面向无人机自组网的路由消息完整性保护方法

郭晶晶 高华敏 刘志全 王立波 张兴隆

摘要：安全性是无人机自组网路由协议面临的重要挑战之一。针对现有工作对分级路由协议中拓扑构建消息安全性防护的不足，本文针对分级无人机自组网的路由协议提出了一种拓扑构建消息的安全保护方案，该方案可以保证分级无人机自组网在拓扑建立过程中节点间交互消息的完整性，从而避免完整性遭到破坏的信息被用于网络拓扑构建以及创建路由的过程中，提高路由协议的健壮性与可靠性。针对拓扑消息中的静态信息提出了基于联盟区块链的完整性验证方法，减少了整个方案的计算与传输开销。通过对所提方案进行安全性分析，证明了该方案能够有效抵御拓扑消息传输过程中的假冒攻击和消息篡改攻击。最后，通过仿真试验分析了该方案在不同无人机自组网路由协议中的性能。试验结果表明，该方案的时间开销小于100ms，内存开销小于路由总开销的35%。

关键词：无人机自组网；分级路由协议；完整性保护；网络安全

中圖分类号：TP393文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2022.04.005

基金项目：国家自然科学基金（62032025，62102167）；航空科学基金（20185881015）

无人机自组织网络（UAV Ad-hoc Networks， UANETs）是移动自组织网络（Mobile Ad-hoc Network， MANET）在无人机领域的典型应用之一。因具有自组织、移动性、拓扑动态性和抗毁性强等特点，无人机自组织网络目前在军用和民用领域都具有广泛的应用[1]，如地质勘测、抢险救灾、区域侦察[2]和无人集群协同作战[3]等。无人机自组织网络的拓扑结构主要分为平面网络结构与分级网络结构，分级网络结构更适合于规模中等及以上的无人机自组织网络。在分级网络结构中，网络节点被分为若干个簇，每个簇拥有一个簇头节点和若干个簇成员节点，其中簇头节点负责管理簇内的其他节点并与其他簇的簇头节点通信，簇成员节点需要与其他节点通信时，首先将消息发送给其簇头，再由簇头将消息转发至目的节点。

因为开放的无线通信环境，灵活多变的协作模式，无人机自组网在构建拓扑与建立路由过程中容易遭受内、外部攻击。在网络拓扑构建过程中，无人机自组网主要面临的安全威胁包括篡改攻击、假冒攻击等，若拓扑构建消息的完整性遭到破坏，将导致错误的数据被用于网络拓扑构建，形成无效或低效拓扑结构。现有的无人机自组网安全性保护的相关工作主要集中于网络拓扑建立后节点间传输消息时的身份合法性验证、消息机密性保护、消息完整性保护、恶意节点检测[4]等领域，缺乏针对网络拓扑建立过程中的消息安全性保护机制，现有少量针对拓扑消息的安全防护方案均适用于平面网络结构的无人机自组网[5-9]，无法直接应用于分级网络结构。

针对这一问题，本文提出了一种无人机自组织网络分级路由协议中的路由消息安全性保护方案。在该方案可以保证分级网络结构的无人机自组网在拓扑建立过程中节点间交互消息的完整性，从而避免完整性遭到破坏的信息被用于网络拓扑构建以及创建路由的过程中，提高路由协议的健壮性与可靠性。

本文工作的创新之处主要包括以下三点：（1）针对无人机自组织网络分级路由协议提出了拓扑构建消息的完整性保护方案，该方案可以避免完整性遭到破坏的信息被用于网络拓扑构建以及创建路由的过程中，提高路由协议的健壮性与可靠性。（2）为了减少所提方案对整个网络性能的影响，针对拓扑消息中的静态信息提出了基于联盟区块链的完整性保护方案，减少了整个方案的计算与传输开销。（3）针对所提方案进行了安全性分析，结果表明所提方案可以有效抵御完整性破坏攻击（假冒攻击和消息篡改攻击），通过仿真试验验证了所提方案不会对原有路由协议造成严重的额外资源开销。

1研究现状

随着无人机自组网的应用越来越广泛，国内外学者已经提出了大量的无人机自组网路由协议，然而目前针对路由协议的安全保护机制的研究较少，若无法保证路由建立过程中信息的完整性，恶意信息有可能被用于建立网络拓扑以及路由路径过程中，从而导致网络拓扑不稳定、路由效率低下等问题，为网络性能带来极大的负面影响。

1.1无人机自组网路由协议

从网络拓扑结构角度出发，无人机自组网的路由协议主要可以分为不分级路由协议和分级路由协议。其中，不分级的路由协议适用于平面网络结构，在网络中所有节点地位平等，都具有转发与路由的功能，现有的经典协议包括按需距离矢量路由（ad-hoc on-demand distance vector， AODV）[10]、最优链路状态路由协议（optimized link state routing protocol， OLSR）[11]、动态源路由协议（dynamic state routing， DSR）[12]、地理位置路由协议GPSR、基于地理位置综合选择下一跳的航空自组网安全路由算法（secure geographic information routing protocol，SGRP）[13]等。然而在复杂任务情境下，随着无人机自组网中无人机节点数量的增加，为了均衡无人机节点负载、提高网络的稳定性，分级路由协议成为了研究的热点。现有的经典分级路由协议主要包括：以网络节点唯一标识符ID号为因子的LowestID分簇算法[14]；考虑节点移动因素的基于移动性预测的分簇算法（mobility based metric for clustering， MOBICI）[15]；旨在优化能源消耗的分簇算法（imperialist competitive algorithm，ICA）[16]；基于权重的分簇算法（weighted clustering algorithm，WCA）[17]以节点的能量、节点度、节点间的距离和节点的移动速度作为节点竞选簇头的衡量标准，对网络进行分簇，实现网络的分级管理；基于可靠性的分簇算法（dependability-based clustering algorithm，DCA）[18]以节点能量、链路保持率、节点度和通信量为因子划分簇网络，分别以增强拓扑稳定性、节约能量、提高服务质量为目标调整分簇过程中各因子的比重，最大程度实现网络拓扑稳定、减少能量消耗或提高网络服务质量。上述分级路由协议中，路由的形成均建立在构建网络分级拓扑结构的基础上，即完成网络节点的分簇。

1.2无人机自组网路由安全保护机制

与有线网络相比，通过无线介质通信的无人机网络更容易受到攻击，攻击者可能通过窃听网络层的控制信息发起一系列恶意行为扰乱路由机制[5]。暴露在易受攻击的无线环境下，无线自组网的网络信息安全传输必须满足数据通信的安全和路由协议的安全两个方面[6]。当前，有学者提出了一些保护无人机自组网路由协议的方案。Manel针对AODV协议提出了安全增强方法（secure ad hoc ondemand distance vector， SAODV）[6]，用来保护路由发现阶段信息与路由错误信息的安全性。Jean-Aimé等提出了SUAP[7-9，19]安全协议，该方案结合哈希链与公钥密码机制抵御数据通信过程中的虫洞攻击，从而实现对AODV协议的安全性保护。这些方案均针对非分级路由协议提出，无法直接应用于分级路由协议中。通过调研，我们发现目前针对分级路由协议的安全保护机制的研究较少，亟须设计一种高效、轻量级的分层路由协议安全保护机制，保证在构建网络拓扑结构过程中节点间传输的拓扑构建信息的完整性，避免因恶意攻击或故障导致错误信息被用于拓扑构建过程，形成低效或无效拓扑，对上层服务产生负面影响。

在数据完整性保护方面，除了利用哈希函数与数字签名技术，区块链因其可追溯、不可篡改的特点也越来越多地被用于保护信息的完整性。参考文献[20]提出了一种基于区块链的无线传感器感知数据记录系统，保护敏感数据不被篡改，提高无线传感器网络的可靠性。参考文献[21]提出了一种基于区块链的云存储数据完整性服务框架，为数据所有者和使用者提供可靠的动态数据完整性验证。

针对当前分级无人机自组网路由协议安全保护机制缺失的问题，本文提出一种无人机自组织网络分级路由协议中的路由消息安全性保护方案。该方案可以保证分级网络结构的无人机自组网在拓扑建立过程中节点间交互消息的完整性。在该方案中，利用区块链技术存储静态拓扑消息并验证和确保其完整性，同时减少所提方案的资源开销。

2基本理论

在本文所提方案中，用到了基于椭圆曲线加密算法的数字签名以及区块链技术来实现分级路由协议中拓扑信息的完整性保护。

2.1椭圆曲线数字签名算法

椭圆曲线数字签名算法（elliptic curve digital signature algorithm， ECDSA）是使用椭圆曲线密码（elliptic curve cryptography，ECC）对数字签名算法DSA的模拟[22]。该算法主要包括密钥生成、签名、验证签名三个部分，细节如下所示。

如果等式（7）成立，则签名验证通过，说明消息M的完整性未受到破坏。否则，验证不通过，说明消息M的完整性遭受破坏。

2.2区块链技术

区块链概念起源于2008年发布的比特币白皮书[23]，其本质上是一种由多方参与的去中心化数据库，也就是由存储各参与方交易信息的区块结合哈希链算法构成的共享账本[24-25]。从计算机技术角度看，它融合了分布式存储、对等网络、密码学原理、智能合约和共识机制等技术[26]。区块链可分为非许可链（permissionless blockchain）和许可链（permissioned blockchain）两类。任何参与方都可以随时加入非许可链网络并参与计算；在许可链网络中，每个参与方加入网络前都需要经过认证授权，许可链进一步可分为私有链（fully private blockchain）和联盟链（consortium block chain）[27]，如hyperledger fabric就是联盟链的典型实现。

本文将利用联盟链的特性，设计路由过程中的静态拓扑消息的完整性验证方案，将各节点用于拓扑消息中的静态数据（如节点身份标识等）及其签名数据存储于区块链中，在完整性验证期间，通过访问存储于链上的对应信息来验证拓扑消息中的静态信息是否遭到完整性破坏，避免多次传输与计算这些信息及其签名数据，降低所提方案的计算与通信开销。

3系统结构与安全目标

本节我们首先给出所提方案考虑的无人机网络架构，并对现有无人机自组网分层路由协议中网络拓扑构建过程中节点间的交互消息进行了分析，然后给出了无人机自组网拓扑消息的敌手模型，最后提出了本文的设计目标。

3.1无人机网络架构

本文所考虑的无人机自组织网络由一个地面站以及若干个无人机节点组成，所有无人机节点被划分为若干个簇，每个簇由一个簇头及若干个簇内节点组成，簇头负责管理簇内节点完成簇内通信，所有的簇头与地面站构成无人机自组织网络的骨干通信网，负责完成簇间通信任务。在以上所述网络架构上提出的拓扑消息完整性保护框架如图1所示。

地面站作为可信第三方部署了密钥管理中心负责为网络中各节点生成公私钥对，认证中心（CA）采用PKI（public key infrastructure）架构负责在节点加入网络时为其签发证书并对所有证书进行管理。各无人机节点与地面站共同建立联盟区块链网络，与拓扑消息中的静态数据完整性保护相关的数据将存放在该区块链中，并可以在静态消息完整性验证时被节点或地面站访问。

在现有的无人机自组网分层路由协议中，拓扑构建（簇结构形成）过程中节点间进行交互的消息可以分为广播消息与单播消息两类。

广播消息主要包括无人机节点向外发送的用于邻居发现、效用公布、簇头声明的消息以及地面控制站向无人机节点发送的指令消息。无人机节点发送的广播消息只发送给其一跳邻居节点（单跳），而地面控制消息可能需要無人机节点的转发（多跳）从而将指令消息发送给所有节点。4种广播消息的具体介绍如下。

（1）邻居发现消息：消息内容主要包含消息类型、发送者身份、发送者基本信息（位置、速度等）、时间戳和随机数等。

（2）效用公布消息：消息内容主要包含消息类型、发送者身份及发送者的效用值（在特定范围内效用值最大的节点将被选举为簇头）、时间戳和随机数等。

（3）簇头声明消息：消息内容主要包含消息类型、发送者身份、簇头声明标识、时间戳、随机数等。

（4）地面控制消息：消息内容主要包含消息类型、发送者身份、指令、指令参数、时间戳、随机数等。

单播消息主要包含簇加入请求消息（节点请求加入某个簇），簇头节点对簇加入请求消息的响应，以及节点向地面控制站发送指令确认消息。其中，前两种消息不会被转发（单跳），而指令确认消息可能需要其他节点的转发（多跳），从而将消息从发送者送达地面控制站。下面对这三种单播消息进行具体介绍：（1）簇加入请求消息：消息内容主要包含消息类型、发送者身份、簇头节点身份、时间戳、随机数等。（2）簇加入请求响应消息：消息内容主要包含消息类型、发送者身份（簇头）、响应对象身份（发起簇加入请求的节点）、时间戳、随机数等。（3）指令确认消息：消息内容主要包含消息类型、发送者身份、指令序列号、时间戳、随机数等。

综上所述，分层次的拓扑消息中所包含的数据可以分为静态消息与动态消息，静态消息表示其内容在某节点发送的不同拓扑消息中保持不变，如发送者身份；动态消息表示其内容在同一节点发送的不同消息中可能会发生改变，如邻居发现消息中的位置、速度信息，效用公布消息中的效用值，簇加入请求消息中的簇头节点身份，以及各个消息中包含的时间戳与随机数。

3.2敌手模型

我们假设攻击者S可以是未加入网络的陌生节点，或是网络内部的任意无人机，在网络拓扑构建过程中地面站是可信的，攻击者S无法对地面站进行攻击，但是能够进行拓扑消息的拦截、窃听、篡改及重放。

本文中，我们将网络拓扑建立过程中地面站、网络节点间发送的这些消息统称为拓扑消息。上文所述敌手行为可能会造成拓扑消息在传输中受到敌手的篡改、重放等攻击，导致错误的数据被用于网络拓扑构建，形成无效或低效拓扑结构。

3.3安全目标

针对无人机网络面临的以上安全威胁，本文拟设计一种针对无人机自组网分层路由协议中拓扑构建过程中的拓扑消息完整性保护方案，使得拓扑消息中的信息无法在被篡改或重放后通过消息接收方的验证，确保消息接收者可以通过所提方案来确认消息是否被篡改或重放；同时，确保所提方案不给原有路由协议带来过大资源开销。

4拓扑消息完整性保护方案

基于上一节对分层次拓扑消息的分析，我们从不同消息类型的角度出发分别为静态消息与动态消息设计完整性保护方案。针对静态消息，我们拟利用区块链的不可篡改性实现完整性保护。此外，我们拟基于公钥加密体制实现动态消息的完整性保护。

4.1方案框架

拓扑消息完整性保护流程图如图2所示。假设在无人机自组网建立路由的过程中（包括分簇阶段与通信链路寻找阶段），无人机节点A向节点B发送消息M。为了保护消息M的完整性，节点A将根据消息M的具体特点进行不同操作。首先节点A根据消息M的类型将消息M所包含的字段划分为动、静态消息两类，根据消息M中各字段所属的类别分别计算每个字段的摘要，其中动态消息的摘要通过哈希函数计算得到，静态消息摘要可以通过访问本地存储表或读取区块链数据获得，区块链的不可篡改特性既保证了静态消息的完整性，又避免了重复计算静态消息的摘要，减少了计算与时间开销；最后，节点A对消息M及其摘要进行签名，当节点B收到消息M后，对M进行完整性验证，在验证通过后，将基于该消息中的信息进行拓扑构建。

4.2完整性保护方案

下文将给出本文所提方案的详细内容。

4.2.1系統初始化

当节点加入无人机自组网时，在CA处完成注册，KMC为节点生成密钥对后，CA为其颁发证书。所有网络节点构建静态信息联盟区块链网络用于存储各节点的拓扑消息中的静态信息哈希值（摘要）。节点上链信息的计算方法如算法1所示。当节点静态信息摘要记录于区块链后，区块链网络中所有客户端均可以通过将节点身份标识作为关键字对节点信息进行检索与访问。

4.2.2消息完整性保护

单跳消息的完整性保护方法如算法2所示。消息发送节点IDi在发送消息m前，首先利用哈希函数H（）计算动态信息的哈希值，然后利用其私钥对静态消息哈希值与动态消息哈希值进行签名（静态消息哈希值在初始化阶段已计算得到），最后将消息及签名一同发送至消息接收方。

算法3给出了多跳消息的完整性保护方法。首先，消息的发送者IDi根据算法2中的方案发送消息，当该消息被转发节点收到后，转发节点首先检查该消息的完整性，如果该消息通过完整性验证，那么转发节点可以确认该消息的内容与发送者发送的内容一致，未遭受篡改、重放等攻击；接着转发节点将对其增加的静态信息与动态信息分别执行哈希运算，最后对静态信息与动态信息的哈希值进行签名，并按照算法3中第10行的规则更新消息并转发消息至下一跳节点。当消息的目的节点接收到该消息后，将对所收到的消息的完整性进行验证。若验证通过，则利用消息中的信息进行拓扑构建。消息的完整性验证方法将在下文详细介绍。

4.2.3消息完整性验证

如上文所述，当某节点接收到其他节点发来的消息后，首先需要验证该消息的完整性。算法4详细给出了消息接收节点（包括消息目的节点与转发节点）验证消息完整性的方法。

5安全性分析

5.1手动分析结果

本节将分析所提方案针对常见的完整性破坏攻击的安全性。

5.1.1假冒攻击

攻击方式：攻击者S假冒合法节点A伪造新消息发送给节点B。

5.2自动化分析结果

Scyther[28]是一种实现安全协议自动化分析的工具，我们利用Scyther对本文所提方案进行了安全性形式化验证。

接下来，在通信过程中，每个角色既是发送方也是接收方。第一轮通信事件中，角色I作为发送方首先对动态明文信息、时间戳以及随机数计算消息摘要，然后利用I的私钥SKI对摘要签名，并执行发送事件send_1（）将消息内容与签名一同发送给作为接收方的R；接收方R通过接收事件recv_1（）接收来自send_1（）的信息，并利用哈希函数和发送方I的公钥进行摘要计算和签名验证，若通过验证，则角色R作为发送方对作为接收方的角色I发起第二轮通信，即执行发送事件send_2（）与接收事件recv_2（）。

最后，根据本方案对拓扑信息的完整性保护的需求，我们声明协议的三个安全属性：存活性（Alive）：只要角色参与过该协议即满足存活性认证，表明角色可能与任一角色或攻击者通信。非单射一致性（Niagree）：发送方和接收方的协议分析结果中的数据变量集合是一致的，若数据变量集合不满足一致性，则说明有攻击者通过重放攻击成功误导两个参与方主体使得协议结束后数据变量集合的某些变量值不同。非单射同步（Nisynch）：只关注发送和接收事件中消息的内容和顺序，即保证消息完整性的安全需求。如果攻击者不篡改消息内容仅转发消息，这种情况在非单射同步声明中不被认为是攻击）。安全声明描述如下。

使用Scyther自动化工具执行验证的结果显示，本文的安全协议在限制范围内没有找到攻击，并且通信双方的安全属性声明（alive， niagree， nisynch）全部满足。证明了通信双方（I，R）基于本方案的通信和认证过程是安全的。

6试验仿真与分析

6.1试验设置

基于OPNET平台搭建无人机自组织网络仿真环境，对所提方案进行性能验证。WCA[7]与DCA[10]协议都是基于分簇结构的经典无人机自组网路由协议，路由建立过程中均包括了广播、单跳和多跳消息传输的过程，并且消息中均包含動、静态两种信息，符合所提出的路由协议安全保护机制的假设条件，因此我们选择以上两个协议作为试验分析对象。首先，在仿真平台实现WCA和DCA两个路由协议；然后，分别在以上两种路由协议中引入本方案所提出的完整性保护机制，以此来验证本文所提方案在不同路由协议中的有效性。路由协议的试验仿真参数见表2，试验硬件环境见表3。

6.2试验结果

在试验过程中，我们设置网络中无人机节点在仿真区域范围内均匀分布、初始速度一致、初始能量一致。WCA与DCA都属于典型的分层次路由协议，满足本文所提安全保护方案的适用范围，我们将本方案引入到以上两个协议，分别称为WCA_Sec和DCA_Sec，来测试方案在整个无人机网络系统的时间开销和内存开销。图5与图6是在上述设置下得到的试验结果。

在不同网络规模下（节点数=10，20，50，100），本方案对WCA和DCA协议的分簇时长的影响如图5所示。可以看出，在WCA路由协议中引入安全方法后（WCA_Sec）的分簇时长增量均小于100ms，引入本文所提安全保护方案对于协议的快速分簇性能影响不大。DCA协议在初始簇划分过程中使用了Lowest-ID分簇算法，该算法由地面站根据无人机节点的ID号迭代执行选举簇头和入簇的过程，不同于WCA路由协议中无人机之间相互通信协作进行自主分簇的过程，所以在DCA协议中引入本文所提安全保护方案对初始簇形成时长没有影响。

图6给出了在不同网络规模下（节点数=10，20，50，100）本文所提安全保护方案在WCA和DCA协议中针对整个无人机网络系统的内存开销情况。当网络节点数为10时，本方案在被测试协议中的内存开销均小于无人机网络系统总开销的5%；当网络节点数为20时，WCA协议中本方案的内存开销占无人机网络系统总开销的24%，DCA协议中本方案的内存开销占无人机网络系统总开销的4%；当网络节点数为50时，WCA协议中本方案的内存开销占无人机网络系统总开销的25%，DCA协议中本方案的内存开销占中无人机网络系统总开销的8%；当网络节点数为100时，WCA协议中本方案的内存开销占无人机网络系统总开销的33.5%，DCA协议中本方案的内存开销占无人机网络系统总开销的11%。结果表明，在两种被测试的路由协议中引入本文所提安全保护方案的内存开销均小于无人机网络系统内存总开销的35%。由于WCA和DCA协议运行时会动态更新无人机网络的分簇结构，拓扑结构的变化导致链路中断的节点频繁使用AODV协议更新路由。在前期研究中发现，相同网络环境下WCA协议的分簇结构更新次数大于DCA协议，网络节点通过AODV协议建立路由开销大于DCA协议，因此WCA协议所带来的开销高于DCA协议。

試验结果表明，本文所提方法通过联盟区块链技术减少了拓扑消息中静态信息的完整性保护带来的传输和加密计算，有效降低了时间和内存开销，使得该方法更加轻量级，其少量的额外开销没有影响路由协议的正常工作。

7结束语

近年来，无人机自组网在军用与民用领域的应用越来越广，路由协议的安全性是无人机自组网领域面临的重要挑战之一。本文针对无人机自组网分级结构路由协议，重点分析了无人机自组网拓扑信息的特征与协议的安全性需求，提出了针对拓扑消息的轻量级完整性保护方案，保证消息内容不被篡改，从而避免被篡改消息在网络拓扑构建中被利用而形成无效或低效路由。通过非形式化与形式化的安全性分析证明了本文所提方案可以有效抵御假冒攻击和消息篡改攻击。最后，通过试验仿真验证了本方案在时间与内存开销方面对路由协议的影响均在可接受范围内。

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Integrity Protection Method of Routing Message for UAV Ad-hoc Networks

Guo Jingjing1，Gao Huamin1，Liu Zhiquan2，Zhang Xinglong3

1. Xidian University，Xian 710071，China

2. Jinan University，Guangzhou 510632，China

3. National Key Laboratory of Science and Technology on Integrated Control Technology，AVIC Flight Automatic Control Research Institute，Xian 710065，China

Abstract： Security is one of the important challenges that UAV Ad-hoc Networks （UAVNETs） routing protocols is facing. Focusing on the lack of security of topology construction messages on the clustered UAVNETs routing protocols， this paper proposes a security scheme for topology messages of clustered UAVNETs routing protocols（SecUAV）. SecUAV can ensure the integrity of the messages exchanged between nodes in the clustered UAVNETs during the topology construction so as to prevent the tampered information from being used in the network topology construction and route creation， and improve the robustness and reliability of routing protocol. Aiming at the static information in the topology message， an integrity verification method based on the consortium blockchain is proposed， which can reduce the calculation and transmission overhead of the entire scheme. We conduct an informal and formal analysis on this scheme， and prove that the scheme could flight against impersonation attack and message tampering attack during the transmission of topology messages. Finally， we simulate and analyze the performance of several UAVNETs clustering protocols with SecUAV. The experimental results show that the time consumption of SecUAV is less than 100ms and the memory cost of SecUAV is less than 35% of the routing cost.

Key Words： UAV Ad-hoc networks； routing protocols； integrity protection； network security