MANET網(wǎng)絡中一種基于移動Agent的入侵檢測系統(tǒng)＊

張 毅 張秀梅

（武漢數(shù)字工程研究所 武漢 430074）

移動自組織網(wǎng)絡（mobile Ad Hoc network，MANET）是由一組帶有無線收發(fā)裝置的移動節(jié)點組成的一個支持多跳的臨時性的網(wǎng)絡自治系統(tǒng)［1］.MANET網(wǎng)絡無線信道、動態(tài)拓撲、合作的路由算法、缺乏集中的監(jiān)控等特點都使得它的安全更加脆弱，特別是移動節(jié)點缺乏物理保護，容易被偷竊、捕獲，落入敵手后又重新加入網(wǎng)絡.而采用密碼學理論的網(wǎng)絡安全方案無法完全對抗此類攻擊，入侵檢測系統(tǒng)就成為安全方案之后的第二道防護墻.移動Agent是一個能在異構網(wǎng)絡中自主從一臺主機遷移到另一臺主機，并可與其他Agent或資源進行交互的程序，實際上它是Agent技術與分布式計算技術的結合體，具有移動性和自主性等特點［2－3］.將移動Agent應用到 MANET網(wǎng)絡入侵檢測系統(tǒng)中是一種十分新穎的方法.

1 入侵檢測系統(tǒng)的基礎算法

1.1 相關概念

1）最壞存活期（aij）

定義1 在節(jié)點n傳輸范圍R內的節(jié)點為節(jié)點n的鄰居.

定義2 節(jié)點i和j之間的最壞存活期aij的大小為：aij＝（R－d）／2 M （R＞d）；aij＝0（R≤d）.式中：R為傳輸范圍；d為節(jié)點i，j之間的距離；M為節(jié)點平均速度.最壞存活期aij用以度量節(jié)點i和j之間連接可以有效維持的最短時間.

2）計數(shù)器 每個節(jié)點上設置一個計數(shù)器，網(wǎng)絡剛開始運行時，所有計數(shù)器為零.Agent從一個節(jié)點跳到另一個節(jié)點收集分布節(jié)點的信息，當一個Agent完成信息交換任務離開節(jié)點時，就將該節(jié)點的計數(shù)器增加1.計數(shù)器的大小代表了該節(jié)點被Agent訪問過的次數(shù).

3）Agent的數(shù)據(jù)結構 一個Agent由下列幾部分組成：Agent標識符id；Agent程序P；Agent數(shù)據(jù)包.Agent數(shù)據(jù)包里包含了一些狀態(tài)參數(shù)，如aij、計數(shù)器等，Agent能夠與其他Agent和節(jié)點分享數(shù)據(jù)包里的內容.

1.2 基于移動Agent節(jié)點連接矩陣表構建算法

Agent的首要任務是傳送每個節(jié)點的信息到另一些節(jié)點.為使開銷達到最小，采用“最先訪問‘訪問次數(shù)最少的節(jié)點’”的Agent移動策略.

任意Agent到達目的節(jié)點i后，Agent內的程序將完成以下的工作步驟.

1）Agent到達節(jié)點i，將Agent里數(shù)據(jù)包里存儲的節(jié)點的計數(shù)器值與存在當前節(jié)點中的所有其他節(jié)點的計數(shù)器值進行比較，計數(shù)器值大的數(shù)據(jù)會更新，于是將數(shù)據(jù)包里更新的節(jié)點的行列信息保存到節(jié)點的cache上.

2）該Agent排在cache隊列的最后，在等待TM時間后選擇路由路徑，并發(fā)送.

3）在該節(jié)點的cache上比較所有鄰居的計數(shù)器值，取最小值，該值的節(jié)點就是下一個可能要訪問的節(jié)點.

4）如果被選擇的節(jié)點最近3次沒有被訪問過，該節(jié)點就是Agent下一個要訪問的節(jié)點；如果被選的節(jié)點在最近三次被訪問過，則選擇下一個最少訪問的鄰居，以此類推.

5）將節(jié)點i的計數(shù)器值加1，即將訪問的節(jié)點加入到節(jié)點i的歷史信息中.

6）Agent離開前，將節(jié)點i里cache上的內容存儲到Agent的數(shù)據(jù)包里.

7）Agent繼續(xù)訪問下一個節(jié)點.

1.3 數(shù)據(jù)報文的路徑選擇算法

數(shù)據(jù)報文的路徑選擇算法采用廣度優(yōu)先搜索算法，以目的節(jié)點為樹的根節(jié)點，每一跳形成樹的一層，該樹的最大層數(shù)為網(wǎng)絡節(jié)點的數(shù)量.

設節(jié)點i是源節(jié)點，節(jié)點j是目的節(jié)點，則節(jié)點j是樹的根.數(shù)據(jù)報文的路徑選擇算法如下.

1）節(jié)點i查看本節(jié)點矩陣表中節(jié)點i和節(jié)點j之間是否有連接，即查看aij是否為零，如果不是零，說明有連接，則信號直接發(fā)送，路由結束；如是零，說明不存在一跳操作，則進入2）.

2）查看矩陣表中j節(jié)點的列式aj，找出aj列中所有的非零項.如果aj列中所有值都為零，則節(jié)點i和j不存在有效的路徑，路由結束；否則非零項就是節(jié)點j的子節(jié)點，記錄其子節(jié)點，進入3）.

3）將上述子節(jié)點根據(jù)其相應的列繼續(xù)找出其子節(jié)點.若這層子節(jié)點中存在節(jié)點i，則刪除不包括節(jié)點i的路徑，對包括i的剩余的多條路徑對其各自路徑的權值進行相加，得到各路徑的權值和，比較各權值和，和最大者為首選路徑，次大者為第一備用路徑，依此類推，記錄路徑走法，路由結束；若這層子節(jié)點中不存在節(jié)點i，則進入4）.

4）這層子節(jié)點繼續(xù)根據(jù)其相應的列找出其子節(jié)點，同樣判斷這些子節(jié)點是否存在節(jié)點i，存在則如步驟3）記錄路徑，路由結束；若不存在節(jié)點i則繼續(xù)查找其子節(jié)點，這樣就形成一個循環(huán)，若在n次循環(huán)中找到了i節(jié)點，則記錄路徑，路由結束；若循環(huán)次數(shù)超過了n依舊未找到i節(jié)點，則路由路徑不存在，i和j不通，路由結束.

2 基于移動Agent的入侵檢測系統(tǒng)

2.1 入侵檢測系統(tǒng)的組成

1）監(jiān)視器子系統(tǒng)（鄰居監(jiān)視） 當節(jié)點中有數(shù)據(jù)包要傳輸時，通過數(shù)據(jù)報文路由算法，可以迅速得到數(shù)據(jù)包的路由路徑.在數(shù)據(jù)包傳輸?shù)耐瑫r，在節(jié)點的cache中留一個路徑備份，如果在某個固定時間內，該其鄰居節(jié)點按正常路徑轉發(fā)數(shù)據(jù)包，則說明一切正常，刪除節(jié)點cache中的備份；如果數(shù)據(jù)包到達鄰居節(jié)點后，在某個固定時間內未能轉發(fā)，則說明該節(jié)點有可能有故障，按cache中的備份重新發(fā)送，若連續(xù)三次重新發(fā)送依然不正確，記錄結論傳輸給“本地判斷子系統(tǒng)”做出判斷，并下命令給“路徑處理子系統(tǒng)”，采用選用備用路徑或其他措施.

2）本地判斷子系統(tǒng) 管理一個表格，包括各節(jié)點的信譽值.信譽值只有在由明顯證據(jù)表明某節(jié)點有可能存在問題，而且有大量重復的數(shù)據(jù)表明該問題重復發(fā)生時，才會有變化.榮譽值變化的權重也不同，本節(jié)點觀察到的權重最大，其次是鄰居節(jié)點發(fā)送過來的消息，權重最小的是遠處匯報來的消息.

該子系統(tǒng)采用貝葉斯方法.當某鄰居節(jié)點的榮譽值超出一定“懷疑”范圍時，向“路徑處理子系統(tǒng)”給出本地意見，“路徑處理子系統(tǒng)”可采用繞路的策略；當某節(jié)點“本地判斷子系統(tǒng)”的榮譽值超出了可以容忍的范圍時，信息會傳送給“綜合判斷子系統(tǒng)”.“本地判斷子系統(tǒng)”單元內部保存有各種異常行為的模型，將鄰居節(jié)點的異常和模型進行比較，得出故障類型.

3）綜合判斷子系統(tǒng) 首先收集“本地判斷子系統(tǒng)”給出的本地意見，同時也收集從其他節(jié)點收集來的告警信號，利用收集的綜合信息，利用拜占庭將軍算法來進行綜合識別得出最后的結論給“路徑處理子系統(tǒng)”.“綜合判斷子系統(tǒng)”由以下部分組成：告警信息表（包含收到的警告及發(fā)出的警告）；信任表（每個節(jié)點的信任等級）；節(jié)點列表；發(fā)送和接收告警.

4）通信子系統(tǒng) 該子系統(tǒng)處理輸入和輸出告警信號.當“綜合判斷子系統(tǒng)”利用拜占庭將軍算法，得出結論確認某節(jié)點故障時，向“通信子系統(tǒng)”發(fā)出告警，“通信子系統(tǒng)”由 Mobile Agent攜帶該信息向鄰居節(jié)點發(fā)出故障告警信號；當“通信子系統(tǒng)”從鄰居節(jié)點收到告警信號時，將其傳遞給“綜合判斷子系統(tǒng)”，用拜占庭將軍算法進行處理.

5）路徑處理子系統(tǒng) 當“本地判斷單元”給出本地告警意見時，采用“繞路”的方式，即繞開問題節(jié)點；當“綜合判斷單元”給出確認故障時，采用“隔離”的策略.

2.2 工作原理

如圖1所示，每個節(jié)點根據(jù)系統(tǒng)基礎算法監(jiān)視它的下一跳鄰居.如果一個可疑的節(jié)點監(jiān)測到，首先給到“本地判斷子系統(tǒng)”，結合鄰居的觀察，根據(jù)貝葉斯方法，如果超出一定的域值，則向“綜合判斷子系統(tǒng)”給出本地意見，并通知“路徑處理子系統(tǒng)”，采用繞開該節(jié)點的路徑的方法；若節(jié)點監(jiān)視重新恢復正常，發(fā)出故障恢復信號給“綜合判斷子系統(tǒng)”，并同時取消繞路命令.

圖1 入侵檢測系統(tǒng)體系結構

“綜合判斷子系統(tǒng)”同時還通過“通信子系統(tǒng)”接受來自其他節(jié)點的告警信息，收到告警信號后，結合本節(jié)點的“本地判斷子系統(tǒng)”信息，采用拜占庭將軍算法，采用簽名后繼續(xù)發(fā)送，最后得到某節(jié)點是否是故障節(jié)點，確認后觸發(fā)“路徑處理子系統(tǒng)”采用隔離的方法，將該故障節(jié)點從cache中的矩陣表中，將包含該節(jié)點的行和列都刪除掉，徹底從網(wǎng)絡中剔除該節(jié)點.

3 仿真實驗

3.1 仿真環(huán)境

利用NS－2仿真平臺進行仿真實驗，在仿真中，網(wǎng)絡環(huán)境范圍設置為1 000m×1 000m，節(jié)點隨機分布.設定該網(wǎng)絡內有30個移動節(jié)點，每個節(jié)點的通信傳輸范圍400m.每個節(jié)點的移動速度范圍為1m／s到10m／s.每個節(jié)點隨機選擇一個方向作為其目標方向，采用統(tǒng)一的移動速度和行為策略：一旦指定的節(jié)點到達了目的地，在那等待特定的時間后，然后再隨機地選擇另一個方向，開始下一次移動.

3.2 “黑洞”的仿真

“黑洞”是MANET網(wǎng)絡中極易出現(xiàn)的入侵方式.惡意節(jié)點偽裝此路徑為最佳路徑，使得數(shù)據(jù)包都流向此節(jié)點，就在網(wǎng)絡中形成了一個“黑洞”.從而對網(wǎng)絡進行攻擊［4－6］.圖2說明了 AODV 協(xié)議和基于Agent入侵檢測系統(tǒng)關于“黑洞”問題對比的仿真圖.

圖2 “黑洞”仿真圖

從圖2可以看出，在網(wǎng)絡正常情況下，AODV協(xié)議與基于Agent路由算法的傳輸率相差不大，在90%左右.當仿真一個惡意“黑洞”節(jié)點產(chǎn)生時，AODV協(xié)議下傳輸率大幅度下降（在30%左右），而基于移動Agent的入侵檢測系統(tǒng)仍保持較高的傳輸率（在80%左右），可以很好地解決“黑洞”的安全問題.

3.3 “蟲洞”的仿真

“蟲洞”攻擊也稱為隧道攻擊，是一種針對MANET路由協(xié)議的嚴重攻擊，它是在兩個串謀惡意結點間建立一條私有通道，攻擊者在網(wǎng)絡中的一個位置上記錄數(shù)據(jù)包或信息，通過此私有通道將竊取的信息傳遞到網(wǎng)絡的另外一個位置.圖3是AODV協(xié)議和基于Agent入侵檢測系統(tǒng)關于“蟲洞”問題對比的仿真圖.

圖3 蟲洞仿真圖

從圖3可以看出，在網(wǎng)絡正常情況下，AODV協(xié)議與基于Agent路由算法的傳輸率相差不大，在90%左右.當仿真兩個串通惡意蟲洞節(jié)點時，AODV協(xié)議下傳輸率大幅度下降（在65%左右），而基于移動Agent的入侵檢測系統(tǒng)仍保持較高的傳輸率（在85%左右），可以很好地解決“蟲洞”問題.

4 結束語

本文提出了一種在MANET網(wǎng)絡中基于移動Agent的入侵檢測系統(tǒng).該系統(tǒng)的基礎算法是基于移動Agent的路由算法.入侵檢測系統(tǒng)通過監(jiān)視器、本地判斷、綜合判斷、通信、路徑處理等子系統(tǒng)協(xié)同工作，當判斷出可疑行為超出了預警范圍時，發(fā)出告警信號，并采用繞路的措施；當可疑行為超出可容忍的范圍時，綜合考慮來自各個節(jié)點的告警信號，得出最終可靠的結論，并從網(wǎng)絡中徹底刪除該節(jié)點.在NS－2網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)中對入侵檢測系統(tǒng)進行了仿真實驗.仿真結果顯示，本系統(tǒng)僅使用很少的Agent便獲得較多的全局信息，大大地減少維持節(jié)點信息而產(chǎn)生的開銷，具有很高的效率和魯棒性.

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