基于Ad Hoc网络通信协定协议的研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 420.44KB 44 页 15积分

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摘要

Ad Hoc网络是近年来发展起来的一种无线移动分组网络，它具有动态变化的

拓扑结构，网络中的节点可以任意移动，也可以动态的加入或退出网络。Ad Hoc

网络无任何中心和固定基础设施，网络中各个节点的地位平等，每个节点都具有主

机与路由器的双重功能，形成了一个以中间主机节点为中继的多跳的分布式网络结

构。

无线自组网是一种特殊结构的无线通信网络，其通信依靠节点之间的相互协作

以无线多跳方式完成，因此网络不依赖于任何固定设施，具有自组织和自管理的特

性。这种特殊的组网方式使得无线自组网不仅适用于军用通信，也适用于环境监测

灾后现场临时通信等民用通信领域。然而，动态的网络拓扑给无线自组网的路由设

计提出了严峻的挑战。

路由技术是Ad Hoc网络的关键技术，也是影响网络整体性能最重要的因素之

一。传统的固定网络中的路由协议已经不再适应Ad Hoc网络动态变化的拓扑结构

必须设计新的Ad Hoc路由协议。近年来，出现了一些专门适用于Ad Hoc网络的路

由协议，但就整体而言，Ad Hoc路由技术，特别是具有QoS保障的路由技术，仍处

于探索阶段，尚无成熟的协议标准，还有待于进一步的深入研究。

本文从Ad Hoc网络的基本概念入手，对Ad Hoc网络的路由协议进行了详细的

分析研究。

本文首先对移动Ad Hoc网络的应用、网络结构、特点以及关键技术进行了介

绍进而对移动Ad Hoc网络的安全问题进行了深入的研究，包括网络面临的安全威

胁、安全日标、安全需求以及应对攻击的安全策略等。接着介绍了密钥管理的基本

理论，对各种移动Ad Hoc网络密钥管理技术进行了分析与研究，并对己有的移动

Ad Hoc网络密钥管理方案进行总结和比较分析。

在此基础上基于双线性对和层次路由协议提出了一个ad hoc网络中通信有效的

密钥协定协议，使逻辑密钥协定模型和实际网络拓扑结构对应，支持初始群密钥的

建立和动态更新，通信量较小。对范围较大、设备处理能力较强、但通信环境稍差

的网络非常有效。

关键词：ad hoc 网络；密钥协定；层次路由；双线性对

Abstract

Ad Hoc network is a kind of wireless and mobile network that developed in recent

years.It has a dynamic and variable topology,each node not only can move but can join

or exit the network freely.It has an acentric and infrastructureless distributed multi-hop

structure,all nodes have an equal status and act as two roles-router and node itself.

A w i reless a d h o c n e t w o r k i s a s p e c i a l s t r u c t u r e o f t h e w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n

network,in which the communications between the nodes rely on mutual collaboration

i n w i r e l e s s m u l t i - h o p m a n n e r , a n d t h e r e f o r e t h e n e t w o r k i s s e l f - o r g a n i z e d a n d s e l f -

managed without any infrastructure.The special type of networking makes wireless ad

hoc networks not only applicable to military communications,but also useful for areas

l i k e e n v i r o n m e n t m o n i t o r i n g , d i s a s t e r r e s c u e a n d e t c . H o w e v e r , t h e d y n a m i c n e t w o r k

topology poses severe challenges to the design of routing protocols.

The article first introduces the application,network structure,characteristic and the

essential technology of Mobile Ad Hoc Networks,as well as the thorough research on its

security problems,including the security threats,security target,security requirement that

n e t w o r k i s f a c e d w i t h . T h e n i t i n t r o d u c e s t h e e l e m e n t a r y t h e o r y o f K e y M a n a g e m e n t

technology of Mobile Ad Hoc Networks.It also summarizes and comparatively analyzes

nowadays Key Management plans.

Routing techniqu e is the key technique of Ad Hoc network and one of the mo st

impor t a nt factors affect the performance of the networ k.As the dynamic and variable

topology,those traditional ro uting protocols can n ot be appl icable to Ad Hoc network

a n d n e w r o u t i n g p r o t o c o l m u s t b e d e s i g n e d . I n r e c e n t y e a r s , s o m e s p e c i a l r o u t i n g

p r o t o c o l s f o r A d H o c n e t w o r k a p p e a r e d s u c h a s A O D V, D S R a n d D S D V. B u t t o t h e

whole fields of Ad Hoc routing techniques especially QoS routing technique, still has a

long way to go,all those routing protocols are needed to be improved as there is no any

standard protocol exists for Ad Hoc network.Ad Hoc routing technique needs a further

research and development.The dissertation studied Ad Hoc routing protocols in detail.

A s e c u r e c o m m u n i c a t i o n - e ff i c i e n t k e y a g r e e m e n t p r o t o c o l b a s e d o n t h e b i l i n e a r

pairings in Ad hoc Networks is proposed. In this protocol, the dynamicity of the

networks is considered and the 1-hop assumption is weakened by employing

h i e r a r c h i c a l r o u t i n g t e c h n i q u e s t o e n s u r e t h a t t h e l o g i c a l m o d e l o f k e y a g r e e m e n t

consist with the actual topology of networks. As a result, the communication overhead

is reduced. The analysis result shows that the proposed scheme is applicable to ad hoc

networks with large size.

K e y w o r d s : a d h o c n e t w o r k s ; k e y a g r e e m e n t ; h i e r a r c h y r o u t i n g ;

bilinear pairings

目  录
中文摘要
ABSTRACT
引言.................................................................1
第一章ad hoc网络与密钥协定...........................................3
§1.1 ad hoc网络...................................................3
§1.2 Ad Hoc网络的特点.............................................4
§1.2.1独立性....................................................4
§1.2.2动态变化网络拓扑结构......................................4
§1.2.3 有限的无线通信带宽.......................................4
§1.2.4有限的主机能源............................................5
§1.2.5网络的分布式特性..........................................5
§1.2.6有限的物理安全............................................5
§1.3 ad hoc网络的用途.............................................5
§1.4 Ad hoc网络的发展现状和研究方向...............................6
§1.4.1 新路由协议...............................................6
§1.4.2 基于Ad Hoc网络的媒体接入控制（MAC）协议..................7
§1.4.3 Ad Hoc网络与蜂窝网的互连互通.............................7
§1.4.4 基于Ad Hoc网络的协议.....................................8
§1.4.5服务质量QoS...............................................8
§1.4.6能量消费问题..............................................8
§1.4.7安全性问题................................................9
§1.5 加密及其Ad Hoc网络的安全需求.................................9
§1.5.1加密算法..................................................9
§1.5.2 Ad Hoc网络的安全需求....................................11
§1.6 Ad Hoc网络的安全威胁........................................14
第二章 ad hoc网络通信有效密钥协定协议的研究相关工作.................19
§2.1网络分簇.....................................................19
§2.2 改进型STR方案...............................................21
§2.3双线性对和双线性映射当前研究.................................22
§2.3.1相关定义.................................................22
§2.3.2  BDH 问题来源...........................................22
§2.3.3　BDH 问题研究...........................................23
第三章 相关理论基础支持.............................................24
§3.1 Ad Hoc网络的拓扑结构........................................24
§3.2半群.........................................................24
§3.3幺半群.......................................................24
§3.4群...........................................................24
§3.5乘法群和加法群...............................................25
III

§3.6 n元组的概念及特性...........................................25
§3.6.1二元组的定义.............................................25
§3.6.2 n元组定义...............................................25
§3.7树及二叉树的概念性质.........................................26
§3.7.1树的定义.................................................26
§3.7.2树中的基本概念...........................................27
§3.7.3二叉树的定义.............................................27
§3.8 Hash函数概念及特性..........................................28
§3.8.1Hash函数概念.............................................28
§3.8.2Hash函数特性.............................................28
§3.8.3Hash函数的应用...........................................29
第四章CEKAP协议.....................................................30
§4.1 参数设置和逻辑密钥树........................................30
§4.2 基本密钥协定协议............................................31
§4.3 初始群密钥协定过程（IKA：Initial Key Agreement）............31
§4.4 群密钥更新过程（AKA：Auxiliary Key Agreement）..............32
第五章CEKAP协议方案分析.............................................35
§5.1安全性分析...................................................35
§5.2密钥树分析...................................................35
§5.3通信量分析...................................................35
§5.4计算量分析...................................................37
第六章 总结与展望...................................................40
参 考 文 献.........................................................41
附录................................................................45
IV

引言

随着人们对摆脱有线网络束缚、随时随地可以进行自由通信的渴望，近几年来

无线网络通信得到了迅速的发展。人们可以通过配有无线接口的便携计算机或个人

数字助理来实现移动中的通信。目前的移动通信大多需要有线基础设施(如基站)的

支持才能实现。为了能够在没有固定基站的地方进行通信，一种新的网络技术——

Ad Hoc网络技术应运而生。Ad Hoc网络不需要有线基础设备的支持，通过移动主

机自由的组网实现通信。

计算机通信网络在20世纪70年代开始出现没有基础设施的技术，而且是应用在

最初的开发报文交换技术即因特网。不久以后，美国国防部高级研究规划署

（D A R P A）资助了一项特别的研究— — 分组无线网络（P a c k e t R a d i o

Network），即让报文交换技术在不受固定或有线的基础设施限制的环境下运行。

但是这些基础设施会随时遭到破坏。因此，能快速装备、自组织的移动基础设施是

Ad Hoc网络技术区别于其他商业蜂窝系统的基本要素。

Ad Hoc网络是由一系列移动结点组成，是一种自组织的网络，它不依赖于任

何已有的网络基础设施。网络中的结点动态且任意分布，结点之间通过无线方式互

连，它将分组交换网络的概念引伸到广播网络的范畴。这项工作开辟了移动自组网

（Mobile Ad Hoc Network，简称Ad Hoc网络或MANET）研发的先河。与此同时，

美国政府还资助了其他一些相关研究项目，其中包括“可生存自适应网络

（S U R A N） ” 、“ 低成本报文无线电（ L C R） ” 、“可生存通信网络

（SCN）”、“战术因特网和近期无线电（ NTDR）”项目等。

由于Ad hoc网络自身的特点，网络节点具有很强的移动性，成员关系和无线链

路比较脆弱，从而安全通信非常重要。众所周知，网络的安全问题大都依赖于密钥

的安全，因此研究会话密钥的安全就成为重中之重。但是在实际应用中，这些协议

常常将密钥协定模型和实际的网络拓扑结构分离，直接导致这类协议在实际应用时

不一定有效、安全，也就不太适合ad hoc网络。

而且，实际的ad hoc网络以多跳为主，加上拓扑结构的灵活性，路由非常复杂

而这些协议可能会将两个通信距离甚远的节点作为逻辑结构的相邻点，在它们之间

进行单播或组播通信实际上要经过很多节点的转发。如果这类单播通信较多，通信

量比之单跳网络就要大得多；而实际的网络应用表明，在网络范围较大的情况下，

网络延迟是一个比计算量更应该考虑的影响协议效率的因素。如果密钥协定协议的

通信量很大，在ad hoc网络中势必不太实用。

为了使ad hoc网络中的密钥协定协议更高效，作者采用两个办法来降低通信量

一是利用ad hoc网络的层次路由技术（Hierarchy Routing），对网络进行分簇处理

使密钥分配的逻辑结构和实际网络拓扑结构基本一致，将实际网络中的相邻点尽量

作为密钥树的相邻结点，尽量地避免单播问题，从而削弱单播问题带来的不稳定性

和复杂性，本质上降低了协议的通信复杂度。二是利用双线性映射，对RSTR(改进

的STR)协议再进行改进，使之在通信量上进一步降低，适合于范围较大，节点处

理能力较强，网络延迟较大的环境，比如军事、紧急救助等场合。

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摘要AdHoc网络是近年来发展起来的一种无线移动分组网络，它具有动态变化的拓扑结构，网络中的节点可以任意移动，也可以动态的加入或退出网络。AdHoc网络无任何中心和固定基础设施，网络中各个节点的地位平等，每个节点都具有主机与路由器的双重功能，形成了一个以中间主机节点为中继的多跳的分布式网络结构。无线自组网是一种特殊结构的无线通信网络，其通信依靠节点之间的相互协作以无线多跳方式完成，因此网络不依赖于任何固定设施，具有自组织和自管理的特性。这种特殊的组网方式使得无线自组网不仅适用于军用通信，也适用于环境监测灾后现场临时通信等民用通信领域。然而，动态的网络拓扑给无线自组网的路由设计提出了严峻的挑战。...

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