探討水下無線通信網絡安全關鍵技術

葉德明

摘要：無線通信網絡在各個領域中廣泛應用，在海洋監測等領域中發揮著重要功能。基于此，本文通過分析無線通信網主要安全問題，詳細分析了網絡安全技術。通過安全技術的應用加強安全建設，提高無線通信網安全防御能力，充分利用網絡協議、安全成簇策略以及安全管理機制實現安全防護。

關鍵詞：水下無線通信網絡;網絡安全;安全技術;安全成簇策略;網絡協議

引言

水下無線通信網在海洋系統中發揮著重要作用，能夠在不同工作情境中滿足通信需要。但由于運行環境較為特殊，經常面臨著安全威脅，受到惡意攻擊后，影響數據和信號傳輸的有效性和完整性。目前無線通信網建設并不完善，存在很多安全問題，難以抵抗惡意攻擊和入侵，不利于我國海洋數據的安全性。因此需要通過網絡安全技術的研究，完善網絡安全結構，加強通信網安全建設。

一、水下無線通信網絡的主要安全問題

水下無線通信網絡主要用于海洋開發和勘探工作，能夠輔助預報海洋災害以及天氣預報，對海上環境進行監測，同時可以滿足潛水員的交流和溝通，進行水下和陸地的溝通。在軍事領域中通過無線通信網絡能夠滿足潛艇通信需要，實現通信系統自動化，顯著提高海軍防御能力。使用無線通信網絡，輪船將具備強大的控制能力，能夠遠程操控深海探測設備，將設備拍攝的畫面和數據及時傳輸給監測系統。漁民通過無線通信網絡也能對漁場進行遠程管理，提高漁民的收入水平。水下無線通信網絡主要用于海洋勘探、環境監測、軍事監測等領域中，通信網絡安全關系到工作的開展[1]。現階段常面臨的網絡安全問題包括：水聲信道、網絡拓撲以及水下節點三個方面。水聲信道用于接收數據和信息，是信息傳輸的重要構成，但由于其開放性特點，信號傳輸容易受到入侵，被惡意截取。網絡拓撲結構對于通信網絡影響重大，由于網絡拓撲結構主要設置于深水區域中，容易受到水流的影響，發生位置變化，難以確定節點位置。此外節點也容易受到生物、水流等影響，受到破壞，節點破壞將對網絡結構造成嚴重損害，甚至造成網絡癱瘓。上述安全問題影響通信網絡的穩定運行，需要利用安全技術加強安全建設，保證信號和數據的安全傳輸。

二、水下無線通信網絡安全關鍵技術

為保證海洋勘探、軍事領域等應用，務必保證無線通信網絡的安全，需要積極利用網絡安全技術展開安全防御，滿足通信安全需求，支持數據和信息的安全傳輸。

（一）安全體系結構

水下無線通信網絡主要面臨物理攻擊、特定協議攻擊、數據傳輸攻擊以及拒絕服務攻擊多種形式，為滿足網絡安全需要，建立安全體系結構。安全技術和防御應跨層次設計，不限定在固定層次，遇到入侵問題考慮數據鏈路層，跨層入侵攻擊無法被防御和檢測，進行混合攻擊[2]。對于影響水下通信網絡的攻擊，并結合黑洞攻擊、方向攻擊等，可能造成嚴重危害，很難進行防范和檢測。需要跨層次設計安全體系，實現通信網絡的全方位保護。由于水下節點電池無法替換或者充電，需要充分考慮到能耗的問題，減少復雜算法的應用，減少節點能耗。此外考慮到水流對于水下節點的影響，可能造成節點出現移動。尤其是動態網絡拓撲，AUV在不同深度航行，可以和不同節點通信。因此需要保證網絡拓撲結構準確分辨惡意節點和合法節點，可以提高網絡自適應性。注意根據通信網絡的應用場景，進行差異化設計。對于軍事領域的通信網絡，需要對目標進行跟蹤和監測，對于安全要求較高，需要聯合使用入侵檢測、身份認證以及加密技術等展開安全保護。對于海洋勘探、環境保護等領域，安全需求相對較高，則通過安全技術保護數據的完整和通信安全。

（二）安全管理機制

在安全管理機制上，基于信任關系建立安全體系，避免受到惡意節點攻擊。采取分簇拓撲管理機制，從分級加密、混合密鑰管理、分級信任以及惡意節點檢測展開安全管理。分級加密通過對稱加密簇內通信，使用混合加密簇間通信，識別通信身份，對數據和公鑰進行加密，保證通信安全性。建立分級密鑰管理，分為簇內和簇間兩個部分進行密鑰管理，簇內通信由簇頭生成、管理和分發密鑰，簇頭和節點生成共享密鑰，對通信進行安全加密。簇間通信使用混合密鑰管理，由密鑰分配中心生成公鑰，分發私鑰，滿足通信安全需要。分級混合加密機制，結合對稱加密和非對稱加密兩種機制，對稱加密使用單一密鑰加密，一個密鑰可應用于信息加密以及解密的過程，發送方發送明文，使用密鑰A加密變成密文B，密文B被發送至接受方，接收方受到密文后使用逆算法解密，恢復明文。而非對稱加密使用雙密鑰，發送方使用接收方發送的公鑰對明文加密，得到密文C，發送給接收方，接收方使用私鑰解密密文得到明文。

（三）安全成簇策略

對網絡拓撲安全的保護使用安全成簇策略，根據網絡拓撲結構選擇對應的成簇策略，兼顧網絡拓撲的可靠性和安全性。安全成簇策略在確定每簇所在位置后，不需要重新再次成簇，在本區域內可重選，對其他區域使用無影響。能夠顯著提高數據精度，統一整理各項數據，通過公式計算準確評估，提高網絡安全性。在初始化階段，部署拓撲節點，考慮到能耗和簇頭節點存在反比關系，節點數越多，能耗越高[3]。目前主要使用評估節點能量確定簇頭的方式，在重新選擇簇頭時，為達到節約能耗的作用，簇頭無法識別惡意站點，需要綜合評價各項信息，選擇評分最高的節點。重新選擇簇頭時，如果加入新節點或者有節點失效，都會造成拓撲結構的改變。因此在通信網絡運行中，需要對節點進行適時監控，及時發現節點變化，使用相關技術維護節點。舊節點失效是由于能耗問題或受到節點破壞，更要對節點展開實時監控，總結節點失效的原因。注意監控節點運行軌跡，識別可信任節點，及時停止不可信節點。

（四）數據安全協議

針對水聲信道以及無線通信網絡特點，選擇對應的MAC協議，提高通信網絡的安全性和有效性。使用TDMA協議處理節點沖突問題，使用競爭協議提高信道利用率，使用握手機制處理隱藏端問題，充分發揮出混合協議的優勢，并削弱協議弊端，提高通信網絡的靈活性。在TDMA協議中引入猝發通信機制，及時傳輸數據，并通過信任機制認證節點合法性，可以規避惡意節點對猝發請求的頻繁占用。在通信時隙內發送請求，根據優先級以及數量量級預約信道，收到請求后驗證節點可信性，通知其他節點暫停工作進入睡眠狀態，傳輸數據結束后釋放信道。在混合協議中引入加密機制，加密信號和數據，充分保證數據的安全性行業鏈路獨立性。簇間握手信號經過公鑰加密處理，經過簇頭節點會話密鑰協商，傳輸信號，建立簇頭會話密鑰，減少通信能耗。給節點和兩跳內節點分配偽隨機碼擴頻，避免通信干擾以及信道沖突，避免時間和空間重疊問題。通過擴頻碼對PN碼替代，分配碼值，可以提高容量，保證系統安全性。在水下無線通信網絡中MAC層常面臨威脅攻擊，破壞信道訪問和交互，影響到正常通信。在MAC協議內引入安全機制能夠通過加密處理保護數據的安全性和完整性，保證通信傳輸的安全進行。

結論

綜上所述，目前水下無線通信網絡主要面臨水聲信道、網絡拓撲以及水下節點三個方面的安全問題。為了保障環境監測、海洋勘探、軍事領域等應用，務必保證網絡通信安全，通過建設安全體系結構、展開安全管理機制、使用安全成簇策略、應用數據安全協議，保證通信網絡的有效性和安全性，從根本上防御惡意攻擊，滿足通信網絡的安全需求。

參考文獻

[1]孫彪.基于通信網絡安全的關鍵技術研究[J].信息通信，2020（10）：204- 205.

[2]李飛，楊艷.艦船電力系統通信網絡安全智能監測系統[J].艦船科學技術，2020，42（14）：124-126.

[3]馬英翔.基于LoRa的淺水通信網絡節點設計與實現[D].西安電子科技大學，2020.