无线网络安全定位及优化路由设计关键技术研究

论文摘要

近年来,随着无线技术和计算机网络的飞速发展,无线网络技术已经日趋成熟并广泛应用到军事、民用和商业领域当中。与此同时,关于无线网络中的安全与性能问题也成为人们一直关注的焦点。本文针对无线网络的独有特点,对无线网络的安全定位、优化路由设计等方面进行了探索和研究,获得了一些创新性研究成果,主要内容包括:1、提出一种新的定位策略ALD（Active Location Detection）,用于定位无线网络中的恶意节点,填补了目前的技术空白。在当今实际的无线网络中,由于无线数据业务的增长,以及无线网络安全性的需要,有必要开发一套有效的定位策略来定位无线网络中的恶意节点,以便对该节点进行处罚或者驱逐出网络。另一方面,虽然定位是目前的研究热点,但是现在无线网络中的安全定位研究大多数是针对如何定位网络中的合法节点,没有考虑到存在恶意节点能蓄意隐藏自身位置的情况。事实上,恶意节点通过装备定向天线等高级无线电技术设备,能够躲避几乎目前所有的定位系统对其定位。为了解决这个问题,本文创新性的提出了一种定位策略Active Location Detection （ALD）,该策略通过一般的非测距定位设备即能定位恶意节点。其主要思想是通过多个接入点的协同工作来定位恶意节点,同时采用有限时域离散MDP（Markov decision process）对定位过程进行优化。该策略支持802.11以及多种无线通信标准,通过仿真试验表明,该算法的定位误差低于20%。2、进一步提出带预测ALD策略,增强了定位策略ALD的实用性。在标准ALD算法中,由于初始估计区域过大,会导致计算的步骤增多,计算量较大。在本文的研究中,通过对标准ALD算法在实际网络场景中的性能进行分析,对标准ALD策略进行了改进,即通过增加PDE（Pre-Distance-Estimate）步骤,缩小初始估计区域,从而提高ALD策略的性能。通过仿真实验,改进的算法和标准ALD策略相比,性能更好,计算量更少。3、研究在无线网络中,多跳路由协议在指定性能指标下的优化。目前无线Ad hoc网络的研究中,存在大量的路由算法,但是很少有研究对这些协议在指定性能指标下的最优性能进行过分析。而在本文的研究中发现,在相同网络场景中,不同参数配置下的路由协议性能偏差很大。为了对Ad hoc路由协议进行评估和优化,本文提出了采用遗传算法求解路由协议参数设置的全局优化算法。该算法通过对参数的编码,应用遗传算法的选择、交叉和变异操作,对路由协议的性能进行优化。在ns2平台上的仿真试验结果表明,优化后的路由协议性能比未优化之前提高30%。4、对目前的无线Ad hoc网络路由算法进行多目标优化。因为路由算法的性能指标很多,如丢包率、延时和吞吐量等,所以有必要结合多个性能指标对Ad hoc网络路由算法进行优化。本文对路由协议的性能进行了研究,并基于Pareto最优集的遗传算法,提出了一种对路由协议参数进行全局优化配置的多目标启发式求解算法。该算法使用了选择、交叉、变异、小生境技术和Pareto集过滤器5个算子,其结果由Pareto前沿面的形式给出,可由决策者根据自己意愿来进行选择。在ns2平台上进行的仿真试验结果显示,优化后的路由协议性能在丢包率、平均延时等多指标平均性能上,均能得到大幅提高。5、创新性的提出了一种新的路由算法设计架构Orchestra（Open Architecture for Checking, Synthesis, and Training of Routing Algorithms）,能够有效地进行路由协议的比较和重新组合。目前无线网络路由协议数量多,使得在进行无线网络设计的时候,难以对所有路由协议进行跟踪比对并选择出较好的路由算法。另外,在目前的研究也并没有清楚地对这些设计思想之间的组合性进行过分析,即能否对这些设计思想进行组合以形成新的和更好的路由协议。在本文的研究中,创新性的提出了一种新的开放式路由设计架构Orchestra,该架构能够自动连接并且测试各种路由协议,并由于采用路由代数理论进行设计,该架构具有较好的灵活性和兼容性。同时,如仿真实验所示,Orchestra还能与基因算法结合,从而能自动地找到一种较适应当前网络环境的路由协议以及其参数配置。Orchestra在很大程度上减轻了路由协议设计者的工作负担,提高他们的工作效率。Orchestra的研究也具有重要的科学价值,其中包含了高级路由代数、形式化验证理论、软件工程技术以及物理层和MAC层的建模。Orchestra将使路由领域的研究进入自动化系统设计的时代,最终将加强目前的网络技术。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 无线网络发展现状
• 1.2 无线网络特点
• 1.3 无线网络应用
• 1.4 相关现状研究
• 1.4.1 关于定位方面的现状研究
• 1.4.2 关于路由方面的现状研究
• 1.5 论文研究的背景、目的和创新
• 1.5.1 关于定位研究的背景、目的和创新
• 1.5.2 关于路由研究的背景、目的和创新
• 1.6 论文结构
• 第二章 无线网络中恶意节点的定位策略
• 2.1 引言
• 2.2 对目前定位系统中漏洞的分析
• 2.2.1 针对GPS 的定位攻击
• 2.2.2 针对非测距定位算法的定位攻击
• 2.2.3 针对测距算法的定位攻击
• 2.3 ALD 定位策略概述
• 2.3.1 定位过程描述
• 2.3.2 多接入点的协作
• 2.3.3 定位过程实例
• 2.3.4 定位中的优化问题
• 2.4 结合MDP 的ALD 定位策略
• 2.4.1 MDP 介绍
• 2.4.2 ALD 的MDP 优化模型
• 2.4.3 ALD 仿真实验结果
• 2.5 带预估计的ALD 策略
• 2.5.1 ALD 在室内环境下的PDE
• 2.5.2 ALD 在室外环境下的PDE
• 2.5.3 带预测ALD 策略的过程和模型改进
• 2.5.4 实验仿真
• 2.6 ALD 及带预测ALD 算法的实现
• 2.7 本章小结
• 第三章 多跳路由协议的性能优化
• 3.1 引言
• 3.2 路由协议性能研究
• 3.2.1 随机参数配置下的路由协议性能
• 3.2.2 对路由协议性能的相关优化研究
• 3.3 网络模型研究
• 3.3.1 Ad hoc 网络拓扑模型
• 3.3.2 节点的移动模型
• 3.3.3 网络性能模型
• 3.4 基于遗传算法的单性能指标路由优化算法
• 3.4.1 遗传算法原理描述
• 3.4.2 单目标路由协议优化算法的总述
• 3.4.3 路由协议参数编码
• 3.4.4 适应值函数的选择与计算
• 3.4.5 选择操作
• 3.4.6 交叉和变异
• 3.4.7 单目标优化算法实现和仿真结果
• 3.5 基于PARETO 的多性能指标路由协议优化算法
• 3.5.1 多目标路由协议优化算法的必要性
• 3.5.2 多目标路由协议优化算法模型
• 3.5.3 多目标路由协议优化算法设计
• 3.5.4 多目标路由协议优化算法的实现和仿真结果
• 3.6 优化算法的实际应用
• 3.7 本章小结
• 第四章 组件式的无线AD HOC 网络路由协议设计框架
• 4.1 引言
• 4.2 ORCHESTRA 概述
• 4.2.1 Orchestra 和传统设计的对比
• 4.2.2 Orchestra 的特点
• 4.2.3 Orchestra 带来的变革
• 4.3 ORCHESTRA 的总体架构
• 4.4 路由协议分解组合框架
• 4.4.1 路由代数理论描述
• 4.4.2 框架的总体设计
• 4.4.3 拓扑信息收集器设计
• 4.4.4 路由尺度模块设计
• 4.4.5 路由算法计算器设计
• 4.4.6 报文转发引擎设计
• 4.4.7 路由维护引擎设计
• 4.4.8 多种路由协议的分解和组合
• 4.5 ORCHESTRA 的自动进化引擎
• 4.5.1 两种自动进化引擎的设计
• 4.5.2 基于路由代数的组合性判断
• 4.6 实验与仿真
• 4.6.1 定组合进化引擎仿真结果
• 4.6.2 复合进化引擎仿真结果
• 4.7 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 研究成果
• 5.2 下一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表论文及科研工作