基于OPNET的分布式協議攻擊的性能研究

張俊清，董陽澤，張剛強，劉俊凱

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基于OPNET的分布式協議攻擊的性能研究

張俊清，董陽澤，張剛強，劉俊凱

(水聲對抗技術重點實驗室，上海 201108)

目前，對水聲網絡協議干擾和攻擊的研究大多采用單個節點的攻擊方法。在此基礎上，為提升攻擊性能，研究了分布式協議攻擊方法。通過OPNET仿真軟件構建水聲網絡模型，采用不同的協議攻擊方法對目標水聲網絡進行攻擊仿真研究，包括單節點工作方式和多節點的分布式協議攻擊。比較了不同的工作方式達到的干擾效果以及不同協議攻擊方法的分布式攻擊工作方式的干擾效果。結果表明，采用分布式協議攻擊工作方式，在其他條件相同的情況下，目標網絡吞吐量比單節點攻擊工作方式多下降了5%以上，對水聲網絡的干擾效果更佳。

水聲網絡；網絡協議攻擊；分布式協議攻擊

0 引言

隨著水聲網絡的發展和廣泛運用，在海洋軍事和民用領域發揮著越來越重要的作用。將水聲網

引入水聲對抗領域，是“網絡中心戰”在水下戰場空間的必然趨勢。因此，水聲網絡對抗作為水聲對抗中的重要內容，是引發敵我雙方圍繞水聲網絡展開一系列的攻防行動[1]。

目前，對水聲網絡攻擊的研究中，大多都是通過單一干擾節點來破壞網絡軟件和硬件，達到降低網絡性能，或者獲取敵方網絡的數據信息的效能。對單個干擾節點進行干擾，由于干擾范圍有限，能量相對集中，通常使用大功率進行干擾，干擾節點被發現的可能性較大。如果充分利用協議有關信息，采用分布式協議攻擊的工作方式，干擾節點之間相互配合，通過多跳干擾或者干擾節點之間協同，可以提高水聲網絡的干擾效果。由于消耗能量較低，因此被發現的概率也較低。

在過去的20年間，已有針對水聲網絡協議攻擊方法的研究。文獻[2]、[3]從理論上介紹了水聲網絡各層面臨的各種威脅以及各種攻擊方法的原理，但沒有給出具體的仿真結果；文獻[4]研究了基于位置的路由協議基于深度路由(Depth Based Routing, DBR)和基于矢量轉發協議(Vector-Based Forwarding Protocol, VBF)路由協議的攻擊可行性；文獻[5]研究了水聲網絡拒絕服務攻擊，針對水聲網絡路由層協議攻擊進行了仿真研究；文獻[6、[7]對水聲通信網媒質接入控制(Medium Access Control, MAC)層協議攻擊進行了可行性分析和性能仿真分析，主要針對單節點工作方式。

利用OPNET軟件，本文首先建立目標水聲網絡模型，研究采用分布式協議攻擊對水聲網絡進行攻擊的方式方法；然后通過仿真，分析不同的工作方式的干擾效果；最后就不同協議攻擊方法的分布式工作方式的干擾效果進行了比較和討論。

1 水聲網絡協議攻擊

這里首先介紹幾種常見的水聲網絡協議攻擊的方法。

(1) 蠕蟲洞攻擊是通過攻擊節點在源節點和目的節點之間建立一條虛假路徑，當源節點發送數據時，通過虛假路由，攻擊節點接收的到數據包可以選擇是否發送給攻擊者。蠕蟲洞攻擊原理如圖1所示。

圖1 水聲網絡的蟲洞攻擊示意圖

圖1中，節點A向C發送信息時，A發送路由請求包，建立路徑A-B-C，向節點C傳輸數據信息。蠕蟲洞攻擊時，節點A發送路由請求包時，被攻擊節點1收到，然后將其發送給攻擊節點4，攻擊節點4重發節點A的路由請求包，節點C接收A的路由請求包，通過此路徑，A將會收到C的路由回復信息，A會建立路徑A-C，A就會通過此路徑發送數據信息給C，攻擊節點在接收到數據信息后可自行確定是否發送給攻擊者。

(2) 黑洞攻擊是攻擊者發送偽裝的路由信息，聲明自己有到網關節點最近的路由節點。這樣網絡中其他節點就會把攻擊節點誤認為最優的路由節點，從而會優先選擇攻擊節點作為路由節點，攻擊節點像黑洞一樣吸引數據包流向自己。黑洞攻擊原理如圖2所示。

圖2中，攻擊節點發送偽造的路由信息給周圍的普通節點，告訴周圍的普通節點自己是離網關節點最近的，攻擊節點周圍的普通節點將會建立一條經過攻擊節點的路徑，當它們發送數據時，都會經過攻擊節點。

(3) 請求發送/清除發送(Request to Send/Clear to Send, RTS/CTS)握手協議攻擊是攻擊者占用信道不斷發送偽造的RTS幀，使周圍正常節點很難使用信道進行正常通信。RTS/CTS握手協議的攻擊原理如圖3所示。

圖2 水聲網絡的黑洞攻擊示意圖

圖3 水聲網絡MAC層握手協議攻擊原理圖

圖3中，當節點A要給節點B發送數據時，攻擊節點不斷發送偽造的RTS，節點A收到攻擊節點的RTS時，將會執行隨機退避，等待信道空閑時方可發送數據。若攻擊節點一直占有信道，節點A將會一直不能傳輸數據。

(4) RTS占用目的節點攻擊的原理是當源節點給目的節點發送RTS時，攻擊節點搶在正常節點握手之前和目的節點進行通信，從而使正常節點不能正常通信。RTS占用目的節點攻擊原理如圖4所示。

圖4 RTS占用目的節點方法的干擾示意圖

圖4中，源節點A向目的節點C發送數據，A先發送給中繼節點B，B再發送給目的節點C。攻擊節點在B發送給目的節點C之前，一直給C發送RTS控制幀進行通信，使B不能和C進行通信。

(5) 分布式攻擊根據多個攻擊節點是否協同工作分為兩種情況：

①多個攻擊節點獨自工作

這種情況下，每個攻擊節點獨立工作。若干個攻擊節點均勻散布在網絡節點的活動區域內，每個攻擊節點負責一個區域，多個節點實施干擾，實現對網絡內主要節點的干擾破壞。

②多個攻擊節點協同干擾

在一個網絡內布設多個攻擊節點，這些節點之間利用單獨的隱蔽信道交換必要的信息，實現多個攻擊節點協同攻擊。

2 目標水聲網絡建模

本文采用OPNET Modeler[8]建立目標水聲網絡仿真模型。針對水聲信道的特點，在OPNET中對水聲網絡物理層、數據鏈路層(主要是其中的MAC層)和路由層進行相應的建模。水聲網絡體系結構如圖5所示。

圖5 水聲網絡體系結構

通過設置OPNET的管道模型，實現水聲信道的物理層建模，MAC層采用載波偵聽多址接入/沖突避免(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA/CA)[9]的握手機制，路由層采用基于距離矢量的按需路由協議(Ad-hoc On-De- mand Distance Vector, AODV)[10]建模。

2.1 網絡模型

圖6為本文建立的目標水聲網絡OPNET模型。圖6中包含9個網絡節點，隨機分布在4 km× 4 km的范圍內。

2.2 節點建模

網絡節點模型如圖7所示。圖7中，源端模塊隨機產生數據包，終端模塊接收處理數據包，其中的水聽器無指向性；網絡層主要負責路由生成和數據轉發，采用AODV協議，包括路由發現和路由維護兩個部分：當一個節點需要向另一個節點發送數據，而當路由表中沒有那個節點的路由時，它會試圖發現一個新的路由。路由發現使用路由請求消息(RREQ)完成，RREQ消息在網絡中廣播，直到包含有目的節點的新鮮路由節點或者目的節點自己對路由請求消息做出回應，并發送路由應答消息(RREP)。該RREP消息回傳給源節點，并在消息回傳的過程中，建立源節點和目的節點端到端的路徑。路由發現負責尋找到達目的節點的路徑；路由維護負責對已經建立的路由有效性進行檢測，并且在發現路由由于節點移動等原因失效時重建路由。

圖6 目標水聲網絡拓撲結構

圖7 節點模型

進程模型如圖8所示。MAC層采用CSMA/CA協議，其進程轉移如圖9所示。

圖8 網絡狀態轉移圖

圖9 MAC進程模型

3 仿真及結果分析

3.1 仿真參數設置

OPNET包括14個管道階段[11]，模擬數據幀在信道中傳輸，這些管道模型主要針對空中無線信道。水聲網絡仿真中，水聲信道需要重新定義管道參數。本文采用文獻[12]的方法，在傳播時延、接收功率、背景噪聲三個管道階段分別建立了水聲信道聲速、傳播損失和海洋環境背景噪聲模型，參數設置如表1所示。

3.2 仿真及分析

3.2.1 目標網絡性能

本文選取成功接收包數目、網絡吞吐量和端到端平均時延等參數反映網絡性能。

成功接收包數目是指源節點發送數據給目的節點，目的節點成功接收的包。

平均吞吐量(Throughput)是指單位時間內被成功接收的數據包數量(單位：bps)：

端到端平均時延為發送節點產生數據包，到目的節點成功接收到數據包所需要的平均時間。

圖10為目標網絡(無攻擊)成功接收數據包數量隨時間的變化。圖10中，每個節點都是隨機產生數據包，數據包的目的地址也是隨機產生的。當兩個或者以上數據包同時到達同一個中繼節點或者目的節點時，數據包將會發送碰撞，中繼節點或者目的節點接收不到數據包，數據包將會重傳5次；重傳次數超過5，數據包將會被丟棄。由于數據包的碰撞，使得丟包率為7.29%(仿真時間內發送了2 400個數據包，到達目的節點的數據包為2 225個)。

注：為聲波頻率(單位：kHz)，為收發端距離(單位：km)。

圖10 無攻擊節點成功接收數據包數隨仿真時間的變化

圖11為網絡吞吐量隨時間的變化。由圖11可見，達到穩定狀態時，網絡吞吐量約為31.563 bps。

圖12為網絡端到端平均時延隨時間的變化。圖12中，由于節點之間相距有一定距離，傳播需要一定時間，并且節點接收數據包還有處理時延存在，穩定狀態下，網絡的端對端平均時延約為24 s。

圖12 無攻擊節點網絡端對端時延隨仿真時間的變化

3.2.2 蠕蟲洞攻擊仿真

圖13是針對網絡層路由協議的蠕蟲洞攻擊，采用單節點工作方式和分布式攻擊方式，網絡的吞吐量隨時間的變化情況的比較。

圖13 蠕蟲洞攻擊吞吐量隨仿真時間的變化曲線

由圖13可見，單節點工作方式和分布式工作方式，使網絡吞吐量分別下降了65.5%和70.5%，分布式協議攻擊對網絡的干擾效果優于單節點協議攻擊。

圖14是針對網絡層路由協議的蠕蟲洞攻擊，采用單節點工作方式和分布式攻擊方式，統計網絡端對端平均時延變化情況的比較。

從圖14可知，單節點工作方式使網絡端對端時延更大，這是由于單節點工作方式中，每一對蠕蟲對在檢測到網絡有信息時，都會轉發網絡中路由請求包，這使網絡鏈路更加堵塞。而分布式攻擊工作方式，蠕蟲節點對之間可以相互通信，避免攻擊節點之間重復發網絡路由請求包，網絡延時減小。

圖14 蠕蟲洞攻擊端對端到平均延時隨仿真時間的變化曲線

3.2.3 黑洞攻擊仿真

圖15是針對網絡層路由協議的黑洞攻擊，在不同工作方式下的吞吐量隨時間的變化情況。

圖15 黑洞攻擊吞吐量隨仿真時間的變化曲線

從圖15可知，分布式攻擊方式使網絡吞吐量下降了81.37%，單節點工作方式使網絡吞吐量下降了56.2%，分布式協議攻擊干擾效果更優。

圖16是針對網絡層路由協議的黑洞攻擊，在不同工作方式下的網絡端對端平均時延情況。

由圖16可知，單個黑洞攻擊和分布式黑洞攻擊對網絡端對端平均延時的效果相同。

總的來說，分布式黑洞攻擊的攻擊效果優于單節點工作方式的攻擊效果。

圖16 黑洞攻擊端對端到平均延時隨仿真時間的變化曲線

3.2.4 RTS/CTS握手協議攻擊

圖17是針對MAC協議的RTS/CTS握手協議攻擊，采用單節點工作方式和分布式工作方式仿真，網絡吞吐量隨時間的變化情況。

圖17 RTS/CTS攻擊吞吐量隨仿真時間的變化曲線

從圖17可知，分布式RTS/CTS握手協議攻擊網絡吞吐量約為18.354 bps，下降了41.99%；單節點攻擊方式使網絡吞吐量下降到24.702 bps，下降了23.09%。分布式RTS/CTS握手協議攻擊網絡吞吐量更低。

圖18是針對MAC協議的RTS/CTS握手協議攻擊，采用單節點工作方式和分布式工作方式仿真，網絡端到端平均時延隨時間的變化情況。

由圖18可見，分布式RTS/CTS握手協議攻擊網絡端到端平均時延達到361 s，單節點攻擊方式使網絡端到端時延達到165 s，分布式網絡攻擊方式網絡端到端延時更大，攻擊效果更好。

3.2.5 RTS占用目的節點攻擊

圖19是RTS占用目的節點攻擊，在不同工作方式下，網絡吞吐量隨時間的變化情況。

由圖19可知，分布式RTS占用目的節點攻擊網絡吞吐量約為20.537 bps，下降了35.01%；單節點攻擊方式使網絡吞吐量下降到28.018 bps，下降了11.39%。分布式RTS占用目的節點攻擊的網絡吞吐量更低，攻擊效果更好。

圖18 RTS/CTS攻擊端對端到平均延時隨仿真時間的變化曲線

圖19 RTS占用目的節點攻擊吞吐量隨仿真時間變化曲線

圖20是RTS占用目的節點攻擊，在不同工作方式下，端對端平均時延隨時間變化情況的對比。

圖20 RTS占用目的節點攻擊端對端到平均延時隨仿真時間變化曲線

由圖20可知，分布式RTS占用目的節點攻擊網絡端到端平均時延達到約243 s；單節點攻擊方式使網絡端到端時延達到106 s。分布式RTS占用目的節點攻擊網絡端到端延時更大，攻擊效果更好。

3.3 仿真比較

表2、3分別給出了單節點攻擊與分布式攻擊效果的仿真比較。

表2 單節點協議攻擊方法干擾效果

表3 分布式協議攻擊方法干擾效果

需要說明的是，分布式蠕蟲攻擊端到端時延減小，但對于網絡攻擊效果來說，首先看整個網絡的信息量損失率即網絡吞吐量的下降率，如果網絡信息損失率很高，那么網絡延時變小對網絡攻擊效果幾乎沒有影響；如果干擾前后網絡信息幾乎沒有損失，網絡延時越大越好。總的來說，分布式協議攻擊對網絡干擾效果優于單節點協議攻擊。

4 結論

通過OPNET仿真了網絡層蠕蟲洞攻擊和黑洞攻擊，以及MAC層的RTS/CTS握手協議攻擊和RTS占用目的節點攻擊，分析比較了單節點攻擊方式和分布式攻擊方式。

研究表明，分布式協議攻擊方法可以提高網絡的干擾性能，使網絡吞吐量大大降低，部分方法可以提高端對端時延。在相同條件下，對于網絡層協議攻擊，分布式黑洞攻擊對網絡的干擾效果優于分布式蠕蟲攻擊；在相同條件下，對于MAC層協議攻擊，分布式RTS/CTS握手協議攻擊對網絡的干擾效果比分布式RTS占用目的節點攻擊效果更好。

水聲網絡協議攻擊作為水聲對抗的一個新的組成部分，在未來國家海洋安全方面有重要意義。通過對水聲網絡分布式協議攻擊的仿真研究，為實際水聲網絡對抗提供了一些理論參考，表明了該攻擊方法有較好的對網絡的干擾效果。由于目前國內對水聲網絡協議對抗的研究仍主要處在實驗室研究階段，還缺乏試驗驗證。希望本文研究對該領域的發展起到一定的參考作用。

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Performance of OPNET based distributed protocol attack

ZHANG Jun-qing, DONG Yang-ze, ZHANG Gang-qiang, LIU Jun-kai

(National Key Laboratory of Science and Technology on Underwater Acoustic Antagonizing, Shanghai,201108, China)

At present, the research on the interference and attack of underwater acoustic network protocols is mostly based on the attack method of single node. Distributed protocol attack methods are studied in this paper. The underwater acoustic network model is constructed by OPNET simulation software, and different protocol attack methods are used against the target underwater acoustic network. The interference effects of single-node mode and multi-node distributed protocol attack mode are studied via simulation, The interference effects of different working modes and the interference effects of distributed attack of different protocols attack methods are compared. The simulation shows that under the same conditions, The distributed protocol attack mode can reduce target network throughput by about 5%, and the interference effect on underwater acoustic network is better.

underwater acoustic network; attack against network protocol; distributed protocol attack

TB567

A

1000-3630(2019)-01-0039-07

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.01.006

2017-12-10;

2018-01-18

張俊清(1991－), 男, 湖北襄陽人, 碩士研究生, 研究方向為通信與超聲技術。

張俊清, E-mail: zhangjunqing726@163.com