基于度分布的水聲通信網(wǎng)絡(luò)干擾節(jié)點(diǎn)部署方法

張俊清 張剛強(qiáng) 劉俊凱

（水聲對抗技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，201108）

由于水聲通信信道的開放性，水聲通信網(wǎng)絡(luò)容易受到多種網(wǎng)絡(luò)攻擊，包括網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的自干擾、外界敵意干擾、拒絕服務(wù)干擾、偽造、惡意節(jié)點(diǎn)攻擊等[1]。干擾攻擊和防御是目前水聲通信網(wǎng)絡(luò)研究面臨的難題。

水聲通信網(wǎng)絡(luò)干擾攻擊主要是占用水聲通信信道，使其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不能正常進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而影響網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)正常的工作。干擾的目標(biāo)可以是節(jié)點(diǎn)、信道以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等。攻擊的目的是降低水聲通信網(wǎng)絡(luò)信道容量、分割網(wǎng)絡(luò)區(qū)域、降低網(wǎng)絡(luò)吞吐量、增加網(wǎng)絡(luò)時延等。發(fā)起攻擊的區(qū)域可以包括時域、空域頻域等。不同目標(biāo)、目的和攻擊域相互組合產(chǎn)生多種多樣的攻擊模型。

當(dāng)前干擾攻擊的研究多數(shù)從時域或頻域發(fā)起，對于干擾節(jié)點(diǎn)的空域部署關(guān)注較少。從時域角度來看，干擾攻擊可以分為持續(xù)干擾、欺騙性干擾和隨機(jī)干擾3 類[2]。從頻域角度來看，干擾攻擊包括跟蹤干擾、阻塞干擾和靈巧干擾等[4]，一些復(fù)雜的干擾攻擊包括跨層干擾攻擊、協(xié)議層干擾攻擊等。Brown 等總結(jié)了干擾的分層模型，并基于離線感知的方法發(fā)起干擾攻擊[3]。Li 等針對單個干擾者且干擾目標(biāo)是降低合法節(jié)點(diǎn)的傳輸成功率情況，分析了干擾者的最優(yōu)傳輸策略[4]。Devi 等分析了干擾攻擊對無線網(wǎng)絡(luò)的影響，并提出了使用分組速率劃分進(jìn)行干擾緩解[5]。闞保強(qiáng)等針對多跳無線網(wǎng)絡(luò)的干擾攻擊問題，提出使用多路徑路由協(xié)議先驗(yàn)性的規(guī)避干擾區(qū)域[6]。針對802.11 協(xié)議的信道接入機(jī)制和數(shù)據(jù)發(fā)送機(jī)制，多篇文獻(xiàn)提出了對應(yīng)的協(xié)議層次的干擾方法，Gummadi 等分析了載波監(jiān)聽協(xié)議面臨的干擾攻擊威脅[7]，Zhang 等人提出了針對ACK 機(jī)制的干擾方法[8]，Acharya 等提出了針對802.11b 的干擾攻擊方法[9]。

從空間域上考察干擾節(jié)點(diǎn)的部署，目前的研究很少。國防科技大學(xué)的孫言強(qiáng)等人對這個問題提出了一個基本模型，即在有k 個干擾節(jié)點(diǎn)的情形中,攻擊者如何放置這些干擾節(jié)點(diǎn)，以使網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的連通度最小，也稱為k-干擾節(jié)點(diǎn)部署問題（ k-Jammer Deployment Problem，k-JDP）[10]。他們首先證明了該問題即使在理想情況下（攻擊者掌握了傳感器網(wǎng)絡(luò)全局拓?fù)湫畔ⅲ廊皇荖P 完全的，然后給出了該問題的整數(shù)線性規(guī)劃模型，最后提出了一種基于獨(dú)立集相關(guān)理論的啟發(fā)式算法[3]。但是該文提出的啟發(fā)式算法的有效性并未通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，也未考慮干擾目的、可用資源和被干擾目標(biāo)特征等相關(guān)因素。目前針對干擾節(jié)點(diǎn)空間部署問題的研究尚在初期，難以滿足現(xiàn)實(shí)應(yīng)用需要。 本文針對干擾節(jié)點(diǎn)空域部署問題，首先給出了部署問題的通用模型，然后基于網(wǎng)絡(luò)度分布特征提出了一種干擾節(jié)點(diǎn)部署方法。該方法通過被動監(jiān)聽推斷網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的度信息，將啟發(fā)式的選擇度最大的節(jié)點(diǎn)作為干擾目標(biāo)，從而有效降低網(wǎng)絡(luò)的平均吞吐量。

1 基于度分布的干擾節(jié)點(diǎn)部署方法

1.1 干擾節(jié)點(diǎn)部署問題

干擾節(jié)點(diǎn)不同的部署位置對水聲通信網(wǎng)絡(luò)的干擾結(jié)果具有直接影響，如何保證最大限度對水聲通信網(wǎng)絡(luò)干擾，需要進(jìn)一步解決干擾節(jié)點(diǎn)部署問題。圖1 是典型的水聲通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各個節(jié)點(diǎn)功能相同，干擾節(jié)點(diǎn)的目的是最小化網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

1 個干擾節(jié)點(diǎn)部署于網(wǎng)絡(luò)中時水聲通信網(wǎng)絡(luò)干擾節(jié)點(diǎn)部署的方法見圖2～3。圖中干擾節(jié)點(diǎn)部署于空間不同位置，圖2 干擾節(jié)點(diǎn)部署方法明顯優(yōu)于圖3，這是由于圖2 干擾節(jié)點(diǎn)部署在更多相鄰節(jié)點(diǎn)的路徑上，比方法B 干擾更多的端到端流量。

圖1 水聲通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 干擾節(jié)點(diǎn)部署方法A

圖3 干擾節(jié)點(diǎn)部署方法B

干擾節(jié)點(diǎn)部署于不同位置，對整個網(wǎng)絡(luò)的吞吐量影響不同，所以，選擇干擾節(jié)點(diǎn)位置對于達(dá)到干擾目的起著至關(guān)重要的作用，需研究一種高效的干擾節(jié)點(diǎn)部署方法。

干擾節(jié)點(diǎn)部署的主要目標(biāo)和約束是：如何根據(jù)被干擾網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)（網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、物理層信道特征、節(jié)點(diǎn)分布狀態(tài)），有效利用可用資源（包括干擾節(jié)點(diǎn)數(shù)量、功率、被干擾網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層以及物理層知識），選擇最佳的目標(biāo)和干擾行為（干擾區(qū)域、樣式、方法），從而達(dá)到最大化的干擾目標(biāo)及最小化干擾資源的使用。通用模型描述如下：（1）最大化目標(biāo)干擾效果；（2）最小化干擾資源利用；（3）限制條件，部署的干擾節(jié)點(diǎn)數(shù)量及其性能要求≤可用干擾資源限制R，干擾部署所基于被干擾網(wǎng)絡(luò)的知識符合假設(shè)。

為了在特定背景下將這個模型實(shí)例化，需細(xì)化其中的干擾目標(biāo)、資源限制和關(guān)于被干擾網(wǎng)絡(luò)的信息。對于不同的水聲通信網(wǎng)絡(luò)場景，其干擾部署問題并不相同，對應(yīng)采取的干擾節(jié)點(diǎn)部署方法也相應(yīng)存在差異，需要限定問題范圍提出對應(yīng)的策略。本文假設(shè)干擾節(jié)點(diǎn)部署場景如下：水聲網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?；?jié)點(diǎn)間的包流量為廣播模式，且服從泊松分布；網(wǎng)絡(luò)采用固定路由算法。J 是干擾節(jié)點(diǎn)集合；干擾節(jié)點(diǎn)的傳輸功率與水聲通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相同，干擾部署的目標(biāo)是最小化網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

1.2 部署方法

部署干擾節(jié)點(diǎn)需要充分考慮網(wǎng)絡(luò)特征參數(shù)，例如平均路徑長度、度分布等。本文針對節(jié)點(diǎn)度分布的特征參數(shù)，提出干擾節(jié)點(diǎn)部署方法。度是網(wǎng)絡(luò)中單個節(jié)點(diǎn)的局部特征的基本參數(shù)，度分布反映了網(wǎng)絡(luò)的宏觀統(tǒng)計特征。針對水聲通信網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，度定義為該節(jié)點(diǎn)Vi連接的其它節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，節(jié)點(diǎn)的度包括入度和出度兩種，入度是其它節(jié)點(diǎn)指向Vi的邊的數(shù)量；出度是指從Vi出發(fā)指向其它節(jié)點(diǎn)的邊的數(shù)量。假設(shè)水聲通信網(wǎng)絡(luò)中的邊是雙向連接，因此每個節(jié)點(diǎn)入度等于出度，從每個節(jié)點(diǎn)的度出發(fā)，可以得到水聲通信網(wǎng)絡(luò)的平均度、度分布參數(shù)等統(tǒng)計特征。

為了推斷水聲通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)度分布，需要考慮水聲通信網(wǎng)絡(luò)媒體接入控制協(xié)議（Medium Access Control，MAC）。水聲通信網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議分為競爭性和非競爭性，典型的MAC 協(xié)議包括載波偵聽多址協(xié)議（Carrier Sense Multiple Access，CSMA）、MACA（Multiple Access with Collision Avoidance）、協(xié)議和時分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）等。為了估計節(jié)點(diǎn)的度分布信息，針對不同MAC 協(xié)議，干擾者需要采取不同的估計方法，包括主動測量和被動監(jiān)聽等。主動測量方法需要發(fā)送大量的數(shù)據(jù)信息，這給水聲通信網(wǎng)絡(luò)造成極大的侵?jǐn)_，容易暴露干擾者自身信息。被動監(jiān)聽方法通過監(jiān)聽水聲通信網(wǎng)絡(luò)的報文交換過程以及報文內(nèi)容來推斷節(jié)點(diǎn)度信息。本文采用被動監(jiān)聽方式估計節(jié)點(diǎn)度分布。

1.2.1 水聲網(wǎng)絡(luò)被動監(jiān)聽估計節(jié)點(diǎn)度基本原理

本文主要針對目前在水下通信網(wǎng)絡(luò)研究最多且比較成熟的MACA 協(xié)議干擾。MACA 協(xié)議的基本原理是基于RTS/CTS（Request to Send /Clear to Send）握手預(yù)約信道的MAC 協(xié)議。MACA 協(xié)議握手機(jī)制如圖4 所示。

當(dāng)發(fā)送端有數(shù)據(jù)要發(fā)送，預(yù)約信道時，會發(fā)送一個短的RTS 包，包中含待發(fā)送數(shù)據(jù)包的長度。如果信道空閑且沒有被其它節(jié)點(diǎn)預(yù)約，接收端會發(fā)送CTS 包回復(fù)發(fā)送端，包中同樣也含了待發(fā)送數(shù)據(jù)包的長度。當(dāng)收到CTS 包之后，發(fā)送端立即開始傳輸數(shù)據(jù)包，其他能夠聽到RTS 包的節(jié)點(diǎn)推遲足夠長的時間，以保證發(fā)送端接收相應(yīng)的CTS 包（一般推遲時間為兩倍的最大傳播時延加上CTS 傳播傳輸時間），其他能夠聽到CTS 包的節(jié)點(diǎn)推遲足夠長的時間以保證目的節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)包（一般推遲時間為兩倍的最大傳輸時延加上數(shù)據(jù)包的傳輸時間）。

圖4 MACA 協(xié)議工作原理

如果接收節(jié)點(diǎn)的信道已經(jīng)被預(yù)約，它就會忽略收到的RTS 包。發(fā)送節(jié)點(diǎn)使用定時器，從發(fā)出RTS包的時刻開始計時。如果計時器超時，節(jié)點(diǎn)會在一個隨機(jī)的退避時間（多倍最大傳播時延加上RTS 的傳輸時間）之后重復(fù)發(fā)送信道請求。

估計節(jié)點(diǎn)度基本原理是基于MAC 層MACA 協(xié)議準(zhǔn)則，干擾節(jié)點(diǎn)基于信號長度對接收的信號進(jìn)行分類，默認(rèn)數(shù)據(jù)信號長度最長，然后采用相關(guān)方法，估計出不同的RTS 幀，從而偵聽出該干擾節(jié)點(diǎn)周圍網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可能的鄰居節(jié)點(diǎn)個數(shù)，從而估計該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的度大小，被動監(jiān)聽估計節(jié)點(diǎn)度流程如圖5 所示。

實(shí)際應(yīng)用中，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的RTS 幀結(jié)構(gòu)相同，但幀攜帶的信息不同，由于不同RTS 幀沒有相關(guān)性，相同RTS 幀具有相關(guān)性，從而可以識別不同的RTS幀，之后可以推斷出監(jiān)聽到請求幀類型個數(shù)，最終準(zhǔn)確的推斷出節(jié)點(diǎn)的度分布，為基于度分布的干擾節(jié)點(diǎn)部署方法提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.2.2 部署方法

具有較大度數(shù)的節(jié)點(diǎn)承載的流量相對較大，從而對網(wǎng)絡(luò)分組投遞成功率具有較大的影響，為此，干擾節(jié)點(diǎn)部署時應(yīng)該優(yōu)先部署在那些節(jié)點(diǎn)周圍，從而最大程度影響網(wǎng)絡(luò)的分組投遞成功率?；谶@種考慮，基于度分布的干擾節(jié)點(diǎn)部署方法主要包含5 個步驟，算法過程如下：

（1）通過被動報文監(jiān)聽，獲得N 個節(jié)點(diǎn)的信號強(qiáng)度及RTS 信息；

（2）分析獲得 N 個節(jié)點(diǎn)度的估計值D1, D2, …, DN；

（3）將節(jié)點(diǎn)按照度降序排序；

（ 4 ） 將 節(jié) 點(diǎn) 度 最 高 的 M 個 節(jié) 點(diǎn){V1, V2, …, VM}加入受干擾節(jié)點(diǎn)集合；

（5）形成受干擾節(jié)點(diǎn)集合V ={V1, V2, …, VM}。

在第（1）步，干擾節(jié)點(diǎn)通過被動監(jiān)聽獲得節(jié)點(diǎn)的信號強(qiáng)度、RTS 種類等信息，并通過網(wǎng)絡(luò)分析獲得節(jié)點(diǎn)度的估計值；在第（2）、（3）步中，對節(jié)點(diǎn)度進(jìn)行降序排序；第（4）步中確定度最大的M 個節(jié)點(diǎn)作為干擾對象，最終在第（5）步得到受干擾節(jié)點(diǎn)集合V ={V1, V2, …, VM}。

圖5 被動監(jiān)聽估計節(jié)點(diǎn)度流程

2 性能分析

為了驗(yàn)證基于度分布的干擾節(jié)點(diǎn)部署方法的有效性，本文基于OPNET 軟件進(jìn)行了仿真，首先設(shè)計了水聲通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并基于此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于度干擾對比方法的仿真，干擾節(jié)點(diǎn)使用RTS 重放干擾方法，目的是干擾網(wǎng)絡(luò)中的RTS 幀，使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間不能信息傳輸，最后針對不同的參數(shù)設(shè)置對性能的影響進(jìn)行了分析。

2.1 參數(shù)設(shè)置

設(shè)定網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)個數(shù)為N，部署M×N 的區(qū)域，每個節(jié)點(diǎn)的通信半徑為R。節(jié)點(diǎn)的部署區(qū)域中坐標(biāo)是隨機(jī)的，網(wǎng)絡(luò)路由層采用固定路由，MAC 層采用MACA 協(xié)議。每個節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生包服從泊松分布。干擾節(jié)點(diǎn)數(shù)量為JN 個，干擾半徑為R，干擾節(jié)點(diǎn)被部署后，影響其通信范圍內(nèi)的通信節(jié)點(diǎn)。參數(shù)設(shè)置為N=12，M=N=5000，R=1000。干擾節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署于網(wǎng)絡(luò)中，統(tǒng)計網(wǎng)絡(luò)吞吐量；然后用基于度分布的干擾節(jié)點(diǎn)部署方法，統(tǒng)計網(wǎng)絡(luò)吞吐量變化。根據(jù)參數(shù)設(shè)置，水聲通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖6 所示。

圖6 水聲通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 仿真結(jié)果及分析

仿真過程中，考察在相同負(fù)載條件下，不存在干擾節(jié)點(diǎn)以及采用兩種不同的干擾節(jié)點(diǎn)部署方法水聲通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量變化和丟包率變化。吞吐量變化如圖7 所示。由圖可知，在沒有干擾節(jié)點(diǎn)存在的情況下，水聲通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨著時間變化趨于最大，當(dāng)存在干擾節(jié)點(diǎn)時，水聲通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量明顯下降，干擾方法B 干擾效果明顯好于干擾方法A，可以較好的達(dá)到干擾效果。水聲通信網(wǎng)絡(luò)中丟包率隨著時間變化如圖8 所示。

圖7 水聲通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量變化

圖8 水聲通信網(wǎng)絡(luò)丟包率變化

由圖可知，無干擾情況下，水聲網(wǎng)絡(luò)中也存在丟包率，這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)中存在數(shù)據(jù)包碰撞，造成信道沖突，從而導(dǎo)致丟包，干擾方法B 丟包率明顯高于干擾方法A，達(dá)到約為89%，而干擾方法A 丟包率僅僅為46%左右。

在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[11]分析了不同協(xié)議干擾方法干擾效果。由于不同的協(xié)議干擾方法對水聲網(wǎng)絡(luò)干擾效果存在一定差異，但整體上基于度分布部署方法干擾效果優(yōu)于隨機(jī)部署的干擾效果。

3 結(jié)論

本文通過對干擾節(jié)點(diǎn)部署問題進(jìn)行了詳細(xì)描述，給出了干擾節(jié)點(diǎn)不同位置的優(yōu)化部署方法。針對水聲通信網(wǎng)絡(luò)，提出了基于網(wǎng)絡(luò)度分布的干擾節(jié)點(diǎn)部署方法，優(yōu)先選擇度較大的節(jié)點(diǎn)作為被干擾節(jié)點(diǎn)。仿真結(jié)果證明了所提部署方法可以有效降低水聲通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量。今后工作需要進(jìn)一步驗(yàn)證不同部署方法的性能，同時，需要進(jìn)一步考慮水聲復(fù)雜環(huán)境下，水聲干擾節(jié)點(diǎn)對水聲網(wǎng)絡(luò)干擾性能的影響并試驗(yàn)驗(yàn)證。