无线Mesh 网络安全体系设计*

胡伏湘

（长沙民政学院，湖南 长沙 410004）

无线Mesh 网络（Wireless Mesh Network-WMN）是一种多跳、具有自组织和自愈合等特点的新型宽带无线网络，是一种高容量、高速率的分布式网络，不同于传统的无线网络，它既吸收了无线局域网的特点，又融合了移动Ad Hoc 网络多跳的优势，是解决最后一公里无线宽带接入瓶颈问题的理解方案。无线Mesh 网络基于IP 协议，任何无线设备节点接入网络后，既能发送和接收信号，又具备路由转发功能，充当路由器，能与一个或多个对等节点进行直接通信，其最大好处在于：如果邻近的AP 由于流量过大而导致拥塞的话，数据可以自动重新路由到一个通信流量较小的相邻节点进行传输，直到到达最终目的地为止，即多跳（multi-hop）访问。

一、无线Mesh 网络的体系结构

WMN 的体系结构由无线骨干网和无线移动接入部分组成，前者的位置相对固定，由无线Mesh 路由器组成，提供无线回程功能，具有较少的移动性，无线移动接入部分由用户节点连接接入点AP 和无线用户终端节点组成。近端用户节点可以直接关联接入点，而距离骨干网节点较远的用户，可以通过其它用户中继后进入WMN，用户节点之间的互联具有自组织、自配置的特性。如图1 所示：

无线Mesh 网络通常包括三类节点：客户端（移动终端）节点、路由节点和网关节点，它是一个可靠、冗余的无线网络。当一个节点发生故障，其它节点还是可以通过一个或者多个中间节点互相连接后通讯，节点的接入和撤出都容易实现。

二、无线Mesh 网络的安全威胁

无线Mesh 网络是WLAN（无线局域网）和Ad Hoc（自组织）网络技术的结合，其体系结构决定了它固有的脆弱性和漏洞。

（一）通信链路的开放性

图1 无线Mesh 网络体系结构

WMN 节点之间的通信是建立在互相信任和协作的基础上，相邻节点的路由转发都是真实信息，事实上这种机制给窃听者提供了方便之门，在无线链路上增加节点无须认证和身份识别，因此易于受到主动攻击和被动攻击，也会导致信息失真，主动攻击会泄露机密，被动攻击使通信内容的可用性、完整性、不可否认性失效，一个伪造的节点可能导致网络通信过程的混乱。

（二）网络攻击

缺少物理层的保护导致网络不但容易遭受外部攻击，而且容易受到来自内部的攻击，WMN 没有控制中心，所有骨干节点和终端节点的地位平等，所以无法使用有线网络和无线网络中的CA 认证等控制中心进行安全管理，相应的保障措施与安全协议不能直接应用于无线Mesh 网络，而网络拓扑结构的动态性导致节点间的信任度不稳定，安全认证难度增加。外部攻击利用共享无线介质伪装成合法节点、拦截路由信息、插入伪造的路由信息造成节点无法通信，内部攻击则通过控制合法节点生成错误的路由信息进行攻击。

（三）路由攻击

WMN 的拓扑结构和节点位置的动态变化，攻击者主要针对路由信息和路由发现过程，对合法节点的路由表进行攻击，主要表现为五种形式：1.篡改路由表：恶意节点发送伪造的路由信息，或者篡改其他节点的有效信息，导致节点在选择路由时采用非优化路径甚至出现路由环，影响节点的正常通信或者信息泄露。2.黑洞攻击（blackhole）：恶意节点向接收到的路由请求包中加入虚假可用路由信息，欺骗其他节点同自己建立路由连接，窃取数据包并丢弃待转发的部分数据包。3.虫洞攻击（wormhole）：通常是由两个及以上处于较远位置的恶意节点合作完成，一个恶意节点运用用隧道方式将报文传给另一个恶意节点，造成两个节点间不超过两跳的假象，诱使其它节点通过此路由传送数据包，扰乱正常通信秩序。4.泛洪攻击（flooding）。恶意节点不断向合法节点发送通向无效节点的路由请求，通过网络泛洪消耗占用节点有限的路由表存储空间和处理时间，消耗系统资源，使合法节点无法及时接收和处理其它节点的连接请求，从而降低节点的处理能力乃至拒绝服务（DoS）。5.女巫攻击（Sybil）：一个节点通过将一个物理设备伪装成多个节点身份，获取多个节点的网络资源，影响路由协议的运行，导致资源分配的混乱。

三、无线Mesh 网络安全体系设计

在设计无线Mesh 网络的安全机制时，首先需要提供合法用户与非法用户的检测方法，将外部攻击阻止在骨干网以外；同时不能给网络增加过多的负担，尽量减少对带宽资源和处理速度的占用；还要有较好的容错性和扩充性，当自身遭受攻击时，能够自我修复，快速响应拓扑结构的变化。

（一）基本安全框架设计

根据无线Mesh 网络存在的主要安全隐患，设计出由身份认证服务器、防火墙（FW）、入侵检测系统、故障诊断与自修复四个部分组成的安全防制体系，如图2 所示。

图2 无线Mesh 网络安全框架

防火墙通过包过滤等手段隔离外部网络与内部网络，阻止来自Internet 的攻击，身份认证服务用于识别合法用户并分配权限，阻止非法用户进入，入侵检测系统IDS 通过分析通信流，检测出已经成功穿过网络边界的攻击者的恶意行为，防止破坏性信息的扩散。

（二）通过身份认证阻止外部攻击

身份认证以建立在内部网络与外部网络（主要是Internet）之间的一道关卡，所有由外部网络进入WMN 的用户必须经过身份认证服务器的识别，采用网络身份证和动态口令相结合的方法。访问网络资源的用户，向认证服务器发出请求，认证服务器记录其IP 地址和机器名等相关信息，然后创建一个唯一的网络身份证分发给用户，并设置类型和操作权限，在用户登录时，随机产生一个动态口令，要求在较短的时间范围内输入口令，超时作废，反复发送请求或者多次输入无效者将被视为非法用户，处理方式是冻结此账户。

（三）运用加密技术防御窃听攻击

无线介质的开放性，更加容易受到入侵者的监听，入侵者通过安置木马等方式向网络发送大量的虚假数据包，回收其它节点的响应包，从而对这些包进行分析以获取合法用户的通信内容和敏感信息。针对这一类型的攻击，可以在骨干网的节点上采用加密技术来防御。通过对无线信道传输的数据进行加密处理，保证节点的认证过程和传送的路由信息都得到加密算法的支持，即使通信双方的数据被截获，也难以破解其真实内容，保证了通信过程的安全性。

（四）运用入侵检测系统防御路由攻击

入侵检测系统（IDS）是依照一定的安全策略，通过软硬件和网络系统的运行状况进行监视，尽可能发现各种攻击企图、攻击行为或者攻击结果，以保证网络资源的机密性、完整性和可用性，基于主机的IDS 以操作系统记录、应用程序日志以及加载的内核模块作为审计日志进行入侵检测，基于网络的IDS以捕获的数据包作为审计日志进行入侵检测。

入侵检测过程的设计方法是：首先，将合法用户的正常行为特征保存在IDS 服务器数据库中，利用IDS 的信息收集模块捕获泛洪等方式发出的异常数据，运用入侵检测分析算法将异常信息和行为特征文件进行比较，任何超过基线的行为将被视为入侵，激活响应机制，屏蔽信息源节点。其次，建立并逐步完善入侵模型库，将收集到的异常代码与入侵模型逐一对比，当相似度达到一定的阈值时即可认定为入侵。第三，在网络中安装适当数量的汇聚点，实时监控网络流量，如果某一节点频繁发出无效数据包，则启动预警程序，进入警戒状态，对可疑节点全方面监听与处理。其入侵检测算法如下：

四、结语

针对无线Mesh 网络体系结构的特点，分析了它存在的安全威胁，以此为基础设计了这种网络的安全框架并探讨了相关算法。但由于无线网络链路的开放性和拓扑结构的不稳定性，决定了其安全技术涉及到硬件、软件和接入管理的各个方面，在安全路由算法、入侵检测模型的设计和链路加密等领域并未做过多的研究，这也是下一步要研究的内容。

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