基于區(qū)塊鏈的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)加密傳輸方法

彭鵬

摘要：無(wú)線網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)著各行各業(yè)的通信任務(wù)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)量的增大對(duì)其傳輸響應(yīng)時(shí)間、傳輸?shù)陌踩砸笤絹?lái)越高。為此，文章提出基于區(qū)塊鏈的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)加密傳輸方法。該方法在利用區(qū)塊鏈技術(shù)獲取無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用混沌映射方法加密了獲取的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。通過(guò)統(tǒng)一通信數(shù)據(jù)傳輸格式和基于TCP通信協(xié)議設(shè)計(jì)通信架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)加密傳輸。設(shè)計(jì)對(duì)比測(cè)試結(jié)果表明，文章所提出基于區(qū)塊鏈的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)加密傳輸方法的加密傳輸執(zhí)行效率較高，響應(yīng)時(shí)間較短，異常節(jié)點(diǎn)丟失情況較少，證明了文章所提方法具有較好的加密傳輸性能。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈；數(shù)據(jù)加密；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信；數(shù)據(jù)傳輸；混沌映射；TCP通信協(xié)議

中圖分類(lèi)號(hào)：TP399? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越來(lái)越大［1］，對(duì)鄰近結(jié)構(gòu)的組織要求越來(lái)越高。由于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)，并且環(huán)境復(fù)雜，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，不僅要考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕€需要考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝?。相鄰?jié)點(diǎn)的響應(yīng)時(shí)間太長(zhǎng)，容易造成單向數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄髁渴芟?。相關(guān)的數(shù)據(jù)加密傳輸方法引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注。區(qū)塊鏈?zhǔn)菙?shù)據(jù)信息領(lǐng)域的一個(gè)專(zhuān)有名詞，它可以作為一個(gè)開(kāi)放的共享數(shù)據(jù)庫(kù)［2］，直接儲(chǔ)存系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并具有可公開(kāi)、可追溯、可維護(hù)、可處理等諸多優(yōu)點(diǎn)。這種數(shù)據(jù)分享機(jī)制是一種新的計(jì)算機(jī)加密算法，其主要體現(xiàn)在分布式信息存儲(chǔ)中。為了提升數(shù)據(jù)傳輸效率，人們提出采用無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)，組建整體的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。按照實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸需求，連接部分節(jié)點(diǎn)生成備份數(shù)據(jù)傳輸路徑。但是，由于每條數(shù)據(jù)傳輸路徑的通信能力有差異，更多情況下規(guī)劃的數(shù)據(jù)傳輸路徑，難以發(fā)揮良好的傳輸效果。仝軍等［3］在通過(guò)混沌參數(shù)調(diào)制及時(shí)間戳技術(shù)獲取節(jié)點(diǎn)能量特征的基礎(chǔ)上，從節(jié)點(diǎn)、鏈路、能量3方面實(shí)現(xiàn)了無(wú)線傳感數(shù)據(jù)加密傳輸。區(qū)塊鏈不同于傳統(tǒng)的處理方式，它是從比特幣體系中衍生出來(lái)的，其本質(zhì)就是一種沒(méi)有中央標(biāo)識(shí)的信息儲(chǔ)存。區(qū)塊鏈?zhǔn)菙?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)，它需要通過(guò)一系列的加密來(lái)保證數(shù)據(jù)包的安全。為了保證無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)安全穩(wěn)定傳輸，本文提出基于區(qū)塊鏈的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)加密傳輸方法。

1 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)加密傳輸

當(dāng)前，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)加密傳輸方法，主要依托聚類(lèi)方法，無(wú)法有效獲取數(shù)據(jù)加密傳輸時(shí)的潛在感知事件，使得數(shù)據(jù)傳輸安全性不高。為此，本文提出了基于區(qū)塊鏈的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)加密傳輸方法。

1.1 獲取無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的通信節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)

區(qū)塊鏈技術(shù)［4］是以一種完整的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為基礎(chǔ)，對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，形成的一個(gè)完整的數(shù)據(jù)監(jiān)控閉環(huán)。利用區(qū)塊鏈技術(shù)對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的詳細(xì)過(guò)程，如圖1所示。

本文使用區(qū)塊鏈底層P2P網(wǎng)絡(luò)，并將區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)設(shè)定為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的各組件，使各組件在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中成為同等的節(jié)點(diǎn)，并確保各組件享有同等的權(quán)利與責(zé)任。在新的節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，應(yīng)及時(shí)了解無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)相關(guān)情況，并進(jìn)行區(qū)塊鏈同步。新的節(jié)點(diǎn)在嘗試加入一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，它會(huì)向無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)提出一個(gè)完整的訪問(wèn)請(qǐng)求，在訪問(wèn)請(qǐng)求出現(xiàn)時(shí)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)會(huì)將報(bào)文傳輸?shù)綗o(wú)線網(wǎng)絡(luò)中央節(jié)點(diǎn)［5］。同時(shí)，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)嘗試進(jìn)入一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)后，在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，與其工作相關(guān)的所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，都會(huì)被傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，然后判斷這個(gè)節(jié)點(diǎn)是否缺失了數(shù)據(jù)，如果是，此時(shí)該節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)存在異常，訪問(wèn)通信的請(qǐng)求被拒絕。

1.4 統(tǒng)一通信數(shù)據(jù)傳輸格式

信道均衡的穩(wěn)定性隨著通信信道載波數(shù)量的增加不斷降低，消除了干擾對(duì)數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生的影響，所提方法在數(shù)據(jù)通信碼元相似度度量的基礎(chǔ)上優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的海量通信數(shù)據(jù)單位傳輸格式包括：頭幀、數(shù)據(jù)幀［8-9］、組態(tài)幀、指令幀；利用指令框來(lái)決定無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂浦噶?。各幀都有相同的功能字?jié)指派，非同幀的幀首可以顯示各幀的類(lèi)型和時(shí)間同步信息，在數(shù)據(jù)傳輸中，各幀之間沒(méi)有分界符。將所有的數(shù)據(jù)都統(tǒng)一到同一結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)傳輸格式中，使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸格式，既能提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的通信效率，又能為以后的數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用提供一定的支持。本文從空間和時(shí)間的角度，對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中有效的數(shù)據(jù)傳輸形式進(jìn)行了探討。

采用以上數(shù)據(jù)傳輸格式數(shù)據(jù)單元幀的唯一編碼作為 ID，設(shè)定數(shù)據(jù)單元唯一編碼字節(jié)的存儲(chǔ)器數(shù)目是16個(gè)字節(jié)，其他通信數(shù)據(jù)設(shè)定字節(jié)是1 024個(gè)，而“Equipment”和“Time”是數(shù)據(jù)傳輸點(diǎn)和開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)刻；設(shè)定數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間位元組的儲(chǔ)存數(shù)目都是16位，開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間位元組的數(shù)目是8位；使用代表特定時(shí)間、特定傳輸點(diǎn)的數(shù)據(jù)的 Data字節(jié)是1 024 000，在新傳輸數(shù)據(jù)超過(guò)隊(duì)列數(shù)目時(shí)將其丟棄。至此完成通信數(shù)據(jù)傳輸格式的統(tǒng)一。

1.5 設(shè)計(jì)通信架構(gòu)

采用TCP通信協(xié)議［10］作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)海量通信數(shù)據(jù)加密傳輸連接的通信協(xié)議，選取C/S模式設(shè)置無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)加密傳輸?shù)男诺?。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)海量通信數(shù)據(jù)加密傳輸?shù)慕⒘鞒?，如圖2所示。

加密傳輸在重建通信或重新啟動(dòng)時(shí)并未建立，不同系統(tǒng)與傳輸模型的通信過(guò)程可分為不同個(gè)子通信流程。至此，完成基于區(qū)塊鏈的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)加密傳輸。

2 仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1 仿真環(huán)境

部署無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為單個(gè)節(jié)點(diǎn)和共識(shí)排序服務(wù)相結(jié)合，以數(shù)據(jù)分發(fā)機(jī)制為依據(jù)，在同一通道內(nèi)搭建測(cè)試平臺(tái)。選擇兩個(gè)虛擬機(jī)作為部署數(shù)據(jù)分發(fā)源服務(wù)器，一臺(tái)虛擬機(jī)搭載開(kāi)源SDN控制器Ryu，利用Python語(yǔ)言執(zhí)行按照；另一臺(tái)虛擬機(jī)安裝Mininet，將Mininet中host與外部虛擬機(jī)連接，模擬無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浍@取鏈路參數(shù)。

選用60 GB硬盤(pán)、4GB內(nèi)存和Intel Core（TM） i7CPU，共同構(gòu)建實(shí)驗(yàn)硬件環(huán)境。同時(shí)，本次仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用了第三方流量監(jiān)控軟件sFlow，實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸情況。數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySQL5.6.10，并且利用IronTrackSQL和P6Spy工具統(tǒng)計(jì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)時(shí)間。

2.2 仿真測(cè)試分析

本文為了驗(yàn)證基于區(qū)塊鏈技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)加密傳輸方法的性能，分別利用本文所提方法、仝軍等［3］考慮節(jié)點(diǎn)能量特征的無(wú)線傳感數(shù)據(jù)加密傳輸方法測(cè)試無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)加密傳輸?shù)膱?zhí)行效率，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

仝軍等［3］方法的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)加密執(zhí)行效率略低于提出方法，如圖3所示。本文提出方法中第6次實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)加密執(zhí)行效率最高大約為93%，仝軍等［3］方法的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)加密執(zhí)行效率最高為84%。由此可見(jiàn)，本文提出方法在一定程度上提升了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)加密傳輸?shù)膱?zhí)行效率，具有較好的性能。

在對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)加密傳輸執(zhí)行效率測(cè)試的基礎(chǔ)上，測(cè)試無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)加密傳輸?shù)捻憫?yīng)時(shí)間，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

在對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)加密傳輸測(cè)試時(shí)，本文提出方法數(shù)據(jù)加密傳輸響應(yīng)時(shí)間最短，仝軍等［3］方法的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)加密傳輸響應(yīng)時(shí)間變化波動(dòng)較大，如圖4所示。本文所提方法的數(shù)據(jù)加密傳輸響應(yīng)時(shí)間在20ms～40ms范圍內(nèi)變化，仝軍等［3］方法的數(shù)據(jù)加密傳輸響應(yīng)時(shí)間在43ms～68ms范圍內(nèi)變化。對(duì)比得到，本文提出方法在具有較高數(shù)據(jù)加密執(zhí)行效率的情況下，還具有較短的加密傳輸響應(yīng)時(shí)間，驗(yàn)證了提出方法良好的性能。

本文對(duì)比兩種加密傳輸方法進(jìn)行通信時(shí)，丟失的異常節(jié)點(diǎn)數(shù)量，并計(jì)算兩種加密傳輸方法的節(jié)點(diǎn)丟失率，如表1所示。

本文提出方法在多次測(cè)試中，節(jié)點(diǎn)丟失率低于3.06%；仝軍等［3］的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)加密傳輸方法在多次測(cè)試中，其節(jié)點(diǎn)丟失率低于10.12%，如表1所示。

綜合上述，本文所提方法具有較好的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)加密傳輸執(zhí)行效率，較低的執(zhí)行響應(yīng)時(shí)間，利用區(qū)塊鏈技術(shù)可以準(zhǔn)確采集異常無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

為了避免無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)被篡改所帶來(lái)的損失，本文提出了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)加密傳輸方法。該方法加密了利用區(qū)塊鏈技術(shù)獲取的通信數(shù)據(jù)。通過(guò)統(tǒng)一通信數(shù)據(jù)傳輸格式和設(shè)計(jì)通信架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)加密傳輸。通過(guò)對(duì)提出方法性能的測(cè)試，得到的測(cè)試結(jié)果證明了該方法在對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)加密傳輸時(shí)，不僅具有較高的數(shù)據(jù)加密執(zhí)行效率，還具有較短的數(shù)據(jù)加密傳輸響應(yīng)時(shí)間，驗(yàn)證了所提方法具有良好的性能，能夠進(jìn)一步增強(qiáng)數(shù)據(jù)的安全性，最終被廣泛應(yīng)用在眾多研究領(lǐng)域中。

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（編輯 李春燕）

Data encryption transmission method of wireless network communication based on blockchain

Peng? Peng

（Tianjin College， Beijing University of Science and Technology， Tianjin 301830， China）

Abstract：? Wireless network undertakes the communication tasks of all walks of life. With the increase of the amount of data transmitted by wireless network， the requirements for its transmission response time and transmission security are getting higher and higher. Therefore， a data encryption transmission method based on blockchain for wireless network communication is proposed. This method uses the block chain technology to obtain the wireless network communication node data， and uses the chaotic mapping method to encrypt the obtained wireless network communication node data. By unifying the communication data transmission format and designing the communication architecture based on TCP communication protocol， the wireless network communication data encryption transmission is realized. The design comparison test results show that the proposed block chain based wireless network communication data encryption transmission method has higher encryption transmission efficiency， shorter response time， and less abnormal node loss. It is proved that the proposed method has better performance of encrypted transmission.

Key words： blockchain; data encryption; wireless network communication; data transmission; chaotic mapping; TCP communication protocol