水下無線通信網(wǎng)絡(luò)安全問題研究

黃碧佳

摘 要：社會(huì)不斷發(fā)展的今天，越來越多的國(guó)家開始強(qiáng)調(diào)海洋的重要性。越來越多的專家學(xué)者已經(jīng)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(duì)海洋的開發(fā)一直維持在表面。而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無線通信技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，并且以無線通信技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)為基礎(chǔ)，慢慢的開始將無線通信網(wǎng)絡(luò)用于海洋環(huán)境的研究和數(shù)據(jù)收集中，從而幫助國(guó)家進(jìn)行海洋研究。但是由于技術(shù)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(luò)的安全問題。

關(guān)鍵詞：水下無線通信；通信網(wǎng)絡(luò)；安全問題

在不斷發(fā)展的今天，科學(xué)技術(shù)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(shù)之中，無線通信的大面積應(yīng)用和普及更是提高了日常的通信效率，加強(qiáng)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(xiàng)通信技術(shù)開始被用于越來越多的環(huán)境之中。例如針對(duì)水下進(jìn)行無線通信技術(shù)，可以收集水下的各種數(shù)據(jù)，并且對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行人性化的分析和處理，促進(jìn)海洋資源進(jìn)一步的探索和開發(fā)。然而由于水下環(huán)境十分復(fù)雜，對(duì)于無線通信技術(shù)的安全保護(hù)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(luò)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(luò)節(jié)點(diǎn)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(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(luò)。這些節(jié)點(diǎn)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(duì)水下環(huán)境的檢測(cè)。再將收集起來的數(shù)據(jù)和環(huán)境資料經(jīng)由水下巡邏艦等傳遞給相關(guān)的研究部門，然后再利用水上的通信網(wǎng)絡(luò)，主要是有線通信網(wǎng)絡(luò)傳遞給使用用戶。

但是因?yàn)樗碌沫h(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(fù)雜，因此在地下利用的無線網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境要比地面上的環(huán)境更加復(fù)雜。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)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(gè)數(shù)量級(jí)；其次，因?yàn)閭鞑ボ壍赖膸婷娣e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(luò)環(huán)境中的自主巡航器一直處在流動(dòng)的環(huán)境中，信號(hào)也一直在流動(dòng)的點(diǎn)與固定的點(diǎn)之間進(jìn)行傳遞，無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的信號(hào)聯(lián)系；最后，因?yàn)槁晫W(xué)設(shè)備的價(jià)格昂貴，因此在水下的無線網(wǎng)絡(luò)需要花費(fèi)更大的經(jīng)濟(jì)成本。

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

而針對(duì)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(luò)中的弊端：首先就表現(xiàn)在帶寬導(dǎo)致這錯(cuò)誤的信息傳輸率，對(duì)于一些關(guān)鍵的數(shù)據(jù)毫無保護(hù)能力；其次就在于數(shù)據(jù)有可能被別有用心的機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)包或者修改，從而不利于對(duì)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(yù)測(cè)性，從而無法保證數(shù)據(jù)收集的穩(wěn)定領(lǐng)；最后，水下環(huán)境中的無線通信網(wǎng)絡(luò)消耗能力極大，需要大量資金的支持。

2 對(duì)水下無線通信網(wǎng)絡(luò)安全存在的威脅

對(duì)水下無線通信網(wǎng)絡(luò)安全存在的威脅可以從圖1來進(jìn)行認(rèn)識(shí)和研究。

圖1 水下無線通信網(wǎng)絡(luò)安全存在的威脅

3 針對(duì)威脅的保護(hù)措施

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

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

3.2 加強(qiáng)數(shù)據(jù)的機(jī)密程度。這就是需要針對(duì)一些在傳輸過程中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行加密，加強(qiáng)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(luò)安全問題

目前在國(guó)外的先進(jìn)研究技術(shù)中我們可以發(fā)現(xiàn)，國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)所采用的技術(shù)主要有安全時(shí)鐘同步技術(shù)、安全定位技術(shù)和安全路由技術(shù)。其中，安全時(shí)鐘同步技術(shù)就是適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)一種時(shí)間戳滑動(dòng)窗口方案，就能夠監(jiān)測(cè)內(nèi)部攻擊。每個(gè)傳感器必須從多個(gè)傳感器中獲得時(shí)間戳讀數(shù)，并計(jì)算每個(gè)鄰近時(shí)問戳的相關(guān)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(gè)閾值，那么它就是一個(gè)異常值。如果一個(gè)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(gè)窗口）比預(yù)定閾值高，那么相應(yīng)的鄰居就被標(biāo)記為產(chǎn)生內(nèi)部攻擊的惡意節(jié)點(diǎn)；安全定位技術(shù)，就是在定位階段水下傳感器獲得移動(dòng)信標(biāo)和鄰居節(jié)點(diǎn)的位置和速度信息，路由協(xié)議再使用移動(dòng)信標(biāo)的位置和運(yùn)動(dòng)信息來為節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)選擇最好的中繼路徑；安全路由技術(shù)就是針對(duì)水下不利于設(shè)備存放的環(huán)境來進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)具有能量檢測(cè)能力的、魯棒的、可縮放的、自適應(yīng)的路由協(xié)議來應(yīng)對(duì)。

對(duì)于安全時(shí)鐘同步來說，以下研究問題尚待解決：（1）針對(duì)水下無線通信網(wǎng)絡(luò)高且多變的傳播延遲，需要研究估算同步節(jié)點(diǎn)所需時(shí)間的方法；（2）針對(duì)延遲和“蛀洞“攻擊，需要設(shè)計(jì)僅需少量計(jì)算和通信成本的有效和安全的時(shí)間同步方案。

對(duì)于安全定位來說，以下研究問題尚待解決：（1）針對(duì)在水下無線通信網(wǎng)絡(luò)中注人錯(cuò)誤定位信息的攻擊，需要開發(fā)有效的加密算法；（2）必需設(shè)計(jì)能夠在出現(xiàn)“女巫”攻擊和“蛀洞”攻擊時(shí)確定傳感器位置的彈性算法；（3）需要開發(fā)識(shí)別惡意或危害錨節(jié)點(diǎn)的技術(shù)，以避免對(duì)這些節(jié)點(diǎn)的錯(cuò)誤檢測(cè)；（4）需要設(shè)計(jì)能夠在水下無線通信網(wǎng)絡(luò)中解決節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性問題的安全定位機(jī)制。

對(duì)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(yù)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(diǎn)的路由路徑；（2）需要設(shè)計(jì)對(duì)付外部入侵者的快速而強(qiáng)大的加密和認(rèn)證機(jī)制；（3）應(yīng)該開發(fā)對(duì)付選擇性轉(zhuǎn)發(fā)、“女巫”攻擊、呼叫泛洪攻擊和確認(rèn)電子欺騙等內(nèi)部攻擊的先進(jìn)機(jī)制；（4）有必要開發(fā)對(duì)付“污水池”攻擊和“蛀洞”攻擊的新技術(shù)，并提高現(xiàn)有技術(shù)，因?yàn)槔梅植际街纯梢暬到y(tǒng)，蛀洞攻擊仍然能夠通過控制距離估計(jì)信息包的緩沖時(shí)間來實(shí)現(xiàn)隱藏，而蛀洞彈性鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)方法會(huì)受到傳感器之間方向誤差的影響。

結(jié)束語

水下無線通信網(wǎng)絡(luò)近年來在海洋資源勘探與開發(fā)、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)以及軍事斗爭(zhēng)等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，促使各海洋大國(guó)越來越重視對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)的研究。水下無線通信網(wǎng)絡(luò)受自身特性限制和水下通信環(huán)境的制約，對(duì)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(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命為出發(fā)點(diǎn)，一定程度上忽視了對(duì)安全問題的研究。因此，研究水下無線通信網(wǎng)絡(luò)存在的安全弱點(diǎn)，并針對(duì)其面臨的安全威脅，設(shè)計(jì)、研發(fā)適用于水下無線通信網(wǎng)絡(luò)的安全技術(shù)和安全機(jī)制具有重要的意義。

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