无线Mesh网络路由及安全问题研究

摘要

随着无线通信技术和电子技术的快速发展,无线Mesh网络(WMN,Wireless Mesh Network)得到了国内外研究人员的关注。WMN是一种新型的动态自组织自配置的分布式多跳网络。网络中的设备包括Mesh路由器和Mesh客户端。WMN网络具有良好的扩展性、自组织性和鲁棒性,网络能够很容易地部署接入Internet,从而获得高速的带宽,可以很好地应用在城域网、宽带局域网和交通医疗网等网络环境中。高效高质量的数据包传输路由协议是保证网络运行的核心,目前国内外对WMN的路由算法也有很多的研究。传统的网络分层设计方法,对于WMN不是有效的设计方法,由于无线通信是开放的而且信道的相关参数也在不断变化,因此分层设计方法不能提供高的QoS同时也无法提高网络的利用率。传统的基于最小跳的路由协议,因为无法有效抑制网络拥塞,网络流量分布不平均,节点不能同等得到网络资源等缺陷而无法适用于WMN网络。结合跨层思想来提高无线Mesh网络的性能从而设计新的路由协议是本文的主要出发点。此外,WMN的安全性也正在受到严重的挑战。由于无线通信的暴露性和多跳传输的脆弱性,WMN很容易受到各种各样的攻击,例如,节点捕获攻击、虫洞攻击、路由攻击、女巫攻击等等。本文针对常见的WMN中的虫洞攻击,利用一种简单有效的邻居方法来检测虫洞,避免使用了时钟同步或者额外的硬件等复杂的技术,在降低成本的同时有效地保护了网络。本学位论文围绕无线Mesh网络高效路由和安全进行了研究。
　　主要工作如下:
　　1.在分析无线Mesh网路由协议所面临挑战的基础上,结合其性能要求,以优化链路状态路由算法(Optimized Link State Routing,OLSR)协议为原型,运用跨层设计理论,提出了一种基于链路状态良好程度的路由协议LR-OLSR( Link Cognitive Optimized Link State Routing)。该协议通过对节点负载、链路投递率和链路可用性等环境信息进行感知推理,获得网络中节点之间的路径链路质量评价,实现对路由的优化选择,提高网络的吞吐量,达到负载均衡。通过与OLSR等协议的对比仿真结果表明,LR-OLSR能够从很大程度上提高网络中分组的递交率,降低平均端到端时延,在一定程度上达到负载均衡。
　　2.在优化链路状态路由(Optimized Link State Routing,OLSR)协议基础上,采用全新的路由判据CLM(Cross-Layer Metric),设计了一种基于跨层方法的主动路由协议CL-OLSR(Cross-Layer based Optimized Link State Routing)。在路由计算过程中通过跨层操作机制,综合考虑了节点可用带宽、节点负载、链路投递率和链路干扰四个链路质量影响因子,从而大大优化了路由选择的效果。CL-OLSR是一种逐跳转发的路由协议,与按需路由相比,其更适合WMN的近似静态的拓扑特征,同时能够满足业务流量的低延时的需求,能够和主动的逐跳路由协议结合使用,且算法相对简单高效。而且提出了一种路由减震机制在充分利用网络资源的同时,避免了负载敏感(load-sensitive)的路由判据所导致的路由震荡问题。仿真结果表明CL-OLSR能够从很大程度上提高网络的吞吐量,降低端到端的延时,并且能够达到负载均衡的路由效果。
　　3.在传统的多跳路由协议中,一些特定优势路径由于负载多而造成拥塞。为了使网络负载平衡,提出了一种基于AODV的跨层负载均衡路由算法。通过将负载从流量高的路由上迁移到流量空闲的节点和路由来平衡网络流量。仿真结果表明,LBCL-AODV能减轻网络拥塞从而提高网络的吞吐率和降低端到端平均延时。
　　4.为了提高虫洞检测的效率,本文提出了基于2-Hop邻居的虫洞检测方法WDNN(Wormhole Detection based on Neighbor’s Neighbor)。通过比较节点的位置几何关系,可以区分在网络中有无虫洞情况下的不同的局部网络拓扑结构。并提出了一种预防虫洞攻击的方案RWR(Random Walk Route Scheme)。从而可以检测在有虫洞情况下的网络中出现的假的拓扑结构来检测虫洞的存在。仿真结果表明WDNN和RWR能够有效地检测和预防虫洞。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2无线Mesh网络的概念

1.3无线Mesh网络路由

1.4 无线Mesh网络安全

1.5 国内外研究现状

1.6 本论文的结构安排

第二章 基于链路状态认知的WMN路由协议

2.1 引言

2.2 OLSR路由协议基本思想

2.3 LR-OLSR路由协议的实现

2.4 性能分析

2.5 仿真结果

2.6 本章小结

第三章 基于跨层方法的WMN主动路由协议

3.1 引言

3.2 CL-OLSR路由协议概述

3.3跨层设计方法

3.4 路由状态感知

3.5 CL-OLSR路由协议实现

3.6 CL-OLSR协议性能分析

3.7 CL-OLSR仿真与分析

3.8 本章小结

第四章 基于AODV的负载均衡的WMN路由协议

4.1 引言

4.2 LBCL-AODV协议概述

4.3 路由建立流程

4.4 仿真结果

4.5 本章小节

第五章 基于邻居的WMN虫洞检测和预防

5.1 引言

5.2 虫洞原理

5.3 基于两跳邻居的虫洞检测算法

5.4 仿真结果

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文的主要贡献

6.2 下一步工作的展望

致谢

参考文献

攻博期间取得的研究成果