水下無線通信網(wǎng)絡安全問題研究

黃碧佳

摘 要：社會不斷發(fā)展的今天，越來越多的國家開始強調海洋的重要性。越來越多的專家學者已經將研究的目光投放到水下環(huán)境中去。但由于海洋環(huán)境過于無法把握，才使得對海洋的開發(fā)一直維持在表面。而隨著科學技術的發(fā)展，無線通信技術進一步發(fā)展，并且以無線通信技術的優(yōu)點為基礎，慢慢的開始將無線通信網(wǎng)絡用于海洋環(huán)境的研究和數(shù)據(jù)收集中，從而幫助國家進行海洋研究。但是由于技術存在著不成熟的問題，因此水下環(huán)境收集起來數(shù)據(jù)的安全性不穩(wěn)定。本文主要研究水下無線通信網(wǎng)絡的安全問題。

關鍵詞：水下無線通信；通信網(wǎng)絡；安全問題

在不斷發(fā)展的今天，科學技術在人們的日常生活中起著越來越不容忽視的作用。尤其是在人與人之間的通信技術之中，無線通信的大面積應用和普及更是提高了日常的通信效率，加強了人與人之間的溝通交流。并且隨著無線通信的發(fā)展，這一項通信技術開始被用于越來越多的環(huán)境之中。例如針對水下進行無線通信技術，可以收集水下的各種數(shù)據(jù)，并且對這些數(shù)據(jù)進行人性化的分析和處理，促進海洋資源進一步的探索和開發(fā)。然而由于水下環(huán)境十分復雜，對于無線通信技術的安全保護要求很高。

1 水下的無線通信所存在的弊端

水下無線通信網(wǎng)絡主要將一些低成本、輕快便利小型的傳感器形成的水下網(wǎng)絡節(jié)點分布在指定的探索海域之中，并且利用一些水下探索儀器通過構建的網(wǎng)絡節(jié)點進行相互之間的信息傳遞和交流，從而形成水下的無線通信網(wǎng)絡。這些節(jié)點通過相互直接的共同合作來完成各種數(shù)據(jù)的收集和整理，尤其是針對水下環(huán)境的檢測。再將收集起來的數(shù)據(jù)和環(huán)境資料經由水下巡邏艦等傳遞給相關的研究部門，然后再利用水上的通信網(wǎng)絡，主要是有線通信網(wǎng)絡傳遞給使用用戶。

但是因為水下的環(huán)境同地面上的環(huán)境存在著很大的不同，水下的環(huán)境更加復雜，因此在地下利用的無線網(wǎng)絡的環(huán)境要比地面上的環(huán)境更加復雜。主要表現(xiàn)在以下幾個方面：首先，水下無線通信所依賴的傳播環(huán)境存在著延遲，比無線電波在地面上的空間中傳播速度慢了五個數(shù)量級；其次，因為傳播軌道的帶面面積窄，極容易受到外面因素的影響，因此在水下的穩(wěn)定性差，極容易出現(xiàn)失去聯(lián)系的情況；再次，在水下網(wǎng)絡環(huán)境中的自主巡航器一直處在流動的環(huán)境中，信號也一直在流動的點與固定的點之間進行傳遞，無法實現(xiàn)穩(wěn)定的信號聯(lián)系；最后，因為聲學設備的價格昂貴，因此在水下的無線網(wǎng)絡需要花費更大的經濟成本。

因此，要想進一步建立水下無線通信網(wǎng)絡，就必須要克服上述的諸多問題，才能保證進一步的研究和開發(fā)水下環(huán)境。

而針對上文的描述我們可以發(fā)現(xiàn)，存在于水下無線通信網(wǎng)絡中的弊端：首先就表現(xiàn)在帶寬導致這錯誤的信息傳輸率，對于一些關鍵的數(shù)據(jù)毫無保護能力；其次就在于數(shù)據(jù)有可能被別有用心的機構進行調包或者修改，從而不利于對水下環(huán)境的開發(fā)和分析；再次，由于水下環(huán)境的不可預測性，從而無法保證數(shù)據(jù)收集的穩(wěn)定領；最后，水下環(huán)境中的無線通信網(wǎng)絡消耗能力極大，需要大量資金的支持。

2 對水下無線通信網(wǎng)絡安全存在的威脅

對水下無線通信網(wǎng)絡安全存在的威脅可以從圖1來進行認識和研究。

圖1 水下無線通信網(wǎng)絡安全存在的威脅

3 針對威脅的保護措施

針對水下無線通信網(wǎng)絡安全所存在的威脅，我們可以從以下幾個方面來提高它的預防威脅的能力和安全性能。

3.1 加強對信息閱讀和數(shù)據(jù)查看管理員的身份驗證。這一方法主要是針對水下環(huán)境惡劣，一些信息處在開放性的環(huán)境中，對信息存在著威脅，因此這就需要加強信息和數(shù)據(jù)的安全性。

3.2 加強數(shù)據(jù)的機密程度。這就是需要針對一些在傳輸過程中的數(shù)據(jù)信息進行加密，加強數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全性。

4 需要解決的水下無線通信網(wǎng)絡安全問題

目前在國外的先進研究技術中我們可以發(fā)現(xiàn)，國外的先進技術所采用的技術主要有安全時鐘同步技術、安全定位技術和安全路由技術。其中，安全時鐘同步技術就是適當?shù)卦O計一種時間戳滑動窗口方案，就能夠監(jiān)測內部攻擊。每個傳感器必須從多個傳感器中獲得時間戳讀數(shù)，并計算每個鄰近時問戳的相關系數(shù)，從而獲得窗口系數(shù)。如果窗口系數(shù)的數(shù)據(jù)低于一個閾值，那么它就是一個異常值。如果一個窗口的異常數(shù)據(jù)百分率（異常值百分比）一直（連續(xù)10個窗口）比預定閾值高，那么相應的鄰居就被標記為產生內部攻擊的惡意節(jié)點；安全定位技術，就是在定位階段水下傳感器獲得移動信標和鄰居節(jié)點的位置和速度信息，路由協(xié)議再使用移動信標的位置和運動信息來為節(jié)點傳送數(shù)據(jù)選擇最好的中繼路徑；安全路由技術就是針對水下不利于設備存放的環(huán)境來進行有針對性的設計的，設計具有能量檢測能力的、魯棒的、可縮放的、自適應的路由協(xié)議來應對。

對于安全時鐘同步來說，以下研究問題尚待解決：（1）針對水下無線通信網(wǎng)絡高且多變的傳播延遲，需要研究估算同步節(jié)點所需時間的方法；（2）針對延遲和“蛀洞“攻擊，需要設計僅需少量計算和通信成本的有效和安全的時間同步方案。

對于安全定位來說，以下研究問題尚待解決：（1）針對在水下無線通信網(wǎng)絡中注人錯誤定位信息的攻擊，需要開發(fā)有效的加密算法；（2）必需設計能夠在出現(xiàn)“女巫”攻擊和“蛀洞”攻擊時確定傳感器位置的彈性算法；（3）需要開發(fā)識別惡意或危害錨節(jié)點的技術，以避免對這些節(jié)點的錯誤檢測；（4）需要設計能夠在水下無線通信網(wǎng)絡中解決節(jié)點移動性問題的安全定位機制。

對于安全路由來說，以下研究問題尚待解決：（1）需要開發(fā)基于聲譽的系統(tǒng)來分析鄰居的行為，并拒絕包含非協(xié)作自私節(jié)點的路由路徑；（2）需要設計對付外部入侵者的快速而強大的加密和認證機制；（3）應該開發(fā)對付選擇性轉發(fā)、“女巫”攻擊、呼叫泛洪攻擊和確認電子欺騙等內部攻擊的先進機制；（4）有必要開發(fā)對付“污水池”攻擊和“蛀洞”攻擊的新技術，并提高現(xiàn)有技術，因為利用分布式蛀洞可視化系統(tǒng)，蛀洞攻擊仍然能夠通過控制距離估計信息包的緩沖時間來實現(xiàn)隱藏，而蛀洞彈性鄰居節(jié)點發(fā)現(xiàn)方法會受到傳感器之間方向誤差的影響。

結束語

水下無線通信網(wǎng)絡近年來在海洋資源勘探與開發(fā)、海洋環(huán)境監(jiān)測以及軍事斗爭等領域獲得了廣泛應用，促使各海洋大國越來越重視對其關鍵技術的研究。水下無線通信網(wǎng)絡受自身特性限制和水下通信環(huán)境的制約，對外部攻擊抵抗較差，面臨各種威脅和攻擊，但是現(xiàn)有研究多以節(jié)省能耗、延長網(wǎng)絡壽命為出發(fā)點，一定程度上忽視了對安全問題的研究。因此，研究水下無線通信網(wǎng)絡存在的安全弱點，并針對其面臨的安全威脅，設計、研發(fā)適用于水下無線通信網(wǎng)絡的安全技術和安全機制具有重要的意義。

參考文獻

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