无线传感器网络虫洞攻击下的路由协议比较研究

可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术杂志5（2018）735虫洞攻击下无线传感器网络反应式、主动式和混合式路由协议的比较研究Jegan Govindasamy， Samundiswary Punniakody印度本地治里大学电子工程系接收日期：2016年9月21日;接受日期：2017年2017年4月26日在线发布摘要目前，ZigBee通信协议是无线传感器自组织网络和物联网（IoT）网络的主要标准之一尽管ZigBee标准的形成考虑了安全性和低功耗，但基于ZigBee的无线传感器自组网路由协议仍然面临着虫洞攻击带来的严重安全风险 在网络层。为了研究无线传感器网络路由协议中的安全攻击，分析了基于IEEE 802.15.4的无线传感器网络中按需距离矢量（AODV）路由协议、优化链路状态路由（OLSR）协议和区域路由协议分析无线传感器网络中反应式路由协议（AODV）、主动式路由协议（OLSR）和混合式路由协议（ZRP）性能的指标有吞吐量、平均端到端时延、分组投递率（PDR）和传感器网络总能耗仿真是使用qualnet simulator 5.0完成© 2017 电 子 研 究 所 （ ERI ） 。 Elsevier B. V. 制 作 和 托 管 这 是 CC BY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：路由协议; AODV; OLSR; ZRP;虫洞攻击; IEEE 802.15.4内容1.导言. 7362.相关工作7363.路由协议概述7373.1.反应式路由协议7373.2.主动路由协议7373.3.混合路由协议7374.虫洞攻击7385.模拟环境738*通讯作者。电子邮件地址：jeganece84@gmail.com，samundiswary pdy@yahoo.com（J。Govindasamy）。每篇文章还应包括声明：电子研究所（ERI）负责的同行评审https://doi.org/10.1016/j.jesit.2017.02.0022314-7172/© 2017电子研究所（ERI）。Elsevier B. V.制作和托管这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。736J. Govindasamy，S.Punniakody/电气系统和信息技术杂志5（2018）7356.模拟结果和讨论7397.结论743致谢743参考文献7441. 介绍在过去的十年中，无线传感器然而，由于这些网络部署在恶劣的环境中、分布式、多跳通信和不可信的广播传输介质，很安全性是这些网络的基本要求。传感器网络特别容易受到几种关键类型的攻击。 攻击（Chen等人， 2009）可以以各种方式执行，特别是拒绝服务（DOS）、干扰、洪泛、窃听、节点篡改和漏洞攻击。在WSN中，许多路由协议容易受到安全攻击，如虫洞、汇孔、黑洞和其他攻击（Cayirci和Rong，2009; Wang等人，2006年; Padmavathi和Shanmugapatrium，2009年）。虫洞攻击是无线传感器网络和自组织网络面临的最严重的攻击和威胁之一即使攻击者没有危及任何节点，也可以发起这种攻击在虫洞攻击中，攻击者在网络中的一个位置接收数据包，并将它们隧道传输到另一个位置，然后将它们重新传输到网络中。攻击者提供比其他正常路由路径更少的跳数和更小的端到端虫洞攻击被认为是无线网络中的一个严重威胁，特别是对许多无线传感器网络的路由协议在本文中，已作出了尝试，比较不同的路由协议，如AODV，OLSR和ZRP与虫洞攻击在基于IEEE802.15.4的无线传感器网络的性能本文其余部分的结构如下。第2节讨论了相关工作的概述。第3节概述了反应式、主动式和混合式路由协议。在第4节中，讨论了虫洞攻击第5节和第6节讨论了仿真环境和结果。最后，第7节总结了结论。2. 相关工作在这一节中，我们给出了一个简短的文献调查的无线传感器网络路由协议的性能分析和无虫洞攻击。从吞吐量、平均端到端时延、数据包投递率和能耗等方面分析了虫洞攻击对路由协议性能的影响。该论文（Arora等人，2010）通过使用qualnet simulator 5.0说明了虫洞攻击如何影响无线mesh网络中的路由协议（例如AODV和DSR）的性能作者Kim等人（2011）通过仿真研究了现有的WSN路由协议（BVR，MINT，GRAB和ZBR）在军事传感器网络中的适用性，包括数据包投递率、平均端到端时延、控制包开销和平均能耗等四个性能指标。该工作只考虑了网络的生命周期和能量消耗，而与安全性无关。在纸上（Gandhiet al.，2012），分析了在无攻击情况下，不同移动节点情况下，性能指标包括平均端到端延迟、平均抖动、平均吞吐量、标准化路由负载（NRL）和数据包交付分数（PDF）。在NS2仿真器中进行了仿真最后得出AODV算法优于DSDV和ZRP算法的结论在论文中（Goyal等人， 2012年），作者调查和进行基于仿真的无线传感器网络中的Ad-hoc路由协议的研究。本文采用随机路径点移动模型，通过QualNet 5.0.2仿真器对AODV DYMO、OLSR和IERP四种路由协议进行了比较。用于性能评估的指标是平均抖动，吞吐量，端到端延迟，接收错误的信号，平均队列长度和接收端接收的总数据包。在论文中（Ahuja等人， 2013）对AODV和DSR路由协议在虫洞攻击下的性能进行了评估。性能参数为平均端到端延迟、吞吐量和分组传输率（PDR），并在qualnet simulator 5.0中进行了仿真。J. Govindasamy，S.Punniakody/电气系统和信息技术杂志5（2018）735737论文作者（Maleh和Ezzati，2014）对AODV、DSDV和LEECH等几种路由协议进行了比较分析。通过改变第一种场景中的节点总数和第二种场景中的暂停时间，在NS2中进行了模拟。性能指标包括数据包投递率、端到端延迟（EED）和吞吐量。在Paulet al.（2014）中，路由协议AODV，AOMDV，DSR和DSDV已经通过比较不同的性能指标进行了分析，例如数据包交付率（PDR），丢包率（LPR），以及在TCP和CBR连接下不同暂停时间和节点数量的平均端到端延迟，通过网络模拟器NS2.35进行无线传感器网络。3. 路由协议3.1. 反应式路由协议AODV路由协议（Perkins等人， 2003年），旨在为移动自组织网络（MANET）和传感器网络。AODV是一种反应式路由协议。它使用按需的方法来寻找路由，也就是说，只有当源节点需要传输数据包时才建立路由。AODV有两个基本操作：路由发现和路由维护。AODV使用路由请求（RREQ）、路由响应（RREP）和路由错误（RERR）消息来发现和维护路由。在路由发现中，当源节点需要到目的地节点的路由，而它没有到目的地节点的路由时，它在网络中广播RNN分组。一个路由包包括源IP地址、目的IP地址、源序列号、目的序列号、请求ID和跳数。如果一个节点收到的路由请求与以前的路由请求包中的源地址和请求ID字段相同，则它会拒绝该包。否则，它将检查其路由表中是否有目的地址的条目。如果该地址存在，则将表中的目的地序列号与其路由表中的目的地进行比较，如果它不能通过该路由到达目的地，则它将增加目的地序列号并发送路由请求。因此，目的地序列号指示路由新鲜度。在路由维护中，当检测到活动路由中的链路断开时，节点通过向源节点发送RERR消息来通知该链路断开如果源节点仍有数据要发送，则源节点将重新启动路由发现过程。3.2. 先应式路由协议OLSR是一种主动路由协议（ClausenJacquet，2003），针对移动自组织网络进行了优化，也可用于WSN。&该协议通过使用被称为多点中继（MRP）的选定节点来促进整个网络中的控制消息的有效泛洪。MPR节点克服了用控制消息淹没网络的问题。MRP由每个节点选择并用于转发控制消息，从而导致协议的分布式操作。除此之外，一个节点不断地维护到网络中所有目的地的路由，从而使该协议适合于随机和零星的流量模式。此外，主动性使OLSR适合于通信对随时间变化的网络该协议是一个优化的经典链路状态路由算法，并使用多点中继（MPR）的概念该协议更有利于流量模式，其中一个大的节点子集与另一个大的节点子集进行通信，并且源和目的地对随时间变化该协议主要适用于大型和密集的网络。3.3. 混合路由协议ZRP是一种无线混合路由协议（Haas等人，2003），其由用于网络上的数据通信的主动式和反应式路由协议组成。ZRP的提出是为了减少主动式路由协议的控制开销，降低被动式路由协议中路由发现引起的延迟。ZRP的两个子协议是区域内路由协议（IARP）和区域间路由协议（IERP）。IARP（主动路由）通常在节点的路由区内使用，IERP（反应路由）通常在路由区之间使用。区域内路由协议保持区域拓扑的最新信息，这导致在向区域内的目的节点发送信息IERP不再需要节点，738J. Govindasamy，S.Punniakody/电气系统和信息技术杂志5（2018）735×Fig. 1.虫洞攻击保持整个网络的主动新鲜状态ZRP还使用一种称为边界广播解析协议（BRP）的技术当节点没有IARP给出的拓扑信息时，BRP用于传播反应式路由请求。4. 虫洞攻击在虫洞攻击中（Huet al.，2006），对手或恶意节点通过低延迟链路隧道传输在网络的一部分中接收的消息，并通过专用信道在网络的不同部分中重放它们源节点和目的地节点之间的路由选择通过专用信道，由于较少的跳数或更少的时间，相比于其他正常路由发送的数据包。位于基站附近的对手或恶意节点可以通过形成如图1所示的良好放置的虫洞节点W1和W2来完全中断路由。1.一、发送分组的节点N1可以经由两条路由到达目的地节点N6，这两条路由是正常路由（N1-N2-N3-N4-N5-N6）和由虫洞节点W1和W2形成的路由。遵循正常路由（即N1-N2-N3-N4-N5-N6）的分组因此，虫洞节点通过在源和目的地之间形成虚假路由来吸引分组虫洞节点通过隧道传输的数据包可以被丢弃、修改或发送数据给第三方用于恶意目的。虫洞是一种很难被检测到的网络漏洞，它会严重影响定位、数据融合和时间同步等网络服务的性能。这种攻击在无线网络中也构成了严重的威胁，特别是针对路由协议。5. 仿真环境使用qualnet 5.0模拟器（Scalable Network Techologies，2017）模拟了基于IEEE 802.15.4的WSN中不同路由协议（如AODV，OLSR和ZRP）的虫洞攻击性能分析。表1显示了用于配置WSN场景的模拟参数 图 2说明了无线传感器网络的情况下，由50个节点部署在地形的大小为400 - 400米2。在这种情况下，节点30、47和29被认为是源节点，以在存在虫洞攻击的情况下向PAN协调器（节点10）发送感测到的数据。J. Govindasamy，S.Punniakody/电气系统和信息技术杂志5（2018）735739×表1模拟参数。参数值地形尺寸400400平方米节点数量50MAC协议MAC 802.15.4路由协议AODV，OLSR，ZRP移动模型随机路径点移动速度（mps）10 mps虫洞攻击（无交通类型CBR物品发送1000包数据包大小50字节模拟时间17分钟时间10 s能量模型Mica-mote全电池容量1200 mA h图二.虫洞攻击的无线传感器网络场景。6. 模拟结果及讨论研究了虫洞攻击对固定节点和移动节点的无线传感器网络中AODV、OLSR和ZRP等路由协议的影响。由此，确定了诸如吞吐量、平均端到端延迟和节点在发送、接收、空闲和睡眠模式下消耗的能量等性能指标。图3显示了在存在虫孔攻击的情况下，吞吐量对AODV、OLSR和ZRP路由协议的影响。据观察，所有的路由协议的吞吐量减少的虫洞攻击的数量增加。很明显，ZRP具有最高的吞吐量，而OLSR具有最低的吞吐量。在虫洞攻击下，ZRP和AODV算法的性能优于OLSR算法。吞吐量性能下降的原因是由于存在虫洞攻击时的数据包丢失增加。从图4可以推断，在移动无线传感器网络中，吞吐量随着虫洞攻击次数的增加而降低。结果表明，ZRP和AODV协议在吞吐量方面的性能要优于OLSR协议。ZRP具有比AODV和OLSR更高的吞吐量。740J. Govindasamy，S.Punniakody/电气系统和信息技术杂志5（2018）735图三.虫洞攻击下静态无线传感器网络的性能分析。见图4。在节点速度为10 m/s的条件下，对移动无线传感器网络进行虫洞攻击的仿真。图五.虫洞攻击下静态无线传感器网络的平均端到端时延。图5描绘了AODV，OLSR和ZRP路由协议的平均端到端延迟对静态WSN中增加的虫洞攻击的影响。结果表明，对于所有三种路由协议，平均端到端延迟也随着虫洞攻击次数的增加而增加。在比较三种路由协议的平均端到端延迟方面，OLSR和ZRP具有更小的延迟比AODV。OLSR具有最低的延迟，由于常规J. Govindasamy，S.Punniakody/电气系统和信息技术杂志5（2018）735741见图6。虫洞攻击下移动无线传感器网络的平均端到端时延。见图7。无虫洞攻击的静态无线传感器网络的能量消耗。表2无虫洞攻击的静态无线传感器网络的能量消耗。能源消耗（mJ）AODVZRPOLSR发射模式0.3572.5104890.999874接收模式8.1928.656714.12138空闲模式8.5510344.4713615.83304睡眠模式1.1947530.912091.133271更新路由表。图6描述了在节点速度为10 m/s的移动无线传感器网络中，AODV、OLSR和ZRP路由协议由于虫洞攻击而导致的平均端到端延迟分析。结果表明，三种路由协议的平均端到端延迟随着虫洞攻击次数的增加而急剧增加。实验结果表明，OLSR和ZRP路由协议的性能要优于AODV协议。AODV具有最高的延迟，而OLSR由于路由表的定期更新而具有最低的延迟。图图7和表2示出了在没有虫洞攻击的静态WSN中节点在发送、接收、空闲和睡眠模式下的能量消耗。很明显，AODV具有比OLSR和ZRP少得多的能量消耗。因此，AODV在能量消耗方面比OLSR和ZRP具有更好的性能。742J. Govindasamy，S.Punniakody/电气系统和信息技术杂志5（2018）735见图8。移动无线传感器网络在无漏洞攻击下的能量消耗。表3无虫洞攻击的移动无线传感器网络的能量消耗。能源消耗（mJ）AODVZRPOLSR发射模式0.379192.4214140.9934接收模式8.12146933.214.91空闲模式22.877856.7927.695睡眠模式1.1113660.8241.05464见图9。虫洞攻击下静态无线传感器网络的能量消耗。图图8和表3描述了没有虫洞攻击的移动无线传感器网络中节点在发送、接收、空闲和睡眠模式下的能量消耗。很明显，AODV在所有三种模式下的能耗都比OLSR和ZRP低得多。因此，AODV在能量消耗方面比OLSR和ZRP具有更好的性能图9和表4示出了在具有四个虫洞攻击的静态WSN中节点在发送、接收、空闲和睡眠模式下的能量消耗。据推测，AODV具有非常少的能量消耗比OLSR。因此，AODV在能量消耗方面比OLSR和ZRP具有更好的性能。图10和表5显示了移动无线传感器网络中节点在发送、接收、空闲和睡眠模式下的能量消耗。可以推断，AODV具有非常少的能量消耗比OLSR和ZRP。因此，AODV在能量消耗方面比OLSR和ZRP具有更好的性能J. Govindasamy，S.Punniakody/电气系统和信息技术杂志5（2018）735743表4虫洞攻击下静态无线传感器网络的能量消耗。能源消耗（mJ）AODVZRPOLSR发射模式1.0801356.582.3446接收模式9.39447955.112421.62空闲模式17.915848.3529.339睡眠模式1.2103370.871.1见图10。虫洞攻击下移动无线传感器网络的能量消耗。表5虫洞攻击下移动无线传感器网络的能量消耗。能源消耗（mJ）AODVZRPOLSR发射模式1.076876.363892.341接收模式9.657.70722.168空闲模式21.3853.16324.487睡眠模式1.18890.8341.126537. 结论在这项调查中，性能指标，如吞吐量，平均端到端延迟和能量消耗AODV，OLSR和ZRP路由协议的无线传感器网络与虫洞攻击在静态和动态的无线传感器网络进行评估仿真结果表明，虫洞攻击导致AODV、OLSR和ZRP等路由协议吞吐量下降、平均端到端时延增加、能耗增加，从而降低了路由协议的性能然而，ZRP具有最高的吞吐量，OLSR具有最低的平均端到端延迟，由于ZRP和OLSR的吞吐量和能耗之间的权衡，AODV在吞吐量和平均端到端延迟方面的综合性能相对于其他两种路由协议更好最后得出AODV、OLSR和ZRP路由协议易受虫孔攻击的结论因此，需要设计一个安全的路由协议或能量有效的入侵检测系统，以防止在未来的资源受限的无线传感器网络的安全威胁。确认作者感谢电子工程系提供研究工具744J. Govindasamy，S.Punniakody/电气系统和信息技术杂志5（2018）735引用阿胡贾河Ahuja，A. 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