淺談水下無線通信網(wǎng)絡(luò)安全關(guān)鍵技術(shù)

李浩

摘 要：水下無線通信網(wǎng)絡(luò)是通過將大量低成本、攜帶微小型聲、磁、海洋生化等多種傳感器的通信節(jié)點部署到指定海域中，節(jié)點與水下潛航器（AUV、UUV、潛艇）通過水聲無線通訊方式自組形成分布式無線通訊網(wǎng)。水下節(jié)點相互協(xié)作地完成環(huán)境監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集等工作，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過融合等處理后，傳送給水下匯聚節(jié)點或水面基站，然后通過射頻通信方式或有線通訊方式發(fā)送給用戶。

關(guān)鍵詞：水下無線通信；網(wǎng)絡(luò)安全；關(guān)鍵技術(shù)

進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，隨著日益增長的物質(zhì)需求和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類對海洋資源的開發(fā)利用以及海洋權(quán)益日益重視。開發(fā)利用海洋的科技熱潮正在全球興起，海洋資源的勘探與開發(fā)、海洋環(huán)境監(jiān)測、軍事對抗等現(xiàn)代海洋高新科學(xué)技術(shù)已成為各海洋大國研究的重要領(lǐng)域。任何海洋技術(shù)的應(yīng)用都離不開對海洋數(shù)據(jù)的快速采集、存儲、處理以及實時傳輸，因此水下無線通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)已成為各海洋大國不遺余力進(jìn)行研究的前沿課題之一。

一、水下無線通信網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀

1.水下無線通訊技術(shù)?，F(xiàn)有水下無線通訊技術(shù)主要有激光通訊、無線電通訊、水聲通訊三種：激光通訊適用于近距離高速數(shù)據(jù)傳輸，水質(zhì)的清澈度對傳輸影響較大，激光直線對準(zhǔn)要求較高，這些應(yīng)用條件限制了激光通訊在水下無線中的應(yīng)用。無線電波在海水中選擇性衰弱現(xiàn)象嚴(yán)重，頻率越高衰減越大。無線電通訊只能用于短距離高速通訊或水下垂直鏈路通信，無法滿足遠(yuǎn)距離水下傳輸要求。聲波在海洋中的衰減比電磁波小1000倍，因此，低頻聲波在淺海中可傳播數(shù)十公里，在大洋聲道中甚至可傳播上萬公里。因此，目前絕大部分水下無線通信網(wǎng)絡(luò)都采用水聲作為傳輸介質(zhì)。

2. 水下通信節(jié)點設(shè)計。與陸地節(jié)點相比，水下節(jié)點工作環(huán)境更加惡劣，在進(jìn)硬件設(shè)計時需要特別注意以下因素：（1）節(jié)點的防水性能是設(shè)計時需要考慮的首要因素，一旦節(jié)點內(nèi)部滲水將無法工作；水下節(jié)點可能工作于深海區(qū)域，在設(shè)計時需要考慮水深帶來的壓力，避免因為氣壓過大造成防水層破損；海水中的各種物質(zhì)、生物會對節(jié)點造成一定程度腐蝕，因此耐腐蝕性也要作為考慮要素之一。（2）由于節(jié)點部署在水下，無法采用太陽能充電更無法更換電池，因此在設(shè)計節(jié)點的硬件電路時應(yīng)選擇低功耗元器件，在完成任務(wù)的前提下盡量減少能量消耗，延長節(jié)點壽命。

二、水下無線通信網(wǎng)絡(luò)安全管理研究

1.水下無線通信網(wǎng)安全管理機(jī)制。由于現(xiàn)有的安全管理機(jī)制不適用于水下無線通信網(wǎng)絡(luò)，因此，針對水下無線通信網(wǎng)絡(luò)的特性和安全需求，我們提出了一種基于簇狀拓?fù)涞姆旨壈踩芾頇C(jī)制，該機(jī)制主要包括：（1）分級混合加密機(jī)制：將加密體系分為簇內(nèi)通信加密和簇內(nèi)通信加密，簇內(nèi)通信加密采用對稱加密機(jī)制；簇間通信加密采用混合加密機(jī)制，即對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采用對稱加密機(jī)制，對于傳輸?shù)膶ΨQ密鑰采用基于身份的公鑰加密機(jī)制。（2）分級混合密鑰管理機(jī)制：將密鑰管理體系分為簇內(nèi)密鑰管理和簇內(nèi)密鑰管理，綜合采用密鑰預(yù)分配策略和基于密鑰分配中心的策略。（3）分級信任管理機(jī)制：分級信任管理機(jī)制將信任值的計算和管理分為三層：成員節(jié)點的信任值計算、簇頭節(jié)點信任值計算和網(wǎng)關(guān)節(jié)點信任值計算。

2. 性能分析。我們提出的分級混合密鑰管理機(jī)制綜合采用預(yù)共享密鑰機(jī)制，密鑰協(xié)商機(jī)制和基于密鑰分配中心的機(jī)制，綜合利用了各密鑰管理機(jī)制的優(yōu)點，并克服了其缺陷。（1）安全性分析。采用的分級密鑰管理機(jī)制，將密鑰管理體系分為簇內(nèi)密鑰管理和簇間密鑰管理。分級機(jī)制的引入增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性，即使惡意攻擊者破解了簇內(nèi)的密鑰，影響簇內(nèi)通信，但是其無法影響其它簇的通信安全。（2）效能分析。本方案采用對稱加密算法、單向 Hash 函數(shù)和異或運算生成和更新密鑰，計算都在簇頭上進(jìn)行，簇內(nèi)節(jié)點僅在需要生成會話密鑰時由一方進(jìn)行異或運算；簇頭的私鑰由網(wǎng)關(guān)節(jié)點生成，簇頭僅在需要生成會話密鑰時由一方進(jìn)行運算。因此，與傳統(tǒng)密鑰管理方案相比計算量更少、計算復(fù)雜度更低。

三、水下無線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒踩芯?/p>

現(xiàn)有無線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢源笾路譃槿箢悾杭惺骄W(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，分布式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜突旌鲜骄W(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?.集中式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌涸诩惺骄W(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點都直接與中心節(jié)點通信并由該中心節(jié)點向目的節(jié)點發(fā)送信息，并且所有節(jié)點通過該中心節(jié)點接入骨干網(wǎng)。中心化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂型負(fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由簡單，便于集中管理的優(yōu)點。2.分布式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌悍植际骄W(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫侵妇W(wǎng)絡(luò)中不存在中心節(jié)點即所有節(jié)點具有平等的權(quán)限，數(shù)據(jù)從源節(jié)點經(jīng)過多跳到達(dá)目的節(jié)點，可以覆蓋較大的區(qū)域。不同于陸地?zé)o中心完全分布式無線通信網(wǎng)絡(luò)，水下無線通信網(wǎng)絡(luò)需要一個或多個水面節(jié)點作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點接入水上無線網(wǎng)絡(luò)。因此，完全分布式網(wǎng)絡(luò)不能完全滿足于水下無線通信網(wǎng)絡(luò)的需求。

四、水下無線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層安全協(xié)議研究

為了提出了一種基于簇結(jié)構(gòu)的安全MAC協(xié)議（Cluster Based Secure MAC，CBS-MAC），在簇內(nèi)節(jié)點間和簇頭節(jié)點間采用不同的MAC協(xié)議，并在這些協(xié)議的基礎(chǔ)上引入了安全機(jī)制，保證了MAC協(xié)議的安全性。1.水下無線通信網(wǎng)絡(luò)中，MAC 協(xié)議決定水聲信道的使用方式和節(jié)點接入信道的方式，為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點分配有限的通信資源，是數(shù)據(jù)包在信道上發(fā)送和接收的直接控制者。因此，MAC協(xié)議對水下無線通信網(wǎng)絡(luò)的性能起著至關(guān)重要的作用?，F(xiàn)有的水下無線通信MAC協(xié)議，根據(jù)對信道的訪問方式可大致分為四類：基于競爭的MAC協(xié)議，如 ALOHA，MACA，MACAW 等；基于調(diào)度的MAC協(xié)議，如FDMA，TDMA，CDMA 等；基于功率控制的MAC協(xié)議，如UWNA-MAC 等；混合 MAC 協(xié)議，如 TDMA/CDMA 等。2.基于分簇拓?fù)涞陌踩玀AC協(xié)議設(shè)計。在設(shè)計水下無線通信網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議時，需要針對水聲信道和水下無線通信網(wǎng)絡(luò)的特性，設(shè)計適用于特定應(yīng)用場景和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞腗AC協(xié)議。主要考慮以下幾方面要素：（1）能量有效性；（2）高延遲和時空不確定性；（3）安全性。上述要素并不是孤立的，相互間存在一定的關(guān)系甚至有些是矛盾的，不可能達(dá)到最優(yōu)。對于面向具體應(yīng)用的水下無線通信網(wǎng)絡(luò)而言，設(shè)計出一種可以滿足各方面要求的通用MAC協(xié)議是不現(xiàn)實的，需要針對特定的應(yīng)用場景和需求，采用相對最優(yōu)的方式，權(quán)衡各要素，設(shè)計出合理高效的MAC協(xié)議。

五、結(jié)語

綜上，本文分析研究了現(xiàn)有水下無線通信技術(shù)及其存在的安全隱患，并對現(xiàn)有的水下安全技術(shù)進(jìn)行了簡要介紹，對各種攻擊和安全威脅進(jìn)行了研究，分析了各種攻擊的特點及防御技術(shù)。設(shè)計具有低成本、高能效、高可靠性、高安全性的水下無線通信系統(tǒng)對于建立水下立體通信網(wǎng)絡(luò)、海洋環(huán)境監(jiān)控、海洋資源開發(fā)等研究領(lǐng)域具有重要的理論意義和經(jīng)濟(jì)價值。

參考文獻(xiàn)：

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