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        改進節(jié)點度分簇路由協(xié)議研究

        2016-02-07 02:37:52于永學裴小東
        網(wǎng)絡安全技術與應用 2016年11期
        關鍵詞:路由成員傳輸

        ◆李 琛 楊 松 于永學 裴小東

        (海軍裝備研究院 北京 100036)

        改進節(jié)點度分簇路由協(xié)議研究

        ◆李 琛 楊 松 于永學 裴小東

        (海軍裝備研究院 北京 100036)

        在移動自組網(wǎng)節(jié)點規(guī)模較大的情況下,采用基于分簇結構的路由協(xié)議。最高節(jié)點度簇首算法,能夠減少自組網(wǎng)簇的數(shù)量,提高自組網(wǎng)組網(wǎng)效率,減少簇間路由開銷。本文在該協(xié)議的基礎上,對簇首的選擇進行改進,考慮自組網(wǎng)節(jié)點位置和移動狀態(tài)的變化導致簇首的頻繁變更的問題,對最高節(jié)點度算法進行改進,提高網(wǎng)絡拓撲的穩(wěn)定性,降低節(jié)點路由維護開銷。

        移動自組網(wǎng);分簇路由協(xié)議;節(jié)點度;簇首

        0 引言

        傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡中路由器固定,組網(wǎng)后網(wǎng)絡拓撲穩(wěn)定,路由信息可長時間不用更新。移動自組網(wǎng)是無固定基礎設施、無中心的自組織網(wǎng)絡,網(wǎng)內(nèi)節(jié)點在移動狀態(tài)下組網(wǎng),組網(wǎng)具有靈活以及不受地理環(huán)境限制的優(yōu)勢,所有節(jié)點具備路由功能,節(jié)點可以隨時加入或離開自組網(wǎng)而不會導致網(wǎng)絡癱瘓,因此,移動自組網(wǎng)路由協(xié)議是保證組網(wǎng)穩(wěn)定高效的關鍵技術之一。針對移動自組網(wǎng)不同網(wǎng)絡規(guī)模和任務需求,已經(jīng)發(fā)展大量的路由協(xié)議技術,其中在大規(guī)模節(jié)點情況下,普遍采用技術成熟的分簇路由協(xié)議實現(xiàn)高效組網(wǎng)。本文研究改進節(jié)點度的分簇路由協(xié)議,在原有最高節(jié)點算法的基礎上對簇首變更提出改進方法,降低簇首變更頻率,節(jié)省網(wǎng)絡維護資源,提高網(wǎng)絡拓撲穩(wěn)定性。

        1 分簇路由協(xié)議研究現(xiàn)狀

        圖1 分簇結構示意圖

        分簇路由協(xié)議區(qū)別于平面路由協(xié)議。在平面路由協(xié)議中,所有組網(wǎng)節(jié)點地位平等,節(jié)點在功率覆蓋范圍內(nèi)可以互聯(lián)互通,距離較遠則多跳傳輸。平面路由協(xié)議適合節(jié)點規(guī)模較小的自組網(wǎng),路由信息更新快,路由建鏈維護方便,但是節(jié)點數(shù)目增多會導致路由開銷大,造成網(wǎng)絡資源浪費。分簇路由協(xié)議基于分簇結構的自組網(wǎng),簇的劃分主要根據(jù)網(wǎng)絡中結構功能類似的節(jié)點進行劃分,簇內(nèi)包含一個簇首和若干簇成員,組網(wǎng)示意如圖1所示。簇首一般根據(jù)最小ID、最高節(jié)點度、最低移動性、節(jié)點位置等條件進行選舉,主要控制并管理簇內(nèi)成員,協(xié)調簇成員報文傳遞,對簇內(nèi)信息收集以及數(shù)據(jù)處理,將信息數(shù)據(jù)共享給其他簇首。分簇路由協(xié)議相比平面路由協(xié)議能夠有效控制洪泛廣播信息,簇成員功能相對簡單,不需要維護復雜的路由信息,在跨簇傳播時主要在簇首層級傳播,網(wǎng)絡規(guī)模不受限制,在大規(guī)模節(jié)點情況下能夠實現(xiàn)降低節(jié)點能耗和提高網(wǎng)絡通信質量的目的,但是簇首的維護比較復雜,在網(wǎng)絡拓撲變化時,簇首的變更也會占據(jù)網(wǎng)絡路由開銷,而且,路由通過簇首尋路,因此所尋路徑不一定是最優(yōu)路徑。

        2 最高節(jié)點度分簇路由協(xié)議

        在分簇路由協(xié)議中,一個節(jié)點與相連一跳距離的節(jié)點(鄰居節(jié)點)數(shù)量稱為節(jié)點度。最高節(jié)點度算法根據(jù)最大節(jié)點度對自組網(wǎng)進行劃分。采用該算法的路由協(xié)議,將擁有最高節(jié)點度的節(jié)點選舉為簇首,度數(shù)相同則隨機選擇節(jié)點作為簇首,簇首的鄰居節(jié)點作為簇成員,簇首和簇成員一起組成簇,自組網(wǎng)對所有節(jié)點進行上述過程,直至所有節(jié)點身份確定。具體算法描述如下:

        假設區(qū)域內(nèi)存在N個節(jié)點,每個節(jié)點分配標識為1,2,3,…,N。任意節(jié)點通過廣播問詢的方式與其他節(jié)點交互信息,得到該問詢信號的節(jié)點會向廣播問詢的節(jié)點發(fā)送應答信號,這樣每個節(jié)點都會得到一個判決矩陣,公式如下:

        式中,當?shù)趇節(jié)點與第j個節(jié)點不臨相鄰時,aij=0;當?shù)趇個節(jié)點與第j個節(jié)點相鄰時,aij=1;同時定義i=j的情況下,aij=1。

        判決矩陣A包含了本節(jié)點同其他節(jié)點的位置關系信息,反映了網(wǎng)絡的拓撲結構。矩陣中主要由0和1兩個元素構成,當aij=0時,表示節(jié)點i和j不相鄰;當aij=1時,表示兩節(jié)點相鄰。在已經(jīng)獲得判決矩陣信息的情況下,可以計算每一個節(jié)點的節(jié)點度,再根據(jù)節(jié)點度對自組網(wǎng)進行分簇。

        節(jié)點i的度數(shù)DN(i)計算公式如下:

        式中i=1,2,3,…,N。

        在計算最大節(jié)點度后,按照節(jié)點度數(shù)值高低的依次選舉為簇首,選舉簇首后,判決矩陣需對與簇首節(jié)點相連的鄰居節(jié)點剔除判決矩陣,再重新選舉其他簇首。計算形式如下:

        定義,第k個節(jié)點的度數(shù)為DN(k),公式如下:

        節(jié)點k為第1個簇首H1,將DN(k)記錄并保存到選舉度S(k)=DN(k)中。令k’ ∈V-Ntotal(i),i’ ∈V-Ntotal(i),繼續(xù)在剩余節(jié)點中選擇簇首,公式如下:

        節(jié)點k’被選為第2個簇首H2,保存選舉度S(k’),用同樣的方法繼續(xù)選擇簇首,直到自組網(wǎng)分簇完畢。

        按照最高節(jié)點度算法將自組網(wǎng)劃分為不同簇區(qū)域,能夠盡量減少自組網(wǎng)簇的數(shù)目。業(yè)務報文簇內(nèi)轉發(fā)概率增加,簇間轉發(fā)效率提高,從系統(tǒng)整體上有效降低傳輸時延。但是,基于最高節(jié)點度的分簇算法,簇首變更頻繁,引發(fā)大量維護開銷,造成網(wǎng)絡資源浪費。

        3 改進節(jié)點度分簇路由協(xié)議

        改進節(jié)點度分簇路由協(xié)議主要針對原協(xié)議簇首變更頻繁的問題,在設計時引入門閾值T,既降低簇首變更頻率,同時能夠在拓撲結構變化較大時及時變更簇首,提高系統(tǒng)效率。改進節(jié)點度分簇路由協(xié)議主要包括分簇的建立和維護兩部分內(nèi)容。

        3.1 分簇建立

        改進節(jié)點度分簇路由協(xié)議在組網(wǎng)之初,采用最大節(jié)點度算法的思路,盡可能減少組網(wǎng)簇首的數(shù)量,具體算法如下。

        通過廣播問詢以及統(tǒng)計應答信息,建立判決矩陣A:

        其中判決矩陣A中,當i=j時,aij=1。N為節(jié)點總數(shù)量,所有節(jié)點從1到N對應不同序號進行標識;aij表示第i個節(jié)點與第j個節(jié)點的位置關系,當aij=0時,表示節(jié)點i和j不相鄰;當aij=1時,表示兩節(jié)點相鄰。

        根據(jù)判決矩陣計算節(jié)點度:

        公式中ai代表第i個節(jié)點。計算所有節(jié)點度后,得到節(jié)點度矩陣DN,并根據(jù)節(jié)點度矩陣選取其中節(jié)點度最大的節(jié)點,作為簇首。

        第一個簇首節(jié)點記為H1,節(jié)點度為:

        對簇首選舉度S(H1)進行賦值并保存選舉度在本節(jié)點:

        簇首決定后,該節(jié)點ai根據(jù)判決矩陣A中第i行中的值判斷與簇首相連節(jié)點的位置關系。aij=1代表與簇首相連的鄰居節(jié)點,這些作為簇成員不參與其他簇首選舉,簇與簇成員組成簇;aij=0表示其他節(jié)點不與簇首ai一跳相連,參與其他簇首選舉。簇確定后,需要根據(jù)判決矩陣從所有節(jié)點集合N中刪除簇和簇成員節(jié)點,該簇節(jié)點集合定義為J,表示為:

        剩余節(jié)點集合定義為N’,表示如下:

        第二個簇首節(jié)點記為H2,需要在剩余節(jié)點集合中選取簇首,節(jié)點度為:

        對簇首選舉度S(H2)進行賦值并保存選舉度在簇首節(jié)點H2中:

        簇首選舉之后,同樣根據(jù)判決矩陣完成簇成員身份確定,完成第二個簇的建立,并從N’中刪除簇首和簇成員集合,繼續(xù)進行簇首選舉,直至所有節(jié)點身份確定,完成組網(wǎng)過程。

        3.2 路由維護

        3.2.1 變更判決

        組網(wǎng)完成之初,采用最大節(jié)點度算法的分簇網(wǎng)絡保證簇首節(jié)點數(shù)量盡可能小。但是,由于移動自組網(wǎng)的移動性和開放性,節(jié)點位置可能不斷變化,普通節(jié)點可能隨時加入自組網(wǎng),網(wǎng)絡拓撲動態(tài)變化。原路由協(xié)議在網(wǎng)絡拓撲變化后,始終根據(jù)節(jié)點度進行分簇,在節(jié)點移動速度快的情況下,可能引起簇首不斷變更,雖然能夠保證網(wǎng)絡效率,卻導致系統(tǒng)大量的路由維護。

        采用改進節(jié)點度路由協(xié)議維護路由過程中,當簇首ai節(jié)點度變化時,計算當前節(jié)點度DN(ai),并與簇首保存選舉度S做差運算,引入比較門閾值T,降低簇首變更驟然性,增加變更條件余量。

        若簇首節(jié)點度滿足如下條件:

        則不需要變更簇首,即便簇內(nèi)存在節(jié)點度大于簇首的簇成員,系統(tǒng)依然保持簇結構,保證網(wǎng)絡穩(wěn)定性,反之,則進入簇變更程序。

        公式中,門閾值T的取值,根據(jù)自組網(wǎng)業(yè)務量多少和節(jié)點設備功率、傳輸能力等進行預先設置。在系統(tǒng)業(yè)務量繁重或者節(jié)點設備功率大、功能全面等情況下,可以將T的取值增大,減少簇首變更,維持自組網(wǎng)拓撲結構,反之,則減少T的取值,及時變更簇首,調整到系統(tǒng)最佳狀態(tài),提高系統(tǒng)效率。

        3.2.2 狀態(tài)變更

        在改進節(jié)點度的路由協(xié)議中,節(jié)點狀態(tài)(c_state)包括4種狀態(tài):簇首狀態(tài)(CH)、成員節(jié)點狀態(tài)(MEMBER)、網(wǎng)關狀態(tài)(GW)、簇首競爭狀態(tài)(CH_READY)。幾種狀態(tài)變更示意圖如圖2所示。

        圖2 狀態(tài)轉換示意圖

        (1)簇首狀態(tài)

        簇首與鄰居節(jié)點以一跳距離相連,組成簇,簇與簇之間通過簇首相連。在其他節(jié)點加入該簇或者本簇節(jié)點離開該簇,簇首節(jié)點度變更超過閾值,進行變更,重新計算簇內(nèi)節(jié)點節(jié)點度,若原簇首仍適合作為簇首狀態(tài),則不作改變,若連續(xù)3個周期存在簇首競爭狀態(tài),則將簇首競爭狀態(tài)節(jié)點作為簇首,原簇首降為成員節(jié)點狀態(tài),并在本簇范圍內(nèi)廣播發(fā)送強制變更消息。

        (2)成員節(jié)點狀態(tài)

        成員節(jié)點狀態(tài)是簇內(nèi)可以隨時作為其他狀態(tài)的節(jié)點。

        在當前拓撲更新周期內(nèi),若新增處于CH狀態(tài)的雙向鄰居、且該CH所在簇的容量未滿時,加入該CH所在的簇;若本節(jié)點的鄰居中CH數(shù)量>1,則成為網(wǎng)關節(jié)點,轉入GW狀態(tài)。

        節(jié)點加入某簇的情況下,在當前拓撲更新周期內(nèi),若新增處于CH_READY狀態(tài)的雙向鄰居,當本節(jié)點更適合作為CH時,進入CH_READY狀態(tài)。

        節(jié)點加入某簇的情況下,若在當前拓撲更新周期內(nèi),只收到處于雙向MEMBER狀態(tài)的節(jié)點發(fā)來的鄰居通告,比較本節(jié)點及所有鄰居的節(jié)點度,若本節(jié)點更適合作為CH,轉入CH_READY狀態(tài)。

        節(jié)點尚未加入任何簇的情況下,若連續(xù)3個周期未收到處于CH_READY狀態(tài)的節(jié)點發(fā)送的鄰居通告,則自動轉入CH_READY狀態(tài)。

        (3)簇首競爭狀態(tài)

        在當前拓撲更新周期內(nèi),若新增處于CH狀態(tài)的雙向鄰居、且該CH所在簇的容量未滿時,則加入該CH所在的簇,并轉入MEMBER狀態(tài)。

        在當前拓撲更新周期內(nèi),若新增處于CH_READY狀態(tài)的雙向鄰居,當對方更適合作為CH時,本節(jié)點轉入MEMBER狀態(tài)。

        本節(jié)點若連續(xù)2個周期處于CH_READY狀態(tài),則表示競爭簇首成功,進入CH狀態(tài),并將此時的節(jié)點度記為選舉度S。

        (4)網(wǎng)關狀態(tài)

        在當前拓撲更新周期內(nèi),若新增處于CH狀態(tài)的雙向鄰居、且該CH所在簇的容量未滿時,加入該CH所在的簇,作為該簇的網(wǎng)關。

        當本節(jié)點鄰居中的CH數(shù)量降為1時,不再充當網(wǎng)關,轉入MEMBER狀態(tài)。

        當本網(wǎng)關與相鄰的成員節(jié)點或網(wǎng)關節(jié)點所屬簇首不同時,相鄰的成員節(jié)點或網(wǎng)關節(jié)點則成為本網(wǎng)關的協(xié)作網(wǎng)關節(jié)點。

        3.3 路由協(xié)議過程

        改進節(jié)點度分簇路由協(xié)議主要包含兩部分內(nèi)容:簇內(nèi)路由過程和簇間路由過程。

        (1)簇內(nèi)路由過程

        節(jié)點收到上層的單播業(yè)務請求,目的節(jié)點位于簇內(nèi)時,直接查詢簇內(nèi)路由表,若存在到達目的節(jié)點的一跳路徑,則選取簇內(nèi)路由表中最小的路徑作為傳輸路徑;若不存在,選取路由表中最小的兩跳路徑作為傳輸路徑(必然存在簇首作為中轉節(jié)點的傳輸路徑),然后,將傳輸路徑寫入業(yè)務報文首部。

        (2)簇間路由過程

        節(jié)點收到上層的單播業(yè)務報文請求,目的節(jié)點位于簇外時,通過查詢網(wǎng)關列表、簇間路由表,若存在可用路由,則將傳輸路徑寫入業(yè)務報文首部,進行報文傳遞。若查詢后不存在可用路徑,生成路由請求RREQ消息。查詢路由請求表后,將路由請求消息傳遞給目的節(jié)點,目的節(jié)點生成應答消息RREP,生成“本地-目的節(jié)點”的路由加入簇間路由表,完成簇間路由。

        4 仿真與結果分析

        設計路由協(xié)議可以更好的構造一個高效率的自組網(wǎng),分簇路由協(xié)議主要應用節(jié)點較多的場合,分簇算法將自組網(wǎng)分成多個簇,算法的好壞直接影響移動自組網(wǎng)性能。本研究采用OPNET軟件進行仿真驗證。本論文研究的改進節(jié)點度分簇路由協(xié)議,主要在不同節(jié)點移動速度的情況下,對該協(xié)議和原有路由協(xié)議進行比較。在仿真過程中,門閾值統(tǒng)一設為T=2,設定其他參數(shù)一致的前提下,比較二者簇首變更頻率的不同,傳輸時延的不同。仿真具體參數(shù)設置如仿真模擬實驗參數(shù)表1所示。

        圖3 簇首變更率示意圖

        圖4 不同節(jié)點移動速度下的傳輸時延

        5 總結

        本文基于最高節(jié)點度算法路由協(xié)議,提出改進節(jié)點度路由協(xié)議,對簇首的變更條件進行改進,并給出詳細算法,從理論和初步試驗證明了改進節(jié)點度分簇路由協(xié)議在簇首變更頻率和傳輸時延方面對自組網(wǎng)性能的提高。

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        [8]Ali Aydin M,Halim Zaim A,Gokhan Ceylan K.A hybrid intrusion detection system design for computer network security[J].Computers & Electrical Engineering,2009.

        Libpcap對數(shù)據(jù)的捕獲是通過幾個主要函數(shù)來完成的。首先調用Pcap-lookupdev()函數(shù)找到查找可以捕獲數(shù)據(jù)包的設備接口,并返回該網(wǎng)絡設備名稱。接著調用Pcap-open()函數(shù),利用上面查詢到的接口設備創(chuàng)建捕獲句柄,進行數(shù)據(jù)捕獲并將捕獲的數(shù)據(jù)轉換成以太類型,分析判斷包含的數(shù)據(jù)包類型。

        Sebek和Libpcap都是在Linux系統(tǒng)內(nèi)核中完成的,可以在不同的層次把兩者結合起來進行多層次數(shù)據(jù)捕獲,保證了數(shù)據(jù)捕獲的全面性和可靠性。

        3 結論

        本文設計的數(shù)據(jù)捕獲系統(tǒng)是基于Linux系統(tǒng)內(nèi)核的基礎上對傳統(tǒng)Honeypot數(shù)據(jù)捕獲的一種改進,采用雙層捕獲機制,能名夠盡可能地對數(shù)據(jù)包的全面、可靠性捕獲,從而進行深入分析,獲取攻擊者的信息,以便更有效保護好主機系統(tǒng)。

        參考文獻:

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        湖南省教育廳科研基金項目,項目編號:15C0166。

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