡意節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的比例。誤檢率是指正常節(jié)點(diǎn)被誤檢為惡意節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)占整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中正常節(jié)點(diǎn)的比例。對(duì)檢測(cè)率和誤檢率各做10次實(shí)驗(yàn)，然后取平均值。

圖4表示了不同惡意節(jié)點(diǎn)數(shù)量下，全局感知算法的檢測(cè)率。無論是否存在虛假報(bào)文丟棄攻擊，算法對(duì)惡意節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)率均隨著惡意節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中所占比例的增加有所下降，因?yàn)閻阂夤?jié)點(diǎn)的增加導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)率的異常數(shù)據(jù)增多，干擾了統(tǒng)計(jì)分析過程。圖5表示了不同惡意節(jié)點(diǎn)數(shù)量下，全局感知算法對(duì)惡意節(jié)點(diǎn)的誤測(cè)率。從圖5可以看出，無論是否存在虛假報(bào)文丟棄攻擊，算法的誤檢率都較低，雖然隨惡意節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增大而有小幅上升，但最高不超過3%。

圖4 不同惡意節(jié)點(diǎn)數(shù)量下的檢測(cè)率

實(shí)驗(yàn)表明，本文算法的惡意節(jié)點(diǎn)檢測(cè)率和誤檢率性能良好。在惡意節(jié)點(diǎn)所占比例較低的情況下，檢測(cè)率接近100%，誤檢率接近0%。隨著惡意節(jié)點(diǎn)所占比例的提高和惡意節(jié)點(diǎn)發(fā)送虛假的鄰居節(jié)點(diǎn)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)率信息，惡意節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)率有所下降，但仍保持在90%以上；誤檢率有所上升，但仍保持在3%范圍內(nèi)。

圖5 不同惡意節(jié)點(diǎn)數(shù)量下的誤檢率

惡意簇首節(jié)點(diǎn)發(fā)送虛假的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)率信息對(duì)檢測(cè)率造成了一定的影響，這主要是由于實(shí)驗(yàn)時(shí)指定的惡意節(jié)點(diǎn)并不一定會(huì)被選舉為簇首。本算法對(duì)于發(fā)送虛假報(bào)文丟棄攻擊，需要在節(jié)點(diǎn)兩次當(dāng)選為監(jiān)測(cè)簇首才做出判定，但這并不會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的性能。因?yàn)樗惴ㄊ腔诖亟Y(jié)構(gòu)的，惡意節(jié)點(diǎn)只有連續(xù)兩次當(dāng)選簇首才能對(duì)一個(gè)正常節(jié)點(diǎn)發(fā)動(dòng)虛假報(bào)文誣陷攻擊，而算法在成簇階段已經(jīng)阻止了此類攻擊發(fā)生，所以節(jié)點(diǎn)無法發(fā)動(dòng)虛假報(bào)文丟棄攻擊，因此表現(xiàn)為檢測(cè)率降低。在虛假報(bào)文丟棄攻擊惡意節(jié)點(diǎn)比例較高的情況下，檢測(cè)率平均降低了2%左右。

本文分析了現(xiàn)有依據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)檢測(cè)算法對(duì)報(bào)文丟棄攻擊和虛假報(bào)文丟棄攻擊進(jìn)行檢測(cè)算法存在的不足，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于簇首協(xié)作的報(bào)文丟棄攻擊全局感知算法。仿真實(shí)驗(yàn)表明，該算法通過對(duì)報(bào)文丟棄攻擊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全局監(jiān)測(cè)，減輕了網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)資源和網(wǎng)絡(luò)帶寬的消耗；利用狄克遜準(zhǔn)則進(jìn)行惡意節(jié)點(diǎn)判定，提高了報(bào)文丟棄攻擊的檢測(cè)精確度；同時(shí)，由于使用了基于簇首的監(jiān)測(cè)方式，惡意節(jié)點(diǎn)在作為簇成員的時(shí)候無法發(fā)動(dòng)虛假報(bào)文丟棄攻擊，很大程度上抑制了虛擬報(bào)文丟棄攻擊在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生的頻率。由于算法基于全局監(jiān)測(cè)周期進(jìn)行消息交換，在周期結(jié)束的時(shí)候進(jìn)行惡意節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)，因此，在提高入侵檢測(cè)響應(yīng)速率和改進(jìn)Hello消息傳播方式節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬方面需要進(jìn)一步優(yōu)化。

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