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第9期 薛楠等：认知无线电网络自私行为问题及安全解决方案 ,1209 跳可达，簇头能直接接收到簇成员发出的数据包 在向下一转发节点发送数据包时，复制一份需转发 2.2.2两种自私行为安全解决方案 的数据包，并在下一转发节点数据发送信道监视其 (1)隐藏可用信道信息的自私行为安全解决方 数据包转发情况，如在一定时间内，下一节点发送 案，在网络中拒绝转发RREQ数据包的节点分为自 的数据包不能同转发节点复制的数据包正确匹配， 私节点和故障节点两部分，故障节点不但拒绝转发 则认为转发节点发生了丢包现象.当在时间T内， RREQ数据包，并且不作为源节点发送数据，不向簇 节点丢包率超过k时，如 头发送频谱变化情况，即故障节点失去了数据包发 k=n/N (1) 送功能 就认为其是自私节点，转发节点每隔时间T重新 发现自私节点：由于网络是单跳有头簇结构，当 对其下一转发节点进行安全性评估，判断出自私节 簇成员发出或转发RREQ数据包时，该簇的簇头能 点以后，及时通知网络中其他节点，以便其他节点不 接收到其发出的RREQ数据包，如果发出RREQ 使用自私节点建立路由连接，式中，k为T时间段 数据包的节点是已经标明的自私节点该簇的簇头不 内节点丢包率，为T时间段内节点丢失数据包 做任何处理，如该节点不是自私节点，则簇头将该节 数，N为T时间段内节点需转发的数据包数 点的位置信息、RREQ数据包的发送半径和RREQ 3基于跳数最少的路由协议及安全解决方 数据包中包含的该簇成员可用频谱信息放入数据包 P内，发送给RREQ数据包传输范围内其他节点所 案性能分析 在簇的簇头，这些簇头根据自己保留的本簇簇成员 3.1路由发现 位置信息和接收到的数据包P,判断本簇中哪些簇 路由发现过程流程图，如图2所示.首先，源节 成员在RREQ数据包的覆盖范围内，同时原簇头也 点S在控制信道按照AD HOC网络的AODV路由 判断RREQ数据包在本簇的覆盖范围.对于覆盖范 协议I]规定，向整个网络广播RREQ数据包，中间 围内的簇成员，簇头根据掌握的簇成员可用频谱信 节点MN接收到RREQ数据包后，首先判断发送 息判断这些簇成员与发送RREQ数据包的节点是 RREQ数据包的源节点是否为自私节点，如源节点 否有成交集的空闲频段，如存在交集，则簇头会接 为自私节点，中间节点拒绝转发其发出的RREQ数 收到相应簇成员转发的RREQ数据包；如没有接收 据包，不为其建立路由连接，从而限制自私节点发送 到簇成员转发的RREQ数据包，则说明该簇成员为 数据，如果不是自私节点并且中间节点MN没有 自私节点或故障节点，如经过一段较长时间t,簇头 到达目的节点D的路由信息，其就继续向其他节点 发现该节点即没有转发过RREQ数据包，也没有作 广播RREQ数据包；如中间节点MN有到达目的节 为源节点发送任何数据包，则可判断该节点为故障 点D的路由信息，则中间节点将其已知的到达目的 节点，否则为自私节点，由于数据包的碰撞等原因， 节点D的全部路由信息放入RREQ数据包中，将 簇头可能不会完全接收到簇成员转发的RREQ数 RREQ数据包沿其中一条己知路由送到目的节点 据包，因此簇头判断某个簇成员为自私节点时，设置 D,目的节点经过一段时间可能接收到一系列从源 一个阈值Q,当簇头发现某簇成员未转发数据包占 节点到目的节点的路由，目的节点先将含有丢包自 其应转发数据包比例大于Q时，则认为该簇成员为 私行为节点的路由排除，然后将剩余的路由构成一 自私节点，根据网络情况0Q≤1，这里研究的自 个路由集合Rout{S,D}, 私节点完全不转发数据包，因此其未转发数据包与 目的节点D从路由集合Rout{S,D}中获得各 其应转发数据包的比值为1. 条路由中包含的转发节点ID和源节点ID,然后目 安全解决方案：产生这种自私行为的根本原因 的节点D向网络中的每个簇头发送包含全体转发 是在路由发现阶段，认知节点判断相互间是否有共 节点ID和源节点ID的数据包REID,当其他簇头 享数据信道，针对这个问题，结合本文采用的分簇 接收到REID数据包以后，他们查看REID数据包 式认知用户网络体系结构，设计了一个基于簇的路 中包含的转发节点ID和源节点ID,判断转发节点 由协议，在路由发现阶段采用可信簇头传递簇成员 和源节点是否在自己的簇内，如节点在自己簇内，该 的可用数据信道信息，避免认知节点信道协商，详细 簇头就向目的节点D发送其簇内相应节点的可用 叙述见路由协议设计， 数据信道信息，目的节点D根据得到的各节点的 (2)拒绝转发数据包的自私行为安全解决方案 可用数据信道信息，分别判断Rout{S,D}中每条路 针对这种自私行为，采用节点监视技术。转发节点 由的上下节点间是否存在成交集的可用数据信道.跳可达簇头能直接接收到簇成员发出的数据包． 2∙2∙2 两种自私行为安全解决方案 （1）隐藏可用信道信息的自私行为安全解决方 案．在网络中拒绝转发 RREQ 数据包的节点分为自 私节点和故障节点两部分．故障节点不但拒绝转发 RREQ 数据包并且不作为源节点发送数据不向簇 头发送频谱变化情况即故障节点失去了数据包发 送功能． 发现自私节点：由于网络是单跳有头簇结构当 簇成员发出或转发 RREQ 数据包时该簇的簇头能 接收到其发出的 RREQ 数据包．如果发出 RREQ 数据包的节点是已经标明的自私节点该簇的簇头不 做任何处理如该节点不是自私节点则簇头将该节 点的位置信息、RREQ 数据包的发送半径和 RREQ 数据包中包含的该簇成员可用频谱信息放入数据包 P 内发送给 RREQ 数据包传输范围内其他节点所 在簇的簇头这些簇头根据自己保留的本簇簇成员 位置信息和接收到的数据包 P判断本簇中哪些簇 成员在 RREQ 数据包的覆盖范围内．同时原簇头也 判断 RREQ 数据包在本簇的覆盖范围．对于覆盖范 围内的簇成员簇头根据掌握的簇成员可用频谱信 息判断这些簇成员与发送 RREQ 数据包的节点是 否有成交集的空闲频段．如存在交集则簇头会接 收到相应簇成员转发的 RREQ 数据包；如没有接收 到簇成员转发的 RREQ 数据包则说明该簇成员为 自私节点或故障节点．如经过一段较长时间 t簇头 发现该节点即没有转发过 RREQ 数据包也没有作 为源节点发送任何数据包则可判断该节点为故障 节点否则为自私节点．由于数据包的碰撞等原因 簇头可能不会完全接收到簇成员转发的 RREQ 数 据包因此簇头判断某个簇成员为自私节点时设置 一个阈值 Q当簇头发现某簇成员未转发数据包占 其应转发数据包比例大于 Q 时则认为该簇成员为 自私节点根据网络情况0＜ Q≤1．这里研究的自 私节点完全不转发数据包因此其未转发数据包与 其应转发数据包的比值为1． 安全解决方案：产生这种自私行为的根本原因 是在路由发现阶段认知节点判断相互间是否有共 享数据信道．针对这个问题结合本文采用的分簇 式认知用户网络体系结构设计了一个基于簇的路 由协议在路由发现阶段采用可信簇头传递簇成员 的可用数据信道信息避免认知节点信道协商详细 叙述见路由协议设计． （2）拒绝转发数据包的自私行为安全解决方案． 针对这种自私行为采用节点监视技术．转发节点 在向下一转发节点发送数据包时复制一份需转发 的数据包并在下一转发节点数据发送信道监视其 数据包转发情况．如在一定时间内下一节点发送 的数据包不能同转发节点复制的数据包正确匹配 则认为转发节点发生了丢包现象．当在时间 T 内 节点丢包率超过 k 时如 k＝ n／N （1） 就认为其是自私节点．转发节点每隔时间 T 重新 对其下一转发节点进行安全性评估．判断出自私节 点以后及时通知网络中其他节点以便其他节点不 使用自私节点建立路由连接．式中k 为 T 时间段 内节点丢包率n 为 T 时间段内节点丢失数据包 数N 为 T 时间段内节点需转发的数据包数． 3 基于跳数最少的路由协议及安全解决方 案性能分析 3∙1 路由发现 路由发现过程流程图如图2所示．首先源节 点 S 在控制信道按照 AD HOC 网络的 AODV 路由 协议［10］规定向整个网络广播 RREQ 数据包．中间 节点 MN 接收到 RREQ 数据包后首先判断发送 RREQ 数据包的源节点是否为自私节点如源节点 为自私节点中间节点拒绝转发其发出的 RREQ 数 据包不为其建立路由连接从而限制自私节点发送 数据．如果不是自私节点并且中间节点 MN 没有 到达目的节点 D 的路由信息其就继续向其他节点 广播 RREQ 数据包；如中间节点 MN 有到达目的节 点 D 的路由信息则中间节点将其已知的到达目的 节点 D 的全部路由信息放入 RREQ 数据包中将 RREQ 数据包沿其中一条已知路由送到目的节点 D．目的节点经过一段时间可能接收到一系列从源 节点到目的节点的路由目的节点先将含有丢包自 私行为节点的路由排除然后将剩余的路由构成一 个路由集合 Rout｛SD｝． 目的节点 D 从路由集合 Rout｛SD｝中获得各 条路由中包含的转发节点 ID 和源节点 ID然后目 的节点 D 向网络中的每个簇头发送包含全体转发 节点 ID 和源节点 ID 的数据包 REID．当其他簇头 接收到 REID 数据包以后他们查看 REID 数据包 中包含的转发节点 ID 和源节点 ID判断转发节点 和源节点是否在自己的簇内如节点在自己簇内该 簇头就向目的节点 D 发送其簇内相应节点的可用 数据信道信息．目的节点 D 根据得到的各节点的 可用数据信道信息分别判断 Rout｛SD｝中每条路 由的上下节点间是否存在成交集的可用数据信道． 第9期 薛 楠等： 认知无线电网络自私行为问题及安全解决方案 ·1209·