摘要

随着战斗空间迅速转移到网络领域,为无人系统制定安全、强大的路由协议至关重要。此外,纳米无人机的发展正在获得牵引力,为海上或陆地上的操作员提供了新的隐蔽能力。在战场上部署纳米无人机的飞行特设网络(FANET)会带来具体的性能和安全问题。本论文提供了一种新的方法来解决FANET路由协议所面临的性能和安全问题,在我们的案例中,专门为改进Ad Hoc 按需距离矢量(AODV)路由协议而定制。拟议的路由协议,即轻量级安全的Ad Hoc按需距离矢量(LS-AODV),使用轻量级流密码Trivium来加密路由控制包,提供保密性。该方案还使用基于Chaskey-12的消息认证码(MAC)来保证控制包的真实性和完整性。我们使用网络模拟器NS-3,将LS-AODV与两个基准路由协议AODV和优化链路状态路由(OLSR)协议进行比较,以衡量网络性能和安全优势。仿真结果表明,当FANET没有受到黑洞节点的攻击时,LS-AODV的性能普遍优于OLSR,但比AODV的性能略差。另一方面,当FANET受到黑洞攻击时,LS-AODV成为了首选协议。

第1章 简介

飞行特设网络(FANET)由飞行节点组成,如无人驾驶飞行器(UAV),在没有有线连接的情况下进行通信并合作完成复杂的任务。这些飞行节点需要一个分散的通信架构来在快节奏的动态条件下运行。与移动特设网络(MANET)或车辆特设网络(VANET)相比,FANET有几个突出的特点。FANET和类似的ad hoc网络之间的区别包括。

  • 三维空间移动(与主要在固定道路上运行的VANETS相比)。

  • 更高的节点密度(与在城市或农村环境中运行的VANETS相比)。

  • 更高的速度范围,30至460公里/小时(与10至120公里/小时的驾驶速度范围相比)。

  • 较低的能量储存能力。[1]

1.1 飞行Ad Hoc网络的应用

在许多军事和民用领域,FANET的部署正获得越来越多的关注。由于不需要有线基础设施,FANETs能够从战区外快速部署,因此对地面人员来说是非常宝贵的。因此,这些专门的网络非常适用于灾难响应、搜索和救援行动以及军事任务。

1.1.1 军事应用

2009年,美国国防部(DOD)表示,无人机在支持关键任务方面飞行了45万小时以上,包括 "持久自由行动 "和 "伊拉克自由行动"[2]。无人机在人类生命受到威胁的冲突地区特别有用。一个多无人机系统可以在大型战区提供实时监测和信号分析,并将该信息传递给地面的操作人员。然而,许多问题,特别是安全通信领域的问题,需要在多无人机系统能够完全执行其任务之前得到解决,同时部署在拥有无线拒绝能力的敌人面前。在2020年的一次无人驾驶飞行器系统会议上,负责作战要求和能力的海军作战部副部长吉姆-基尔比海军中将(OPNAV N9)提出了海军在部署多无人机系统时面临的基本问题。基尔比指出。

  • 所有这些无人驾驶飞行器的联网和控制、C2的能力是重大而重要的。考虑到对网络的这种需求的聚集,并理解到确保我们的网络足够强大,能够在许多不同类型的环境中处理我们所有的车辆[3]。

现代军队需要可靠和安全的通信网络,使部队指挥官能够进行大量的战争行动,如监视或武器部署。

1.1.2 民间应用

随着信息时代的发展,越来越多的民用应用开始依赖网络连接。FANET提供了一种在自然灾害期间恢复网络连接的替代方法。从事侦察或搜索和救援的紧急移动单位可以通过利用FANET架构大大增加其覆盖范围。典型的VANET在自然灾害期间可能会受到限制,因为通过道路和水路的可及性有限,而FANET可以在高海拔地区运行,没有移动性障碍[1]。

FANET在民用领域的其他作用包括作物监测、环境监测(污染程度、风、湿度、温度)和警察监视。它们还为其他特设网络提供支持[1]。例如,最近在《智能和机器人系统》杂志上的一项研究[4]展示了一个FANET在VANETs中监督和调节交通。

1.2 研究动机

海军陆战队目前部署了PD-100 "黑蜂 "纳米无人机,这是一种1.16盎司的微型无人机,能够进行侦察和监视行动[5], [6]。本论文设想了一个由这些纳米无人机组成的蜂群网络,部署在城市战区上空,合作处理并向地面部队传递实时信息。军事FANET中的纳米无人机必须减轻频繁的链路断开、不断的网络拓扑变化和能量存储限制的影响,同时在拥有无线拒绝能力的敌人的地区运行。

轻量级但安全的Ad Hoc On-Demand Distance Vector(AODV)路由协议[7]是克服军事级纳米无人机的FANET所面临的路由和安全挑战的首要候选方案。AODV是ad hoc网络中最广泛使用的反应式协议之一。它以最小的开销和最小的路由建立延迟在高度移动的节点之间提供通信[8]。限制FANET路由协议的加密安全足迹,可以将关键能量用于有效载荷、续航能力和增强操作能力。开发一个高效的安全机制,还可以使多无人机系统通过最大限度地提高吞吐量,确保一致的数据包交付率(PDR),并最大限度地减少网络抖动和延迟的影响,从而对即将到来的威胁做出快速反应,无论是军事还是民用。

1.3 研究贡献

本论文为海军研究办公室(ONR)的资助研究做出了贡献,以加强网络物理系统的网络安全分析。本论文提供了一种新的方法来解决FANET路由协议所面临的安全问题,并专门为改进AODV路由协议而定制。提出的方案使用轻量级流密码Trivium[9]来加密路由控制数据包,从而提供保密性。其次,该方案使用基于Chaskey-12的消息认证码(MAC)来保证控制包的真实性和完整性。

本论文的目的是在FANET架构中设计和评估新型的轻量级安全Ad Hoc按需距离矢量路由协议(LS-AODV)的性能。这篇论文提供了将Trivium流密码和Chaskey-12 MACs整合到网络路由协议中的首次公开尝试。在各种性能指标方面,LS-AODV与几个流行的ad hoc路由协议进行了比较,特别是优化链路状态路由(OLSR)和AODV。本论文中的工作是基础性的,有助于重振整个国防部对网络系统中轻量级流密码应用的讨论。实现以下四个主要目标是本论文的贡献。

  • 设计一个路由协议安全机制,使用轻量级同步流密码Trivium和轻量级基于交换的MAC算法Chaskey-12。

  • 将新的基于Trivium和Chaskey-12的安全机制整合到AODV路由协议中。

  • 评估在有和没有轻量级安全的最佳网络条件下的吞吐量、延迟、抖动、丢包和路由开销性能。

  • 评估黑洞攻击条件下的吞吐量、延迟、抖动、丢包和路由开销性能,并确定最佳网络配置以减轻对手的拒绝能力。

1.4 论文组织

本论文的其余部分组织如下。第二章概述了网络模拟器NS-3,比较FANET路由协议,以及必须解决的性能和安全问题。第三章讨论了通过使用轻量级同步流密码Trivium和基于Chaskey-12的MAC,使AODV路由协议适应军事FANET场景的拟议方法。第四章描述了仿真设置和参数选择。第五章介绍并分析了仿真结果。第六章对研究进行了总结,并对未来的工作提出了建议。

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