Kooperation in mobilen Ad Hoc Netzwerken

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1 Kooperation in mobilen Ad Hoc Netzwerken Seminarvortrag von Andreas Benden Zwei Verfahren zur Steigerung der Kooperation, bzw. zur Reduktion der Auswirkungen unkooperativen Verhaltens in mobilen Ad Hoc Netzwerken: 1. CONFIDANT (Cooperation Of Nodes Fairness In Dynamic Ad-hoc NeTworks) 2. OCEAN (Observation-based Cooperation Enforcement in Ad hoc Networks) Vortragsinhalte: Funktionsweise beider Verfahren Unterschiede zwischen beiden Verfahren Vergleich der Definitionen egoistischer, bzw. bösartiger Knoten Vor- und Nachteile eines Reputationssystems Quellen: Performance Analysis of the CONFIDANT Protocol, Cooperation of Nodes Fairness in Dynamic Ad-hoc NeTworks Sonja Buchegger und Jean-Yves Le Boudec, Nodes Bearing Grudges: Towards Routing Security, Fairness, and Robustness in Mobile Ad Hoc Networks Sonja Buchegger und Jean-Yves Le Boudec, Observation-based Cooperation Enforcement in Ad hoc Networks Sorav Bansal und Mary Baker, 2003.

2 Charakteristika eines mobilen Ad Hoc Netzwerks Autonomes System mobiler Plattformen. Gekennzeichnet durch eine dynamische, spontan mutierende Topologie. Es gibt keine stationäre Infrastruktur zur Unterstützung der Kommunikation mobiler Endgeräte. Die Endgeräte müssen neben dem Empfang und Versand eigener Nachrichten auch die Nachrichten anderer Netz-Teilnehmer weiterleiten. Keine feste Konfiguration Teilnehmer können sich eigenständig ins Netz ein- und ausbinden. Das ganze Netz kann sich auf diese Weise spontan bilden oder auflösen. Wichtigste Unterschiede zu bekannten Netzwerktypen: Im Gegensatz zu kabelgebundenen Netzwerken (z.b. Ethernet) sind die Stationen mobil, d.h., sie nutzen drahtlose Übertragung. Es gibt keine ortsgebundenen Stationen, die die Kommunikation der Endgeräte koordinieren (wie etwa die sog. Access Points beim WLAN). Es gilt daher: Kooperation der Teilnehmer ist in mobilen Ad Hoc Netzwerken besonders wichtig! Ausführliche Informationen sind im RFC 2501: Routing Protocol Performance Issues and Evaluation Considerations der MANET Gruppe der IETF zu finden. MANET steht für Mobile Ad hoc Networks. Die MANET Arbeitsgruppe ist im Internet unter folgendem Link zu finden:

3 Das Dynamic Source Routing Protocol (DSR) DSR ist ein Routing-Protokoll für Ad Hoc Netzwerke, welches von der MANET Arbeitsgruppe entwickelt wurde. Sowohl CONFIDANT, als auch OCEAN, sind auf DSR aufsetzbar. Die Funktionsweise von DSR, knapp zusammengefaßt: Möchte ein Knoten A eine Nachricht an einen Knoten B senden, kennt aber keinen Pfad zu B, so sendet A eine ROUTE- REQUEST Nachricht an alle benachbarten Stationen. Empfängt ein Knoten C eine solche ROUTE-REQUEST Nachricht, so gibt es folgende Möglichkeiten: 1. C kennt ebenfalls keinen Pfad zu B. > C trägt sich selbst in die Liste durchlaufener Knoten ein und sendet die Nachricht weiter. 2. C hat die Nachricht bereits auf anderem Wege erhalten. > C verwirft zweite Nachricht (erster Teilpfad war schneller). 3. C kennt einen Pfad zu B oder ist mit B identisch: > C sendet die komplette Liste durchl. Knoten (ggf. inkl. Rest) als Route in einer ROUTE-REPLY Nachricht an A zurück. A wählt unter allen erhaltenen Routen die nach bestimmten Kriterien (Laufzeit, Anzahl Stationen, Bandbreite, etc.) geeignetste Route aus. C A-D-E F A-D-E-F(-B) A E B A D A-D G

4 Definition bösartiger Knoten bei CONFIDANT 1. Knoten, die keine Daten- und Kontrollnachrichten weiterleiten 2. Knoten, die ungewöhnlich geeignet erscheinen, den Verkehr über sie zu lenken: Knoten behauptet fälschlicherweise, über viele hervorragende Routen zu verfügen. Knoten antwortet unerlaubt schnell auf ROUTE-REQUESTs. 3. Knoten, die eine Route verändern (normalerweise, um eine ausgefallene Verbindung zu umgehen), obwohl kein Fehler beobachtet wurde. 4. Knoten, die keine Fehlermeldung absetzen, obwohl ein Fehler aufgetreten ist. 5. Knoten, die ungewöhnlich häufig Routen aktualisieren. 6. Knoten, die die in Daten- und Kontrollnachrichten enthaltene Route manipulieren. Definition irreführender, bzw. egoistischer Knoten bei OCEAN 1. Irreführende Knoten: Knoten, die auf einen ROUTE-REQUEST hin ein ROUTE-REPLY schicken, in dessen Route sie selbst enthalten sind. Sie bieten sich damit an, Pakete über sie zu senden, die sie bei Erhalt jedoch verwerfen. 2. Egoistische Knoten: Knoten, die nicht auf ROUTE-REQUESTs antworten und dadurch für andere Teilnehmer unsichtbar bleiben. Sie tauchen daher auch in keiner Route auf und müssen keine Pakete für andere Knoten weiterleiten. Dennoch können sie eigene Pakete von anderen Knoten weiterleiten lassen.

5 Die Komponenten von CONFIDANT Der Monitor: Beobachtet andere Stationen in Empfangsreichweite. Der Trust Manager: Verwaltet empfangene und versendet ausgehende ALARM Nachrichten. Enthält: Tabelle mit Inform. über eingegangene ALARM Nachrichten, Tabelle mit Vertrauensstufen gegenüber anderen Stationen, Liste befreundeter Stationen. Das Reputation System: Bewertet andere Stationen aufgrund von beobachtetem Verhalten. Enthält: Tabelle mit den aktuellen Bewertungen der anderen Stationen, Blacklist über bösartige Stationen, Tabelle über die Besserung von Stationen. Der Path Manager: Verwaltet Pfade und verarbeitet ROUTE-REQUEST Nachrichten.

6 Zusammenarbeit der Komponenten von CONFIDANT Reputation System Trust Manager ALARM auswerten ausreichende Hinweise ALARM-Tabelle aktualisieren vertrauenswürdig Vertrauen beurteilen Ereignis ist von Bedeutung Ereignis ist nicht von Bedeutung Ereignis festgestellt Monitor keine ausreichenden Hinweise nicht vertrauenswürdig ALARM empfangen Ereigniszähler aktualisieren Grenzwert nicht erreicht Überwachen ALARM senden Grenzwert überschritten innerhalb Toleranz Path Manager Startzustand Bewertung Toleranz erschöpft Pfad verwalten Wird von unterschiedlichen, nur teilweise vertrauenswürdigen Knoten, vom gleichen Ereignis berichtet, so kann die Information dadurch vollständig vertrauenswürdig werden. Ereigniszähler dient dem Ausschluß von Zufällen. Der Path Manager entfernt bei gegebenem Anlaß sämtliche Pfade, die den betroffenen Knoten enthalten.

7 Die Komponenten von OCEAN NeighborWatch: Beobachtet andere Stationen in Empfangsreichweite. RouteRanker: Bewertet benachbarte Stationen. Enthält: Tabelle mit Bewertungen benachbarter Stationen, Die sog. Faulty List über Stationen mit vom Protokoll abweichendem Verhalten. Rank-Based Routing: Verwaltet eine Liste zu vermeidender Knoten und bearbeitet ROUTE-REQUEST und REPLY Nachrichten. Enthält: Die sog. Avoid List über beim Routing zu umgehende Stationen. Malicious Traffic Rejection: Verwirft alle Pakete von Stationen, die als irreführend eingestuft wurden. Second Chance Mechanism: Entfernt Stationen, die eine festgelegte Zeit ( Faulty Timeout ) keine Aktivität gezeigt haben, wieder von der Faulty List.

8 Zusammenarbeit der Komponenten von OCEAN Reputation System RouteRanker Überprüfen der Einträge enth. keinen Knot. aus FL Antworten / Weiterleiten Bewertung anpassen unter FT Eintrag in Faulty List enthält Knoten aus Faulty List RREQ oder RREP empf. über FT NeighborWatch Ereignis beobachtet Bewertung knapp über FT einstellen Paket verwerfen Überwachen Knoten aus FL streichen Malicious Traffic Rejection Verwerfen Startzustand Keine Akt. für FTO Dauer Second Chance Mechanism auf FL Absender prüfen Paket empfangen nicht auf FL Weiterleiten Von einem Fehler ausgehen FL = Faulty List FT = Faulty Threshold (Standardwert: -40) FTO = Faulty Timeout Bei positivem Verhalten eines Knotens: Bewertung +1 Bei negativem Verhalten eines Knotens: Bewertung -2

9 Die Unterschiede zwischen CONFIDANT und OCEAN Beide Protokolle wenden sich hauptsächlich gegen eigennütziges Verhalten und die Manipulation des Routings. CONFIDANT hat noch spezifischere Definitionen bösartiger Knoten und versucht damit, das Netz besser gegen gezielte Beeinträchtigung zu schützen. Die Kriterien zur Resozialisierung eines Knotens weichen voneinander ab. Hauptunterschied ist jedoch: Bei OCEAN stützt sich jeder Knoten lediglich auf eigene Beobachtungen über das Fehlverhalten anderer Stationen, während bei CONFIDANT zusätzlich Informationen aus zweiter Hand ins Gewicht fallen. Vor- und Nachteile eines Reputationssystems + Ein Reputationssystem bietet zusätzliche Möglichkeiten, bösartige Knoten zu identifizieren und zu umgehen. + Tritt ein zuvor unbekannter Knoten in den Empfangsbereich einer teilnehmenden Station ein, so kann diese auf Erfahrungen anderer Netzteilnehmer zurückgreifen, um den Knoten zu bewerten (kürzere Lernphase ). Deutlich höherer Verwaltungsaufwand und somit höhere Beanspruchung von Resourcen (Speicher, Zeit, etc.). Große Schwachstelle: Die sichere Authentifizierung eines Knotens ist in einem echten Ad Hoc Netzwerk ohne speziell dafür ausgewiesene Stationen unmöglich. Es besteht daher die Gefahr, daß Knoten unter falscher (vertrauenswürdiger) Identität ungerechtfertigte Beschuldigungen publizieren können, was das gesamte Konzept in Frage stellt.