【摘要】：過去數十年,網絡技術給人們的生活帶來了深遠的影響。網絡的出現,使得人與人之間的聯系更加緊密,信息流通更加便捷和高效。這些都成為了網絡時代的典型特點。從網絡互聯方式來看,網絡技術經歷了從有線網絡(比如銅線網絡)到無線網絡(比如無線局域網、無線Ad hoc網絡、無線傳感器網絡、無線網狀網)的演進過程。無線網狀網作為近十年來興起的一種無線多跳網絡,成為了城域無線寬帶基礎設施的首選網絡構架。這種網絡具有無線接入速度快、網絡結構穩(wěn)定、多跳中繼通信、流量匯聚性、網狀網設備資源約束少等獨有的特點。隨著無線網狀網相關的研究及應用不斷走向深入,無線網狀網的安全性成為學術界及產業(yè)界關注的焦點。無線網狀網不同協議層的誤用嚴重威脅著網絡的安全屬性,如可用性、保密性、完整性、可認證性、不可抵賴性以及隱私。這些威脅成為了制約無線網狀網大規(guī)模應用與部署的主要因素之一。在上述安全屬性中,可用性最為脆弱。這歸因于兩個主要原因:其一,基于密碼學的安全機制無法很好地保護網絡可用性,尤其是當惡意行為來自網絡內部的時候;其二,因為無線網狀網既有無線多跳網絡的一般特點,也具備部分有線網絡的特性,所以拒絕服務的發(fā)生更加容易。為此,研究面向無線網狀網的拒絕服務異常檢測與恢復關鍵技術具有重要的現實意義。除此之外,網絡可用性相關的研究既有其獨立性,也能夠與其它安全屬性相關的研究互為補充,共同推動網絡安全領域的研究不斷向前發(fā)展。因此,研究面向無線網狀網的拒絕服務異常檢測與恢復關鍵技術具有重要的理論意義。概括而言,無線網狀網在多個協議層面臨拒絕服務的威脅,并且,基于密碼學的安全機制無法有效防御這些威脅�；诖�,本文選擇網絡可用性作為研究目標,研究面向無線網狀網的拒絕服務異常檢測與恢復機制,以作為無線網狀網安全的第二道防線。具體而言,本研究包含五個子研究。研究一,由于無線設備使用共享介質傳輸信號,因此物理層信號干擾成為最易發(fā)生的現象�？紤]到智能干擾對網絡性能影響巨大并且發(fā)生的可能性很高,本文提出基于自適應免疫系統的分布式智能干擾檢測與恢復機制,提高了網絡抗干擾能力。進一步地,由于智能干擾檢測與恢復機制中恢復模塊使用路徑切換作為網絡恢復方式,本文提出一種改進的網絡態(tài)勢感知路由方法,顯著地提升了網絡性能。研究二,因為路由協議在設計之初沒有充分考慮到安全性,所以對路由協議的誤用將導致許多異常,其中包括了低速率泛洪。該異常能夠在不引起流量突變的情況下降低網絡的總體性能。因此,本文提出基于協議規(guī)范的實時低速率拒絕服務檢測與恢復機制應對路由層低速率泛洪,大幅減小了低速率泛洪對網絡總體性能的影響。研究三,當選擇轉發(fā)發(fā)生在用于匯聚數據的關鍵節(jié)點上并且丟棄的是重要數據的時候,該異常將顯著降低網絡服務質量。現有檢測方法側重于通過信道監(jiān)聽來檢測孤立的異常節(jié)點,無法有效地防御協同式異常節(jié)點。本文提出基于轉發(fā)行為評估的協同式選擇轉發(fā)檢測與恢復機制來應對多個惡意節(jié)點相互協作所發(fā)起的選擇轉發(fā)。研究四,在應用層中無線網狀網也面臨拒絕服務及其它類型的異常�？紤]到網狀網設備的資源約束小,本文提出以快速分類方法為基礎的異常檢測機制,顯著地提高了分類精度和速度。研究五,隨著無線網狀網向著4G網狀網絡演進,新的拒絕服務開始出現,例如帶寬請求異常。本文提出面向4G網絡的上行鏈路拒絕服務檢測與恢復機制,該機制結合一個基于多源關聯統計的檢測與恢復算法和一個自適應檢測閾值測定算法,顯著地提高了網絡上行傳輸的吞吐量。本文主要創(chuàng)新點總結如下:1.基于自適應免疫系統的分布式智能干擾檢測與恢復機制。該機制包括三個功能模塊:監(jiān)控模塊用來監(jiān)控報文接收情況,決策模塊用來檢測異常,恢復模塊用來將網絡從異常狀態(tài)中恢復。為了在恢復過程中找出一條備選的高質量路徑以供切換,進一步地提出了一種改進的態(tài)勢感知路由方法。仿真實驗結果表明,該機制能更有效地抵抗智能干擾,消除智能干擾對網絡性能的影響,新的態(tài)勢感知路由方法能夠顯著地提高網絡吞吐量并且降低網絡傳輸延遲。2.基于協議規(guī)范的實時低速率拒絕服務檢測與恢復機制。路由協議誤用將導致低速率泛洪,該異常不會產生網絡流量的顯著變化,進而使得傳統的基于流量突變的檢測方法失效。為了應對低速率泛洪帶來的新挑戰(zhàn),基于路由協議規(guī)范提出了一個指數回退恢復算法。仿真結果表明,該機制能夠大幅減小低速率Do S異常對網絡總體性能的影響。3.基于轉發(fā)行為評估的協同式選擇轉發(fā)檢測與恢復機制。該機制結合了基于兩跳確認的監(jiān)控和基于轉發(fā)行為評估的檢測以發(fā)現協同式選擇轉發(fā)。考慮到由于低信道質量或者介質訪問沖突所引起的網絡動態(tài)性,通過最小化檢測誤報率和漏報率之和分析得出了最佳檢測閾值。理論分析和仿真實驗結果表明,與其它現有檢測方法相比,該機制能夠有效地減小孤立的或者協同式的選擇轉發(fā)異常對網絡性能的影響,同時能夠適應網絡動態(tài)性。即使網絡中出現選擇轉發(fā)異常,網絡的報文送達率也能夠達到80%以上。4.以快速分類方法為基礎的異常檢測機制。該機制設計了一種改進的單隱層前饋網絡,該分類器使用極限學習機作為訓練方法。首先利用了主成份分析技術來降低樣本特征維數;隨后,基于改進的局部泛化誤差模型,提出了一個單隱層前饋網絡結構選擇算法來選擇最佳的網絡隱層節(jié)點數目。實驗及統計結果表明,與現有的分類器相比,該分類器能顯著地提高泛化能力和分類速度。5.面向4G網絡的上行鏈路拒絕服務檢測與恢復機制。該機制使用了一個基于多源關聯統計的檢測與恢復算法來實時地檢測惡意用戶接入點引起的帶寬請求異常。進一步地,考慮到多條上行數據流同時傳輸將導致帶寬資源競爭,進而引起網絡動態(tài)性,該機制使用了一個自適應檢測閾值測定算法來動態(tài)地調整檢測閾值。仿真實驗結果表明,該機制能夠顯著地提高網絡上行傳輸的吞吐量。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：國防科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TN915.08

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3 曹，

本文編號：2461718