移动无线自组网中路由算法的安全性研究

移 动 无 线 自 组 网 中 路 由 算 法 的 安 全 性 研 究
作 者 :__ 金 鑫 ________
日 期 :__2003/10/20 _

本 文 提 纲
一 、 MANET 面 临 的 安 全 威 胁
二 、 目 前 的 研 究 成 果
三 、 未 来 的 研 究 方 向

一 、MANET、
面 临 的 安 全 威 胁
攻 击 的 模 型
主 动 攻 击
针 对 路 由 协 议 的 常 见 攻 击
被 动 攻 击
Active-n-m [1]

主 动 攻 击
• 主 动 攻 击 主 要 指 更 改 、 删 除 传 输 的 数 据 、 干 扰 通
信 信 道 以 及 拒 绝 服 务 攻 击 等 来 自 外 部 的 攻 击 。 这
类 攻 击 的 主 要 目 标 是 造 成 网 络 拥 塞 、 扩 散 错 误 的
路 由 信 息 、 阻 止 服 务 的 正 常 工 作 或 者 彻 底 关 闭 它
们 等 等 。

被 动 攻 击
• 攻 击 者 并 不 去 干 扰 正 常 的 路 由 协 议 , 而 仅 仅 窃 听 路
由 数 据 , 通 过 分 析 窃 听 到 的 路 由 数 据 就 可 能 得 到
有 用 的 信 息 。 由 于 Ad hoc 网 络 使 用 的 是 无 线 信 道 ,
所 以 这 种 攻 击 比 较 隐 蔽 , 一 般 无 法 检 测 到 。

Active-n-m
• 作 者 在 文 献 [1] 中 提 出 了 一 个 攻 击 模 型 :
把 一 个 攻 击 者 表 示 成 Active-n-m, 其 中 n 是 它 所 侵
害 的 正 常 节 点 , 而 m 是 它 本 身 所 拥 有 的 节 点 的 个
数 。 另 外 , 如 果 一 个 攻 击 者 将 整 个 网 络 拓 扑 结 构 中
所 有 关 键 路 径 上 的 节 点 都 控 制 了 , 也 就 是 说 正 常 节
点 被 分 成 了 若 干 个 子 集 , 这 些 子 集 间 如 果 要 进 行 通
信 就 必 须 通 过 这 个 攻 击 者 所 控 制 的 节 点 , 作 者 称 之
为 Active-VC。

一 、MANET
面 临 的 安 全 威 胁
攻 击 的 模 型
针 对 路 由 协 议 的 常 见 攻 击
资 源 耗 费 攻 击
路 由 破 坏 攻 击
两 种 攻 击 都 可 以 看 作 拒 绝 服 务
(Denial-of-Service, DoS) 攻 击 的 实 例 。

资 源 耗 费 攻 击
• 在 Ad hoc 网 络 中 , 由 于 节 点 的 能 量 和 带 宽 都 非 常
有 限 , 所 以 资 源 耗 费 攻 击 更 容 易 被 实 施 , 造 成 的
危 害 也 更 大 。
• 针 对 Ad hoc 网 络 还 有 一 种 叫 做 “ 剥 夺 睡 眠 (sleep
deprivation torture)” 的 特 殊 的 攻 击 。

路 由 破 坏 攻 击
• 攻 击 者 可 以 创 建 :
– 黑 洞 (black hole): 偷 偷 地 将 数 据 包 全 部 丢 弃 。
– 灰 洞 (gray hole): 有 选 择 的 丢 弃 其 中 的 一 部 分 , 如 转 发
路 由 协 议 包 而 丢 弃 数 据 包 。
– 虫 洞 (wormhole)[2]: 通 过 有 向 天 线 等 手 段 。
– 回 路 (route loop) 或 是 分 割 网 络 (partition): 通 过 修 改 路 由
信 息 、 发 送 虚 假 路 由 信 息 造 成 路 由 。

二 、 目 前 的 研 究 成 果
1 密 钥 的 管 理
2 安 全 路 由
3 入 侵 检 测

二 、 目 前 的 研 究 成 果
密 钥 的 管 理 分 布 式 密 钥 管 理 [3][4][5]
健 壮 路 由
入 侵 检 测
自 组 织 密 钥 管 理 [6]
基 于 口 令 的 密 钥 管 理 [7]
复 活 的 鸭 子 [8][9]
分 布 式 轻 负 荷 认 证 模 型 [10]

分 布 式 密 钥 管 理
• 文 献 [3][4] 中 提 出 了 一 种 基 于 Shamir 门 限 [5] 方 法 的
分 布 式 密 钥 认 证 体 系 。 它 将 CA 的 私 钥 SK 分 解 成 N
个 部 分 (S1,S2,…,Sn), 每 个 部 分 由 一 个 节 点 存 储 。
其 中 任 意 K 个 节 点 可 以 恢 复 出 这 个 私 钥 , 从 而 充
当 CA, 完 成 证 书 的 签 发 工 作 。
Key: How to share a secret

自 组 织 密 钥 管 理
• 文 献 [6] 中 提 出 了 一 种 类 似 于 PGP 的 自 组 织 密 钥 系
统 。 系 统 通 过 证 书 链 来 实 现 CA 的 功 能 。 一 个 节 点
存 储 它 所 信 任 的 节 点 的 证 书 。 如 果 一 个 节 点 想 获
得 另 一 个 节 点 的 证 书 , 那 么 它 就 顺 着 证 书 链 去 查
找 , 直 到 找 到 为 止 。
Key: Small world phenomenon

基 于 口 令 的 密 钥 管 理
• 文 献 [7] 中 提 出 的 基 于 口 令 的 密 钥 管 理 策 略 是 针 对
小 范 围 内 的 成 员 间 通 信 。 首 先 , 一 个 弱 口 令 被 分
发 给 组 内 成 员 , 每 个 成 员 用 这 个 弱 口 令 将 自 己 的
密 钥 信 息 提 交 , 然 后 系 统 将 这 些 提 交 的 密 钥 信 息
综 合 起 来 生 成 系 统 密 钥 , 最 后 所 有 用 户 就 可 以 用
这 个 系 统 密 钥 进 行 通 信 。

复 活 的 鸭 子
• Stajano 和 Anderson 在 文 献 [8] 和 [9] 中 提 出 了 铭 记
策 略 和 它 的 扩 展 。 在 这 个 模 型 中 , 两 个 设 备 之 间 通
过 一 个 安 全 的 瞬 时 关 联 形 成 一 种 主 从 关 系 . 鸭 子 指
从 设 备 , 而 它 的 母 亲 指 主 控 设 备 . 从 设 备 把 第 一 个 给
它 发 送 密 钥 的 设 备 当 作 它 的 主 控 设 备 , 并 听 从 主 控
设 备 的 指 挥 。
Key:
imprinting policy

分 布 式 轻 负 荷 认 证 模 型
• 文 献 [10] 综 合 了 上 述 几 种 模 型 的 思 想 , 提 出 了 一
种 分 布 式 轻 负 荷 的 认 证 模 型 。 该 模 型 的 主 要 目 的
并 不 是 要 保 障 交 易 的 绝 对 安 全 , 而 是 要 使 攻 击 者
付 出 的 代 价 要 高 于 交 易 本 身 。 这 样 攻 击 者 就 不 愿
意 付 出 大 量 的 努 力 去 破 坏 大 量 的 交 易 , 但 是 他 可
能 付 出 较 高 的 代 价 去 破 坏 一 个 单 独 的 交 易 。

二 、 目 前 的 研 究 成 果
密 钥 的 管 理
SRP[11]
健 壮 路 由
ARIADNE[12]
入 侵 检 测
SEAD[13]
SAR [14]
激 励 机 制 [15][16]

SRP
• SRP[11] 假 设 在 通 信 的 两 个 节 点 间 存 在 一 个 安 全 关
联 (Security Association, SA), 通 过 SA 进 行 双 向
验 证 来 保 证 两 个 通 信 节 点 间 路 由 信 息 的 准 确 性 , 这
样 在 路 由 请 求 过 程 中 就 可 以 不 考 虑 中 间 节 点 的 安
全 性 。

ARIADNE
• 文 献 [12] 中 提 出 了 一 种 基 于 DSR 的 安 全 按 需 路 由 协
议 ——Ariadne。
Ariadne 分 为 三 个 阶 段 :
1) 提 出 一 种 允 许 目 的 节 点 验 证 路 由 请 求 的 机 制 。
2) 提 出 了 三 种 可 以 互 换 的 机 制 来 验 证 路 由 请 求 和
路 由 回 复 中 的 数 据 。
3) 提 出 了 一 种 有 效 的 哈 希 算 法 来 验 证 路 径 上 的 每
个 节 点 都 不 能 缺 少 。

SEAD
• SEAD [13] 是 Hu, Johnson 和 Perrig 提 出 了 一 种 基 于 距 离
矢 量 路 由 协 议 DSDV 安 全 路 由 协 议 。 通 过 让 哈 希 值 和
路 由 信 息 中 的 权 值 以 及 序 列 号 相 关 联 , 使 用 单 向 哈 希
函 数 来 防 止 恶 意 节 点 减 小 路 由 信 息 中 对 应 目 的 节 点 的
权 值 或 者 增 加 它 的 序 列 号 。

SAR
• 文 献 [14] 中 提 出 的 SAR 算 法 是 一 种 面 向 分 层 结 构 的
ad hoc 网 络 的 安 全 路 由 算 法 。 它 假 设 已 经 存 在 一 种
密 钥 分 发 算 法 , 使 得 在 每 一 个 层 次 上 的 节 点 共 享
一 个 对 称 加 密 密 钥 。 并 且 它 假 设 每 个 节 点 和 它 所
处 的 信 任 等 级 是 绑 定 得 , 节 点 不 能 随 意 修 改 它 的
信 任 等 级 , 这 样 一 个 节 点 就 不 能 解 密 其 它 层 次 上
节 点 间 传 输 的 信 息 。

激 励 机 制
• Buttyan 和 Hubanx 将 经 济 学 中 的 思 想 引 入 到 了 Ad
hoc 网 络 中 , 他 们 在 文 献 [15] 和 [16] 中 提 出 了 虚 拟 货
币 的 概 念 , 并 把 它 作 为 转 发 数 据 包 的 报 酬 。 使 用 虚
拟 货 币 , 作 者 提 出 了 两 种 支 付 模 型 : 钱 包 模 型 和 交
易 模 型 。

二 、 目 前 的 研 究 成 果
密 钥 的 管 理
分 布 式 协 作 入 侵 检 测 [17]
安 全 路 由
Watchdog&Pathrater[18]
入 侵 检 测
CONFIDANT[19][20][21]
CORE[22]
游 戏 理 论 [23]
性 能 比 较 [24]

分 布 式 协 作 入 侵 检 测
• Zhang 和 Lee 在 文 献 [17][24] 中 提 出 并 在 NS2 上 实 现
了 一 种 分 布 式 协 作 入 侵 检 测 体 系 模 型 。 在 这 个 模 型
中 ,IDS 代 理 在 每 个 单 独 的 移 动 节 点 上 运 行 , 进 行
本 地 的 数 据 采 集 和 入 侵 检 测 , 当 一 个 节 点 发 出 异 常
警 报 时 , 周 围 的 节 点 就 配 合 进 行 检 测 并 在 整 个 网 络
范 围 内 进 行 反 馈 。

Watchdog & Pathrater
• 斯 坦 福 大 学 的 Marti 等 人 提 出 了 一 种 看 门 狗 和 选 路
人 算 法 [18]。
– 看 门 狗 是 指 数 据 包 的 发 送 者 在 将 包 发 出 去 之 后
还 要 监 视 他 的 下 一 跳 的 节 点 , 如 果 下 一 跳 的 节
点 没 有 对 包 进 行 了 转 发 怎 说 明 那 个 节 点 可 能 存
在 问 题 。
– 选 路 人 作 为 一 种 响 应 办 法 , 它 评 定 每 一 条 路 的
信 任 等 级 , 使 数 据 包 尽 量 避 免 经 过 那 些 可 能 存
在 恶 意 节 点 的 路 径 。

CONFIDANT
• CONFIDANT[19][20][21] 是 EPFL 提 出 的 一 种 入 侵 检 测
协 议 。 它 通 过 节 点 自 身 观 察 和 相 互 通 告 的 手 段 来 检 测
几 种 已 知 类 型 的 攻 击 , 使 得 网 络 中 节 点 在 进 行 路 由 时
绕 过 可 能 的 恶 意 节 点 , 进 而 将 恶 意 节 点 孤 立 。 模 拟 结
果 显 示 , 对 于 拒 绝 转 发 这 类 攻 击 ,CONFIDANT 可 以
有 效 的 对 付 占 节 点 总 数 一 半 的 恶 意 节 点 的 攻 击 。

CORE
• 文 献 [22] 中 提 出 了 一 种 基 于 游 戏 理 论 [23] 的 CORE
机 制 , 它 的 主 要 目 的 是 对 付 Ad hoc 网 络 中 的 自 私
节 点 。 节 点 的 协 作 是 通 过 一 种 相 互 配 合 的 监 督 技
术 和 一 套 信 誉 体 系 来 实 现 的 。 每 个 节 点 的 信 誉 分
为 主 观 信 誉 , 直 接 信 誉 和 功 能 信 誉 。 这 些 信 誉 值
被 加 权 平 均 成 一 个 总 的 信 誉 值 , 然 后 用 它 来 决 定
是 配 合 还 是 逐 步 孤 立 一 个 节 点 。

游 戏 理 论
»The preference structure
»The prisoner’s dilemma
»The Nash equilibria

性 能 比 较
• 入 侵 检 测 系 统 在 不 同 的 路 由 协 议 下 的 性 能 是 不 一
样 的 。 实 验 结 果 显 示 无 论 节 点 是 否 移 动 , 先 应 式
路 由 协 议 的 性 能 要 好 于 反 应 式 路 由 协 议 。
• 给 定 一 个 路 由 协 议 和 一 个 具 有 N 个 节 点 的 系 统 ,
需 要 有 多 少 个 节 点 加 入 到 入 侵 检 测 系 统 中 才 能 保
证 监 测 到 的 攻 击 不 小 于 一 定 的 比 例 。

三 、 未 来 的 研 究 方 向
• Network Performance Centric Security Design
• Game Theory in Security Design
Rational exchange VS Fair exchange
• Exploiting the Synergy between Peer-to-Peer and
Mobile Ad Hoc Networks

参 考 文 献
[1] Yih-Chun Hu, Adrian Perrig, and David B. Johnson. Ariadne: A Secure On-
Demand Routing Protocol for AdHoc Networks. Technical Report Technical
Report TR01-383, Department of Computer Science, Rice University,
December 2001.
[2] Y.-C. Hu, A. Perrig, and D.B. Johnson, “Packet Leashes: A Defense against
Wormhole Attacks in Wireless Ad Hoc Networks,” Proceedings of the
TwentySecond Annual Joint Conference of the IEEE Computer and
Communications Societies (INFOCOM 2003), IEEE, San Francisco, CA, April
2003。
[3] JiejunKong, PetrosZerfos, Haiyun Luo, Songwu Lu and Lixia
Zhang. Providing Robust and Ubiquitous Security Support for Mobile Ad-Hoc
Networks. IEEE 9th International Conference on Network Protocols (ICNP'01),
2001.
[4] Haiyun Luo, JiejunKong, PetrosZerfos, Songwu Lu and Lixia Zhang, Selfsecuring
Ad Hoc Wireless Networks accepted by the Seventh IEEE Symposium
on Computers and Communications (ISCC'02).
[5] A. Shamir, “How to share a secret,” Communications of ACM, 1979

[6] J. Hubaux, L. Buttyan, and S. Capkun. The Quest for Security in Mobile
Ad Hoc Networks. InProceedingof the ACM Symposium on Mobile Ad
Hoc Networking and Computing (MobiHOC),2001.
[7] N. Asokanand P. Ginzboorg. Key Agreement in Ad-hoc Networks.
Computer Communications 23, 2000.
[8] Frank Stajano and Ross Anderson. The Resurrecting Duckling. Lecture
Notes in Computer Science, Springer-Verlag, 1999.
[9] F. Stajano. The Resurrecting Duckling -- what next? The 8 thInternational
Workshop on Security Protocols, LNCS 2133, Springler-Verlag, 2000.
[10]Weimerskirch, Andr6, and Gilles Thonet"A Distributed Light-Weight
Authentication Model for Ad-hoc Networks," v. 2288 of LNCS, 2002.
[11] PanagiotisPapadimitratosand Zygmunt J. Haas Secure Routing for
Mobile Ad hoc Networks SCS Communication Networks and Distributed
Systems Modeling and Simulation Conference (CNDS 2002), San Antonio,
TX, January 27-31, 2002.
[12] Yih-Chun Hu, Adrian Perrig, and David B. Johnson. Ariadne: A Secure
On-Demand Routing Protocol for AdHoc Networks. Technical Report
Technical Report TR01-383, Department of Computer Science, Rice
University, December 2001.

[13] Yih-Chun Hu, David B. Johnson, and Adrian Perrig. SEAD: Secure
Efficient Distance Vector Routing for Mobile Wireless AdHoc Networks. In
Proceedings of the 4th IEEE Workshop on Mobile Computing Systems &
Applications (WMCSA 2002), IEEE, Calicoon, NY, June2002.
[14] S. Yi, P. Naldurg, and R. Kravets. Security-aware ad hoc routing for
wireless networks. In Proc. ACM Mobihoc, 2001.
[15] Levente Butty´an and Jean-Pierre Hubaux. Enforcing Service Availability
in Mobile Ad-HocWANs. In Proceedings of IEEE/ACM Workshop on
Mobile Ad Hoc Networking and Computing (Mobi-HOC), Boston, MA,
USA, August 2000.
[16] Levente Butty´anand Jean-Pierre Hubaux. Stimulating Cooperation in Self-
Organizing Mobile Ad Hoc Networks. Technical Report DSC/2001/046,
EPFL-DI-ICA, August 2001.
[17] Yongguang Zhang and Wenke Lee. Intrusion Detection in Wireless Ad-Hoc
Networks. In Proceedings of MOBICOM 2000, pages 275–283, 2000.
[18] MGLB00] Sergio Marti, T.J. Giuli, Kevin Lai, and Mary Baker. Mitigating
Routing Misbehavior in Mobile Ad Hoc Networks. In Proceedings of
MOBICOM 2000, pages 255–265, 2000.
[19] Sonja Buchegger and Jean-Yves Le Boudec. IBM Research Report: The
Selfish Node: Increasing Routing Security in Mobile Ad Hoc Networks. RR
3354, 2001.

[20] Sonja Buchegger and Jean-Yves Le Boudec. Nodes Bearing Grudges:
Towards Routing Security, Fairness, and Robustness in Mobile Ad Hoc
Networks. In Proceedings of the Tenth Euromicro Workshop on Parallel,
Distributed and Network-based Processing, pages 403 – 410, Canary
Islands,Spain, January 2002. IEEE Computer Society.
[21] Sonja Buchegger and Jean-Yves Le Boudec. Performance Analysis of the
CONFIDANT Protocol: Cooperation Of Nodes — Fairness In Dynamic
Ad-hoc NeTworks. In Proceedings of IEEE/ACM Symposium on Mobile
Ad Hoc Networking and Computing (MobiHOC), Lausanne, CH, June
2002.
[22] Pietro Michiardi and RefikMolva. CORE: A Collaborative Reputation
Mechanism to enforce node cooperation in Mobile Ad hoc Networks. Sixth
IFIP conference on security communications, and multimedia (CMS 2002),
Portoroz, Slovenia., 2002.
[23] P. Michiardi, R. Molva, Game theoretic analysis of security in mobile ad
hoc networks, Research Report RR-02-070, Institut Eurecom
[24] Y. Zhang, W. Lee, and Y. Huang. Intrusion detection techniques for
mobile wireless networks. ACM/Kluwer Mobile Networks and
Applications (MONET)。

Thanks !