基于信任模型的AODV路由协议算法研究

来源:用户上传      作者:林旭斌

　　摘要：车栽自组织网络是一种典型的移动自组织网络，由于无线信道完全开放，易受恶意节点的攻击。基于信任模型的路由协议可以提供一条不包含恶意节点的可信路由，从而提高路由协议的安全性。该文提出了一种基于信任模型改进的AODV协议，利用信任模型的主观逻辑评估车辆节点间的可信度，为选择出安全可信路由提供决策依据。通过仿真验证，TAODV路由协议算法提高了数据包传递率和平均吞吐量。
　　关键词：VANET;AODV;信任模型;NS2
　　中图分类号：TP393 文献标识码：A
　　文章编号：1009-3044（2020）01-0018-03
　　1概述
　　在智能交通系统中，车载自组织网络（Vehicular adhoc Net-work，VANETl是车辆节点沿着道路高速移动的移动自组织网络（MANET）。即使在没有通信基础设施的地方，VANET也可以利用车辆之间进行数据通信。具有无中心、节点可以高速移动和网络拓扑结构变化频繁等特点，其车辆间的无线通信链路易受恶意节点的多种攻击。因此，如何建立稳定可靠的安全路由协议是VANET的主要挑战之一。
　　按需距离矢量（Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing，AODV）是VANET中一种常用的路由协议。AODV主要由路由发起、路由选择、路由维护三个部分组成。本文利用信任模型对AODV路由协议进行了改进，增加了AODV路由协议的安全性，提出了TAODV路由协议。该协议考虑车辆节点的历史行为以及节点间的信任关系，引入信任推理模型。
　　2信任模型
　　1996年M.Blaze等人第一次提出“信任管理”的概念。信任模型通过对信任度量进行计算，定期量化和建立车辆节点间可信度，并根据评估的信任值采取相对应的操作，例如路由选择、访问控制、检测恶意节点等。本文选择了五个信任属性来量化车载自组织网络中节点的信任度。
　　信号质量度量，表示节点物理链路和周围环境的状态。信号质量越差，则节点的周围环境越差。信号质量度量SQij的计算公式为
　　历史信任，参考节点历史信任记录能够更准确的评估节点信任度，避免节点短时间的恶意行为被永久拉黑，如节点因通信环境突然恶劣而后恢复正常通信的情况。
　　3TAODV路由协议改进实现
　　TAODV主要增加了监听模块和信任模块，为路由模块选择路径传输数据流提供决策依据，三个模块的功能关系如图1所示。
　　在监听模块中，首先需要将TAODV设置混杂模式来实现节点监听，才能够实现对邻居节点的行为信息采集。信任模块通过监听模块获取邻居节点的行为信息，定期计算其相应的信任值，并提供给路由模块进行路径决策。
　　TAODV的路由模块是在AODV协议的路由算法基础上，加入了对正向路径信任和反向路径信任的度量，通过路由请求RREQ包和路由回复RREP包实现。
　　3.1路由表
　　路径信任，该度量表示使用潜在路径传输数据包的可信度，即当发送节点准备向接收节点进行数据传输时，它需要发起路由发现并对路径可信度进行评估。
　　由于信任的不对称性，路径信任分为正向路径信任和反向路径信任。前者表示发送方的主观判断，用于决定是否通过该路径传输数据包;后者表示接收方的主观判断，用于判断是否从该路径接收数据流。其取值为路径上任意相邻节点间的最小可信度。
　　TAODV的路由表相较于AODV协议的路由表，在對路由路径的参数中，除了跳数之外，增加正向路径信任和反向路径信任两个路径信任值。
　　3.2路由发现与维护
　　与AODV协议类似，TAODV通过路由发现报文RREQ和路由回复报文RREP实现发现路由建立。
　　TAODV的RREQ包中增加了反向路径信任和路径信任需求两个新字段。反向路径信任的值初始化为1，且随RREQ数据包传输而变化，每经过一个节点就更新一次该节点对上一节点的信任值和路径信任字段，并更新路由表中反向路径信任字段，取此路径上邻居节点间的最小可信度。
　　TAODV的RREP包中增加了三个新字段正向路径信任、反向路径信任和路径信任需求，正向路径信任的值初始化为1，取RREP中在路由回复中邻居节点间的最小可信度。路径信任需求在RREQ和RREP控制包传输中保持不变。
　　当正向路径信任和反向路径信任的值小于路径信任需求时，则不会创建相应到下一跳的RREQ包和RREP包。
　　3.3路由选择
　　在TAODV协议中，当源节点收到目的节点或者有到目的节点路由的中间节点的RREP报文后，就会建立起到目的节点的路由。源节点在进行路由选择的时候，将从满足路径信任需求的路径中选择跳数最少的可信路由进行数据传输。
　　4协议性能仿真与分析
　　将基于信任模型的改进算法TAODV与AODV协议进行仿真对比，验证改进算法的性能提升。
　　4.1仿真性能指标
　　本文使用分组投递率、平均端到端时延和平均吞吐量作为评价协议性能的指标。
　　4.2仿真环境与参数
　　本文使用网络仿真软件NS2（Network Simulator Version 2）对改进的TAODV协议和原AODV协议进行了仿真。
　　在城市场景交通下，实验仿真在相同数量节点和相同恶意节点数下，节点不同最大速度情况下分组投递率、平均端到端时延和平均吞吐量的性能。
　　仿真环境的参数设置如表1所示，仿真界面如图2所示。
　　4.3仿真结果与分析
　　图3是AODV和TAODV路由协议的数据包投递率在不同最大移动速度情况下的性能对比图。随着车辆节点移动性的增强，两种路由协议的数据包投递率呈现不同程度的下降。改进后的AODV协议在路由选择中能够避开恶意节点的黑洞攻击，有效提高了数据包传递。因此，TAODV协议提高了网络中的数据包投递率。
　　图4是平均端到端通信时延在不同最大移动速度下的曲线。随着节点移动性的增强，两种协议的网络中可进行通信的链路变化更加频繁，链路中断的概率有所增加，故平均时延均有所增加。在平均端到端时延方面，当节点移动性较低时，对改进后的TAODV路由协议的平均端到端时延表现更为理想;当节点移动性较高时，改进后的TAODV相比AODV的端到端时延表现更好，主要是在路径选择时考虑避开恶意节点和链路的信号质量因素，通信链路更加稳定，减少了数据包重传。
　　图5是网络吞吐量在不同最大移动速度情况下的变化曲线。随着节点移动性增强，AODV路由协议的受节点移动性影响比较大，而TAODV相对受到影响比较小。从图中可以看出，改进后的协议具有更高的平均吞吐量，这是因为TAODV路由算法的能够避免恶意节点的攻击行为、通信链路更加稳定，提高了平均吞吐量。
　　5结束语
　　本文主要对车载自组织网络中的AODV路由协议进行了研究和改进，基于信任模型改进AODV路由协议TAODV，提高了其抵御恶意节点行为的安全性。最后通过分析仿真结果表明：改进后的AODV协议在数据包投递率和平均吞吐量上都有明显改进，特别是在车辆节点移动速度较高时，TAODV能够保持较高的数据包投递率和网络平均吞吐量。
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