第一章绪论
1.1 课题背景
无线Ad Hoc网络指完全由无线移动节点构建的网络，无需任何预先架设的固定设施。网络中各节点的地位平等，无中心控制机制。Ad Hoc网络采用无线传输技术，节点的发送功率受到限制，一个节点发送的信息，只有一跳范围内的节点可以听到，在此范围之外的节点接收不到。因此所有的节点都具有路由转发的功能，较远距离节点间的通信需要多跳节点的转发才能完成。基于以上几个方面，Ad Hoc网络又称为自组织网络（Self-Organized Network）、无固定设施网络(Infrastructureless Network)或多跳无线网（Multi-Hop Wireless Network）。
由于Ad Hoc网络具有无需固定设施易于快速动态构建、节点对等易于扩展、自组织性好、抗毁性强等特点，在民用及通信领域均有较为广泛的应用。
对于Ad Hoc网络，当前的研究很多，主要集中在信道接入技术、网络体系结构、路由协议、服务质量保证、安全问题、能耗节省机制等诸多方面。
其中，信道接入技术是Ad Hoc网络协议的基础，控制着节点如何接入无线信道。对于它的研究重点在于解决多跳共享的多点信道存在的特殊问题，提高网络的性能。
对于网络体系结构的研究，集中于平面式与层次式（或称“分簇式”）。平面式的研究侧重于协议栈的设计，分簇式结构的研究则关注分簇机制和分簇算法。
路由协议是多跳网络通信必不可少的重要部分。根据发现路由的驱动模式不同，可分为表驱动路由协议（Table Driven Protocols）和按需路由协议（Source-Initiated On-Demand Protocols）。根据不同的网络体系结构，又分为平面结构的路由协议（Flat Protocols）和分簇路由协议（Clustered Protocols）。现有的研究多集中于以上协议的开发。
对服务质量保证的研究关注于网络的不同层次均要提供相应的机制。
对安全问题的研究日趋重要，因为Ad Hoc网络安全性较差，易受窃听和攻击。主要侧重于Ad Hoc网络安全体系及安全技术的研发。
Ad Hoc网络能够大规模应用的一个重点问题是能耗，目前的研究热点包括自动功率调整机制、智能休眠机制等。
从以上论述可以看出，Ad Hoc网络的研究有许多值得关注的方面和热点。
1.2 选题意义
本选题的研究重点在于分簇式网络体系结构及其路由协议，并全面考虑Ad
Hoc网络的安全体系。
通过对国内外相关文献资料进行学习和探索，我们发现，当前对分簇算法的研究已有大量成果；基于平面结构的路由算法已很成熟，分簇式路由算法虽然不多，但有切实可行的方案；部署在平面式Ad Hoc网络上的安全机制有了一定进展，分簇式Ad Hoc网络的安全问题也备受关注，有些工作卓有成效。
然而，同时结合了分簇式结构及路由算法，并在Ad Hoc网络中构建全面安全体系的研究并不多见。本课题即致力于这方面的研究。
1.3 论文主要工作
通过对CBRP（Clustered-bad Routing Protocol）协议的研究及仿真实验，并且考查了Ad Hoc网络现有的安全机制，我们提出了一种创新的分簇式安全路由协议CBSRP(Clustered-bad Secure Routing Protocol)。
本协议采用了将预先设置与实时选举相结合的分簇算法，并将(k,n)门限加密体系应用于高层的簇首网络，在低层的网络中则采用局部保证、簇首认证的机制，构建起整个网络安全的基础——身份认证，从而为后续的路由、通信提供了安全保证。
在路由算法方面，本协议采用了类似于CBRP的分簇路由协议，但在路由信息传输的过程中，依靠数字签名及哈希链验证模式等确保路由信息的安全可信。
在通信方面，本协议在簇内通信中采用了对称密钥体系，簇间通信则采用了公钥体系，以保证数据信息的安全。
本论文的主要工作如下：
1．分析了现有Ad Hoc网络中关于分簇、路由及安全的相关成果
2．研究了CBRP协议，通过仿真，实现了该协议
3．提出了CBSRP协议，从理论上对其安全性、可行性进行了分析，并在网络仿真平台上加以实现
4．通过仿真实验，比较了CBRP与CBSRP协议，侧重于CBSRP可行性及性能方面的研究。
1.4 论文结构
论文第二章介绍了Ad Hoc网络，重点对当前Ad Hoc网络上关于分簇算法、路由算法及安全机制的研究成果进行了分析和讨论。第三章概述了网络仿真软件OMNeT++，介绍了该软件的基本架构、离散
事件模拟机制，并简要说明了使用其进行网络仿真的步骤、如何实现协议及对无线网络框架的支持。第四章介绍了CBRP协议，详细阐述了仿真实现该协议的方案，提出了若干改进措施，并对
CBRP进行了分析。第五章提出了本论文的核心——CBSRP协议，概述了其设计思想，详细阐述并分析了协议的安全机制、分簇算法、路由及通信机制，并列出了仿真方案。第六章主要对CBRP及CBSRP仿真实验结果进行了分析，重点探讨了CBSRP的可用性及性能等。第七章对整篇论文进行了总结并提出了对今后工作的展望。
第二章Ad Hoc网络概述
2.1 简介
现代通常提及的移动通信网络多数都是集中式、有中心的，基于预先架设的网络基础设施才能运行，如蜂窝移动通信系统需有基站及移动交换中心等功能设施的支持；无线局域网一般工作在有接入点和有线骨干网的模式下。但对于某些应用场景，预先架设固定设备的方法不可行或设备已损坏，这种情况下集中控制的模式无从应用，如地震后救援小组成员之间的通信、野外科学考察、临时会议时的通信等等。这时需要一种能快速即时自动组织的移动通信网络，Ad Hoc网络技术应运而生。除了以上领域，在一些商用方面，如传感器网络、虚拟课堂等的应用中，Ad hoc技术也有非常广阔的发展空间。
Ad Hoc网络一般称为无线自组织多跳网络，它是一种由许多无中心的、处于对等位置的无线移动节点构成的网络体系。在彼此广播(radio)范围内的节点通过发射、接受无线电波信号直接通信，而在此范围之外节点的通信则需经其他节点转发数据而实现。因此该网络中的节点往往同时充当终端主机与路由器，节点间的数据交换通常需要多跳完成。此外，由于无线节点的移动，网络拓扑结构频繁改变。
当前Ad hoc网络体系结构一般分为两种：1）平面式：即所有节点地位平等；2）分级式：这种结构中，节点分别归属不同的簇（Cluster）。簇内有簇首，用于维护簇内信息、协助簇内节点进行相关操作，有时簇首还可形成高一级的网络；簇间有网关节点，负责不同簇间节点的通信。这两种结构，前者所有节点地位和功能相同，不存在瓶颈节点，网络较健壮，但不适用于较大规模的网络结构；后者层级分明，便于扩展和管理，规模往往不受限制，但需要专门的分簇及路由算法。
本工作着眼于基于分簇的无线Ad Hoc网络，重点对其路由算法的安全机制进行研究。
2.2 现有Ad Hoc网络分簇算法研究
随着Ad Hoc网络规模的扩大，普通的平面式结构由于其不易扩展、管理而难以运用于大型的Ad Hoc网络。分簇的概念由此提出，即将Ad Hoc网络划分成较小的簇，每个簇内拥有部分节点，分簇可重叠也可不重叠，从而形成一个相对稳定、便于管理、能耗较小的万网络架构。
簇的定义：由部分节点构成，其中节点的角色通常分为三类：簇首、普通簇
成员、网关。簇首节点维护簇内信息，负责簇管理；普通簇成员节点参与通信、收发数据包、转发数据包等；网关节点是特殊的簇成员节点，可同时属于不同的簇，负责不同簇间节点的通信（还存在一种双网关节点——由两个分属不同簇的节点配对而成，这两个簇间的通信经由这对节点）。
当前对Ad hoc网络分簇算法的研究已比较成熟，提出了多种算法，如最小节点标识分簇算法、最高节点度启发式算法、最低移动性分簇算法、考虑能耗和稳定度的分簇算法、通用组合加权分簇算法等。
这些算法的侧重点各不相同，在不同的应用中体现不同的优势、暴露不同的劣势，但都较为有效地实现了分簇的目的。
2.3 现有Ad Hoc网络路由算法研究
平面式Ad Hoc网络中的路由算法一般分为两类：
一是前向式（Pro-Active）路由算法，即通过节点间相互的周期性消息交换、获取网络拓扑，由此提前构造路由表，一旦有数据包需要发送，可从路由表中提取目的节点路由，沿路由发送。这种算法的优点在于路由提前计算，需要时可立即获得，时效性得到保障，缺点则在于过多的包交换增加了网络的负载，维护许多无用的路由信息浪费空间，此外，初始路由表的构造需要耗费较多时间，在网络很大时，上述过程收敛得很慢。常见的前向式路由协议基于传统网络中的路由协议变化而来，如距离向量路由算法的变体DSDV和链路状态路由算法的变体OLSR。
二是反应式（Re-Active）路由算法，也可称为随需发现的路由算法，即当需要发送数据包时，先在网络中洪泛路由请求（遵循一定的规则以防止广播风暴），收到该请求的目的节点发送路由回复包给源节点，该包中记录了通过洪泛获取的路由，收到路由回复包的源节点沿路由发送数据包。该算法的优点是，只在需要的时候请求发现路由，从而避免了节点间盲目大量的消息交换；缺点是，发送数据包前需获取路由，延迟了数据包的发送。最常用的反应式路由算法包括源路由算法DSR及表驱动的AODV算法。
在分簇结构的Ad Hoc网络中，一般采用混合式路由算法，即在簇内采用前向式路由算法，簇间采用反应式路由算法。因为分簇一般都较小，簇内节点彼此获取相关信息是可行的也是有效的，所以可以提前建立起簇内的路由表；而非网关节点无从知悉其它簇的情况，簇间通信采用反应式路由算法获取目的节点的路由提供了一种有效的方法。
