D0I:10.13374/1.issnl00103.2009.09.021 第31卷第9期 北京科技大学学报 Vol.31 No.9 2009年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sep·2009 认知无线电网络自私行为问题及安全解决方案 薛楠周贤伟周健 北京科技大学信息工程学院，北京100083 摘要针对认知无线电网络中出现的两种自私行为问题，结合分簇式认知无线电网络体系结构，提出两种相应的安全解决 方案，对路由发现阶段，由信道协商过程产生的隐藏可用信道信息的自私行为，首先通过可信簇头发现自私节点，然后由簇头 向目的节点发送转发节点的可用数据信道信息来避免自私行为·对拒绝转发数据包的自私行为，通过节点监视机制确定自私 节点，从而避免在路由过程中将自私节点作为转发节点·为了便于检验两种安全解决方案的有效性和可行性，设计了一种分 布式认知无线电网络按需路由协议.理论分析和仿真实验表明，这两种自私行为问题可严重降低网络通信性能，相应的安全 解决方案是有效和可行的，可分别显著提高合作节点的平均吞吐量和网络吞吐率· 关键词认知无线电：网络安全；自私行为：路由 分类号TP309.2 Self-behavior problems and security solutions in cognitive radio networks XUE Nan.ZHOU Xian-wei,ZHOU Jian School of Information Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACT Two kinds of security solutions for self-behavior problems in cognitive radio networks are proposed.The solutions are based on the architecture of cluster-based cognitive radio net works.To solve the self-behavior problems that hide available channel in- formation in the routing set-up process,first of all.trusted cluster-heads find self-nodes,and then the cluster-heads send available channel information from forward nodes to the destination node.To prevent the self-behaviors of refusing to forward packets caused by self-nodes,the nodes use a monitor mechanism to find self-nodes,in this way to avoid self-nodes as forward nodes.A routing pro- tocol is designed to test the feasibility and effectiveness of the solutions.It is proved by theoretical analysis and simulation that self-be- havior problems can serious decline network communication performance and the two solutions can effectively solve the problems of self-behavior and separately significantly improve the average capacity and the network throughput of cooperation nodes. KEY WORDS cognitive radio:network security:self-behavior:routing 当今世界已经进入飞速发展的信息时代，为有 的瓶颈.其中影响较大的一种安全问题是自私行为 效解决无线网络中频谱资源紧张与频谱利用率不高 攻击问题，除了传统意义上的丢包自私行为，2006 这一矛盾，1999年瑞典皇家工学院的Mitola博士首 年Bian和Park等提出在信道协商过程中出现自私 先提出认知无线电概念山，它是一种新的智能无线 行为，在信道协商时，自私节点向其他节点隐藏可 技术，其通过检测那些处于空闲状态的频谱，在不影 用空闲授权频段，从而拒绝建立路由连接及转发其 响授权用户工作的前提下可以智能地选择和利用这 他节点的数据包同.产生自私行为的节点是自私节 些空闲频谱，从而极大的改善了现有低效的频谱资 点，节点发起这种自私行为攻击，虽然能增大自身 源利用率]，当今这种技术正受到人们的广泛关 信道利用率，降低能量损耗，但严重影响了网络的整 注，取得了一系列显著的研究成果3). 体性能（例如，吞吐量、端到端延迟等）·针对这种自 随着人们对认知无线电技术研究的日益深入， 私行为攻击问题，当前还没有人提出有效的解决 由这种新技术所产生的安全问题正成为限制其发展 方案 收稿日期：2009-04-16 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。.60773074) 作者简介：薛楠(1978一)，男，博士研究生，E mail:xuenanhello@163.com:周贤伟(1963一)，男，教授，博士生导师认知无线电网络自私行为问题及安全解决方案 薛 楠 周贤伟 周 健 北京科技大学信息工程学院‚北京100083 摘 要 针对认知无线电网络中出现的两种自私行为问题‚结合分簇式认知无线电网络体系结构‚提出两种相应的安全解决 方案．对路由发现阶段‚由信道协商过程产生的隐藏可用信道信息的自私行为‚首先通过可信簇头发现自私节点‚然后由簇头 向目的节点发送转发节点的可用数据信道信息来避免自私行为．对拒绝转发数据包的自私行为‚通过节点监视机制确定自私 节点‚从而避免在路由过程中将自私节点作为转发节点．为了便于检验两种安全解决方案的有效性和可行性‚设计了一种分 布式认知无线电网络按需路由协议．理论分析和仿真实验表明‚这两种自私行为问题可严重降低网络通信性能‚相应的安全 解决方案是有效和可行的‚可分别显著提高合作节点的平均吞吐量和网络吞吐率． 关键词 认知无线电；网络安全；自私行为；路由 分类号 TP309∙2 Self-behavior problems and security solutions in cognitive radio networks XUE Nan‚ZHOU Xian-wei‚ZHOU Jian School of Information Engineering‚University of Science and Technology Beijing‚Beijing100083‚China ABSTRACT T wo kinds of security solutions for self-behavior problems in cognitive radio networks are proposed．T he solutions are based on the architecture of cluster-based cognitive radio networks．To solve the self-behavior problems that hide available channel in￾formation in the routing set-up process‚first of all‚trusted cluster-heads find self-nodes‚and then the cluster-heads send available channel information from forward nodes to the destination node．To prevent the self-behaviors of refusing to forward packets caused by self-nodes‚the nodes use a monitor mechanism to find self-nodes‚in this way to avoid self-nodes as forward nodes．A routing pro￾tocol is designed to test the feasibility and effectiveness of the solutions．It is proved by theoretical analysis and simulation that self-be￾havior problems can serious decline network communication performance and the two solutions can effectively solve the problems of self-behavior and separately significantly improve the average capacity and the network throughput of cooperation nodes． KEY WORDS cognitive radio；network security；self-behavior；routing 收稿日期：2009-04-16 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．60773074） 作者简介：薛 楠（1978—）‚男‚博士研究生‚E-mail：xuenanhello＠163．com；周贤伟（1963—）‚男‚教授‚博士生导师 当今世界已经进入飞速发展的信息时代‚为有 效解决无线网络中频谱资源紧张与频谱利用率不高 这一矛盾‚1999年瑞典皇家工学院的 Mitola 博士首 先提出认知无线电概念［1］．它是一种新的智能无线 技术‚其通过检测那些处于空闲状态的频谱‚在不影 响授权用户工作的前提下可以智能地选择和利用这 些空闲频谱‚从而极大的改善了现有低效的频谱资 源利用率［2］．当今这种技术正受到人们的广泛关 注‚取得了一系列显著的研究成果［3—4］． 随着人们对认知无线电技术研究的日益深入‚ 由这种新技术所产生的安全问题正成为限制其发展 的瓶颈．其中影响较大的一种安全问题是自私行为 攻击问题．除了传统意义上的丢包自私行为‚2006 年 Bian 和 Park 等提出在信道协商过程中出现自私 行为．在信道协商时‚自私节点向其他节点隐藏可 用空闲授权频段‚从而拒绝建立路由连接及转发其 他节点的数据包［5］．产生自私行为的节点是自私节 点．节点发起这种自私行为攻击‚虽然能增大自身 信道利用率‚降低能量损耗‚但严重影响了网络的整 体性能（例如‚吞吐量、端到端延迟等）．针对这种自 私行为攻击问题‚当前还没有人提出有效的解决 方案． 第31卷 第9期 2009年 9月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31No．9 Sep．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．09．021