基于HMAC算法的無線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全傳輸方法

作者簡(jiǎn)介：張洪斌（1993— ），男，助教，碩士研究生；研究方向：圖像處理，信息通信。

摘要：無線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸易受惡意攻擊，面臨數(shù)據(jù)泄露、篡改等風(fēng)險(xiǎn)。為此，文章提出基于HMAC算法的無線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全傳輸方法。該方法將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分簇，利用HMAC算法建立簇間安全通信機(jī)制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全傳輸。實(shí)驗(yàn)證明，該方法顯著提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和安全性，通信質(zhì)量?jī)?yōu)良。

關(guān)鍵詞：HMAC算法；無線通信網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)傳輸；安全傳輸

中圖分類號(hào)：TN918" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0" 引言

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，無線通信網(wǎng)絡(luò)成為現(xiàn)代社會(huì)信息傳遞的關(guān)鍵，提升了信息交流的便捷性，推動(dòng)了社會(huì)進(jìn)步。然而，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，數(shù)據(jù)竊取、篡改、偽造等攻擊頻發(fā)，嚴(yán)重威脅無線通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)安全。因此，深入研究無線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全傳輸方法至關(guān)重要，對(duì)于保障信息安全、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。

張杰等［1］用公鑰加密體制加密水下通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，應(yīng)對(duì)安全挑戰(zhàn)，但該方法計(jì)算復(fù)雜、密鑰長(zhǎng)，不適用于大數(shù)據(jù)加密。胡金鎖等［2］針對(duì)通信中斷風(fēng)險(xiǎn)，構(gòu)建MIMO協(xié)同和多跳中繼模型，但要求天線與信道狀態(tài)良好。張曉爍等［3］設(shè)計(jì)了RIS輔助UAV中繼協(xié)作方案，提升數(shù)據(jù)傳輸速率，但該方案技術(shù)復(fù)雜、成本高，不適用于大規(guī)模應(yīng)用。因此，本文深入研究無線通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)安全傳輸方法。

1" 無線通信網(wǎng)絡(luò)分簇

無線通信網(wǎng)絡(luò)通常呈現(xiàn)節(jié)點(diǎn)分布不均、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)［4］，因此，為保障無線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，本文首先進(jìn)行無線通信網(wǎng)絡(luò)分簇。

針對(duì)無線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)際拓?fù)淝闆r，本文引入泰森圖算法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分簇。假設(shè)無線通信網(wǎng)絡(luò)的通信區(qū)域?yàn)镹×N的矩形，收集網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)信息［5］，確定無線網(wǎng)絡(luò)通信范圍內(nèi)分布節(jié)點(diǎn)數(shù)量為n，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和通信需求確定簇首的數(shù)量m。

m=n2π=η1η2×ND20（1）

式中，η1、η2分別為數(shù)據(jù)在無線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中自由空間信道、多徑衰減信道傳輸時(shí)，節(jié)點(diǎn)發(fā)動(dòng)電路功率放大器的耗能參數(shù)；D0為簇首節(jié)點(diǎn)到基站的平均距離。

在確定簇首數(shù)量后，本文采用閾值法進(jìn)行簇首選舉。假設(shè)n個(gè)節(jié)點(diǎn)中節(jié)點(diǎn)i被選舉為簇首的概率為P（i）。

P（i）=μ1-μ×modr，1μ

0，其他（2）

式中，μ為期望獲得的簇首占無線通信網(wǎng)絡(luò)總節(jié)點(diǎn)數(shù)的比例；r為簇首選舉輪數(shù)。

將n個(gè)節(jié)點(diǎn)被選舉為簇首的概率從大到小的排序，將前m個(gè)節(jié)點(diǎn)作為簇首，以各簇首為母點(diǎn)，構(gòu)建一個(gè)泰森圖，即將整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)通信區(qū)域劃分為m個(gè)面積為S0的多邊形。

S0=N×Nm（3）

該多邊形分別以一個(gè)簇首為中心，簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)數(shù)量為m0。

m0=nm-1（4）

根據(jù)上述過程，本文即可用泰森圖進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)通信區(qū)域劃分，劃分后的每個(gè)區(qū)域就是一個(gè)簇。分簇不僅可以更好地管理并分配無線網(wǎng)絡(luò)通信資源，避免數(shù)據(jù)傳輸過程中發(fā)生資源擁塞問題［6］，且通過限制每個(gè)簇內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸活動(dòng)，可以提升傳輸速率。

2" 基于HMAC算法設(shè)置簇間安全通信機(jī)制

為提升數(shù)據(jù)安全性，在無線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸之前，需要設(shè)置一個(gè)簇間安全通信機(jī)制［7］。HMAC是一種高效的消息認(rèn)證碼生成算法，結(jié)合了哈希函數(shù)和密鑰的雙重保障，可以保障無線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的安全傳輸效果。

因此，根據(jù)無線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的實(shí)際情況，本文選擇SHA-256作為HMAC算法中的哈希函數(shù)，與待加密的通信數(shù)據(jù)一起作為HMAC算法的輸入。首先，在哈希運(yùn)算之前，需要對(duì)HMAC算法內(nèi)部的8個(gè)32位寄存器緩存進(jìn)行初始化，如式（5）所示。

X（0）1=0x6A09E667

X（0）2=0xBB67AE85

X（0）3=0x3C6EF372

X（0）4=0xA54FF53A

X（0）5=0x510E527F

X（0）6=0x9B05688C

X（0）7=0x1F83D9AB

X（0）8=0x5BE0CD19（5）

其次，對(duì)消息塊的哈希值進(jìn)行迭代運(yùn)算，并采用第i-1次的哈希值來作為迭代常數(shù)，如式（6）所示。

K1=X（i-1）1

K2=X（i-1）2

K3=X（i-1）3

K4=X（i-1）4

K5=X（i-1）5

K6=X（i-1）6

K7=X（i-1）7

K8=X（i-1）8（6）

結(jié)合第i-1次的哈希值與式（6）所示的迭代常數(shù)，即可獲取8個(gè)操作變量，如式（7）所示。

X（i）1=K1+X（i-1）1

X（i）2=K2+X（i-1）2

X（i）3=K3+X（i-1）3

X（i）4=K4+X（i-1）4

X（i）5=K5+X（i-1）5

X（i）6=K6+X（i-1）6

X（i）7=K7+X（i-1）7

X（i）8=K8+X（i-1）8（7）

式中，X（i）1～X（i）8分別為第i次迭代的哈希值。最后，采用SHA-256函數(shù)對(duì)原始通信數(shù)據(jù)的512位比特消息塊都進(jìn)行了哈希運(yùn)算后，將最后一個(gè)消息塊迭代運(yùn)算所得哈希值作為HMAC算法的最終輸出，如式（8）所示。

M=X（I）1‖X（I）2‖X（I）3‖X（I）4‖X（I）5‖X（I）6‖X（I）7‖X（I）8（8）

式中，M為無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的MAC值；‖為連接操作。

本文通過HMAC算法對(duì)原始無線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行了上述處理后，即可生成通信數(shù)據(jù)的認(rèn)證碼。

3" 簇間安全傳輸無線網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)

在完成無線通信網(wǎng)絡(luò)分簇與簇間安全機(jī)制設(shè)置后，本文在簇間安全傳輸無線網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)。首先，基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜凸?jié)點(diǎn)間距離信息，構(gòu)建從源簇到目標(biāo)簇的候選路徑集，路徑的約束條件為：無線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸路徑L的跳數(shù)不超過無線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸路徑允許的最大跳數(shù)。其次，計(jì)算每條候選路徑的質(zhì)量指標(biāo)，如式（9）所示。

fL=ω1·∑uv=1Dv，v+1-ω2·∑uv=1Gv+ω3·∑u-1v=1Cv，v+1（9）

式中，fL為無線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸路徑L的質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果；ω1、ω2、ω3分別為各評(píng)價(jià)因素的權(quán)值；Dv，v+1為路徑上節(jié)點(diǎn)v和v+1之間的距離；Gv為路徑上節(jié)點(diǎn)v的剩余能量；Cv，v+1為路徑上節(jié)點(diǎn)v和v+1之間的通信質(zhì)量。

最后，按照選擇的最佳路徑，源簇將數(shù)據(jù)發(fā)送給下一跳節(jié)點(diǎn)，直至數(shù)據(jù)到達(dá)目標(biāo)簇，確保數(shù)據(jù)的完整性和來源可信性。

4" 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

4.1" 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

為了驗(yàn)證本文方法的實(shí)際應(yīng)用效果，本文引入基于DES算法的傳輸方法（方法1）和基于AEC算法的傳輸方法（方法2）展開對(duì)比。本文以MATLAB軟件為基礎(chǔ)，搭建對(duì)比實(shí)驗(yàn)的無線通信網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境，具體仿真參數(shù)如下：選用網(wǎng)格狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、120個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)量、50 m的通信距離、48 Mbps的傳輸速率、3.2 GHz的通信頻率、30 MHz的帶寬、1000 s的仿真時(shí)長(zhǎng)。

4.2" 傳輸穩(wěn)定性分析

本文以無線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)過程中，分別采用上述3種方法進(jìn)行無線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸，統(tǒng)計(jì)1000 s的仿真時(shí)間內(nèi)無線通信網(wǎng)絡(luò)波長(zhǎng)變化數(shù)據(jù)，以此描述各方法下無線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟▌?dòng)情況。經(jīng)過仔細(xì)觀察記錄后得知：本文方法在數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性方面表現(xiàn)最佳，在該方法下，傳輸數(shù)據(jù)波動(dòng)較小，無線通信網(wǎng)絡(luò)波長(zhǎng)范圍為1500.00～1500.03 nm；而應(yīng)用2種對(duì)比方法后，傳輸數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，無線通信網(wǎng)絡(luò)波長(zhǎng)范圍分別為1500.02～1500.06 nm、1500.03～1500.07 nm。因此，本文設(shè)計(jì)的無線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方法是有效且正確的，具有較高的傳輸穩(wěn)定性。

4.3" 傳輸安全性分析

本文以無線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸安全性為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，在無線通信網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境中，分別利用上述3種方法展開100 MB～500 MB數(shù)據(jù)的傳輸，并在傳輸過程中進(jìn)行模擬攻擊，統(tǒng)計(jì)各方法在模擬攻擊上成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，以此評(píng)估無線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴＞唧w傳輸結(jié)果如表1所示。

從表1看出，本文方法在數(shù)據(jù)傳輸安全性方面表現(xiàn)最佳，在該方法下，無線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)受到攻擊時(shí)平均傳輸丟包率僅1.92%，相較于2種傳統(tǒng)方法，分別降低了13.48%、12.94%，說明該方法的傳輸安全性更高。因此，本次無線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆抡鎸?duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以證明本文設(shè)計(jì)的基于HMAC算法的無線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全傳輸方法不僅可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的順利傳輸，且具有較好的通信質(zhì)量。

5" 結(jié)語

綜上，本文采用HMAC算法設(shè)計(jì)無線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全傳輸方法，詳細(xì)闡述實(shí)現(xiàn)流程，并通過仿真驗(yàn)證其有效性和優(yōu)越性，為無線通信網(wǎng)絡(luò)提供安全、可靠保障。然而，無線通信網(wǎng)絡(luò)安全問題持續(xù)發(fā)展，新挑戰(zhàn)不斷涌現(xiàn)。因此，未來研究需深化數(shù)據(jù)安全傳輸方法，優(yōu)化現(xiàn)有技術(shù)，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

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（編輯" 王雪芬）

Wireless communication network data security transmission method based on HMAC algorithmZHANG" Hongbin

（Department of Information and Engineering， Xinjiang Institute of Engineering， Urumqi 830000， China）

Abstract：" Wireless communication network data transmission is vulnerable to malicious attacks， data leakage， tampering and other risks. Therefore， a method of data security transmission in wireless communication network based on HMAC algorithm is proposed. In this method， the network nodes are grouped into clusters， and the secure communication mechanism between clusters is established by HMAC algorithm to realize the secure transmission of data. Experimental results show that this method significantly improves the stability and security of data transmission， and the communication quality is excellent.

Key words： HMAC algorithm; wireless communication network; network data; data transmission; secure transmission