無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)安全綜述

摘要：無人駕駛飛行器通信網(wǎng)絡(luò)（UAVCN）由一組無人駕駛飛行器（UAV）組成。無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的路由需求超出了MANETS和VANETS的需求，這些節(jié)點(diǎn)在自由空間中以自組織模式自主飛行，以執(zhí)行任務(wù)。由于無人機(jī)的能量供應(yīng)有限，為了提高其網(wǎng)絡(luò)的安全性和可用性，可以考慮進(jìn)一步研究無人機(jī)在協(xié)作和通信過程中面臨具有挑戰(zhàn)性的問題。無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的有限壽命和網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性產(chǎn)生了無縫切換的需求，各層的協(xié)議應(yīng)該有助于網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化與節(jié)能，因而需要適應(yīng)高移動(dòng)性、動(dòng)態(tài)拓?fù)洹㈤g歇鏈路、功率限制和變化的鏈路質(zhì)量的保障。路由質(zhì)量和電源問題都是影響無人機(jī)通信網(wǎng)路安全的重要因素。文章就由無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)特征、通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)問題、通信網(wǎng)絡(luò)路由管理方面展開研究，旨在進(jìn)一步保證無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)安全。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);通信安全;保密能力

中圖法分類號：V279文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Overview of UAV communication network security

HU Zengkang

（Zhonghua Communication System Co.，Ltd.，HebeiBranch，Shijiazhuang 050000，China）

Abstract：The Unmanned Aerial Vehicle Communication Network（UAVCN） consists of a group of Unmanned Aerial Vehicles （UAV）. The routing needs of UAV networks exceed those of MANETS and VANETS， nodes that fly autonomously in free space in an ad hoc mode to perform missions. Due to the limited energy supply of UAV， in order to improve the security and availability of their networks， further research on the challenging problems UAV face during collaboration and communication can be considered. The limited lifetime of UAV communication network nodes and the dynamic nature of the network have created the need for seamless switching. The protocols at each layer should help the optimization and energy saving of the network， so it needs to adapt to high mobility，dynamic topology， intermittent links， power limitation and guarantee of varying link quality.Routing quality and power issues are both important factors that affect the security of UAV communication networks. This paper studies the characteristics of the UAV communication network， the design of the communication network， and the management of the communication network routing， in order to further ensure the security of the UAV communication network.

Key words： UAV， communication security， confidentiality capability

與許多其他無線網(wǎng)絡(luò)不同，無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨著節(jié)點(diǎn)和鏈路數(shù)量的變化以及節(jié)點(diǎn)相對位置的改變而不斷變化，因此需要以保存能量的方法來延長其網(wǎng)絡(luò)通信壽命。無人機(jī)可根據(jù)應(yīng)用不同的速度移動(dòng)，這會導(dǎo)致其鏈路間歇性地建立，這種方式會給其通信網(wǎng)絡(luò)的安全造成一定的影響。無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的某些方面仍然是不直觀的，如流動(dòng)的拓?fù)洹⑾У墓?jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)的連結(jié)。在某些情況下，路由協(xié)議不能是主動(dòng)式或反應(yīng)式方案的簡單實(shí)現(xiàn)，這意味著無人機(jī)之間的主干不得不反復(fù)重組。此外，節(jié)點(diǎn)頻繁地加入和脫離網(wǎng)絡(luò)，也會給通信網(wǎng)絡(luò)的安全造成影響。研究表明，雖然adhoc網(wǎng)絡(luò)適合大多數(shù)情況下的無人機(jī)通信需求，但對于節(jié)點(diǎn)之間快速可靠的通信而言，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫歉雍线m的[1]。節(jié)點(diǎn)可能由于許多原因而斷開，因此移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)（ MANETS）和車載自組織網(wǎng)絡(luò)（VANETS）并不完全適用于無人機(jī)通信需求。基于此，我們需要根據(jù)無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)進(jìn)行針對性研究和設(shè)計(jì)。

1特征

類似于移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)（MANET）和車輛專用網(wǎng)絡(luò)（VANET），無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)（ UAVCN）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要使用許多節(jié)點(diǎn)來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。其特征包括自組織能力、自配置能力以及在節(jié)點(diǎn)間通信和協(xié)調(diào)期間以分散的方式自我管理信息。

以下特征區(qū)分了 UAVCN，MANET 和 VANET。與 MANET 和 VANET 相比，由于具有高移動(dòng)性，UAVCN 不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)連接性就更為顯著，這是一個(gè)重要因素。由于無人機(jī)的隨動(dòng)性更強(qiáng)，通信可能會中斷。通信數(shù)據(jù)中斷是數(shù)據(jù)傳輸過程中的一個(gè)關(guān)鍵問題。這直接導(dǎo)致無人機(jī)通信失敗，因?yàn)檫B接系統(tǒng)和鏈路故障會使其通信數(shù)據(jù)連接斷開，或產(chǎn)生延遲，因此導(dǎo)致通信中斷。與移動(dòng)自組網(wǎng)和 VANET 相比，無人機(jī)節(jié)點(diǎn)之間的距離更大，因此導(dǎo)致無人機(jī)通信信號容易產(chǎn)生中斷等現(xiàn)象。無人機(jī)的節(jié)點(diǎn)具有更大的移動(dòng)性和多變性，如其鏈路連接性波動(dòng)可能導(dǎo)致鏈路斷開，從而導(dǎo)致無人機(jī)通信失敗、性能降低[2]。由于無人機(jī)速度更快，因此無人機(jī)可以覆蓋更大的目標(biāo)區(qū)域來完成任務(wù)。然而，與 VANET 和 UAVCN 相比，MANET 節(jié)點(diǎn)的速度較低。與 UAVCN 相比，VANET 節(jié)點(diǎn)的速度較慢。但與 MANET 和 VANET 節(jié)點(diǎn)相比，UAVCN 節(jié)點(diǎn)需要更多的能量來進(jìn)行通信。它還取決于無人機(jī)的大小和類型。事實(shí)上，UAVCN 通信所需的能量比 MANET 節(jié)點(diǎn)通信所需的能量大得多。

MANET 和 VANET 使用二維（2D）移動(dòng)模式進(jìn)行通信，然而 UAVCN 支持2D 和三維（3D）移動(dòng)模式進(jìn)行通信。移動(dòng)性在無人機(jī)通信中有著重要的作用，這是給物理層帶來挑戰(zhàn)的最重要的特征[3]。MANET 節(jié)點(diǎn)可以像 VANET 和 WSN 一樣靠近地面運(yùn)行，UAVCN 節(jié)點(diǎn)可以在自由空間運(yùn)行。然而，自由空間路徑損耗模型或另一種合適的模型可以用于對物理層建模。此外，天氣條件、大型障礙物（如建筑物、山脈和地面反射）會降低網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的鏈接性能，進(jìn)而導(dǎo)致鏈路故障。由此，傳播模型在處理這個(gè)問題中就起著重要作用。

2無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

UAVCN 是 MANET 的一個(gè)子集，但它有獨(dú)特的設(shè)計(jì)考慮。設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到通信網(wǎng)絡(luò)的安全。

一般來說，UAVCN 的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)注意以下幾點(diǎn)。

2.1節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性

節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性是 UAVCN 設(shè)計(jì)中的一個(gè)主要問題，并且在 UAVCN 和其他自組織無線網(wǎng)絡(luò)之間具有適當(dāng)?shù)牟町悺Ｉ婕?VANET 的 MANET 節(jié)點(diǎn)是中等緩慢的。與 MANET 和VANET 相比，UAVCN 節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性更大。節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性在 UAVCN 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中起到基本的約束作用[4]。

2.2移動(dòng)模型

移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以部署在特定的地形上， VANET 節(jié)點(diǎn)可以在街道、公路和鐵路上運(yùn)行。然而， UAVCN 節(jié)點(diǎn)可以在空中大氣/天空中運(yùn)行。移動(dòng)性的各種模型已經(jīng)被投影，以確保節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模式。這些移動(dòng)模型體現(xiàn)了多架無人機(jī)的速度、位置和位置偏差。

2.3節(jié)點(diǎn)密度

節(jié)點(diǎn)密度即單位面積上可用的通信節(jié)點(diǎn)數(shù)量。與 MANET 和 VANET 相比，UAVCN 環(huán)境中的節(jié)點(diǎn)密度較小，也就意味著 UAVCN 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加簡單，更容易出現(xiàn)安全問題。

2.4拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由于無人機(jī)具有更突出的移動(dòng)性，因此與 MANET 和 VANET 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化頻繁。然而，鏈路中斷問題會更頻繁地發(fā)生，這無疑影響了無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的正常使用。并且，拓?fù)涓掳l(fā)生得非常頻繁，高移動(dòng)性、距離和循環(huán)鏈路質(zhì)量導(dǎo)致鏈路中斷和拓?fù)渥兓o人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓Q于無人機(jī)的機(jī)動(dòng)性和無人機(jī)的節(jié)點(diǎn)密度，無人機(jī)節(jié)點(diǎn)間距離的變化表明了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化。因此，在 UAVCN 中添加或刪除 UAVCN 的任何時(shí)候，其拓?fù)涓露紩l(fā)生。由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化以及鏈路中斷，可能導(dǎo)致無人機(jī)通信失敗。

3無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)路由管理

3.1確定性路由管理

在確定性路由的管理方法中，假設(shè)無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡和鏈路是完全已知的。在無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的背景下，無人機(jī)以受控編隊(duì)飛行的應(yīng)用中，或者在它們執(zhí)行某個(gè)區(qū)域特定任務(wù)的過程中，在某特定區(qū)域上空盤旋的應(yīng)用也是常有的。如果所有主機(jī)都了解其他主機(jī)的可用性和運(yùn)動(dòng)軌跡，則可以使用樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞椒▉磉x擇路徑。以源節(jié)點(diǎn)為根并添加子節(jié)點(diǎn)以及與這些節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的時(shí)間來構(gòu)建樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過選擇到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的最早時(shí)間，可以從樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中選擇最終路徑。如果主機(jī)最初不知道特征簡檔，那么它們通過與網(wǎng)絡(luò)鄰居交換可用的簡檔來了解這些特征簡檔，基于這部分知識來選擇路徑，可以通過要求主機(jī)記錄過去的消息所經(jīng)過的路徑來改進(jìn)相關(guān)方法以及把握確定性算法，從而假定節(jié)點(diǎn)和鏈路在空間和時(shí)間上的全局知識。確定性路由協(xié)議對傳輸中的消息使用單副本單播，與隨機(jī)路由技術(shù)相比，它能以更少的資源使用，提供良好的性能，在節(jié)點(diǎn)軌跡是協(xié)調(diào)的或可以精確預(yù)測的應(yīng)用中，如星際網(wǎng)絡(luò)，這是正確的定義了一個(gè)多重圖，其中頂點(diǎn)表示延遲容忍節(jié)點(diǎn)，同時(shí)描述節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)變鏈路容量，確定性路由機(jī)制僅適用于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇深A(yù)測的情況，但實(shí)際上無人機(jī)往往是在不可預(yù)測的環(huán)境中行動(dòng)。因此，其更加需要加強(qiáng)隨機(jī)路由管理。

3.2隨機(jī)路由管理

在隨機(jī)的無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)中連接對路由管理是具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)何時(shí)連接以及連接多長時(shí)間都是未知的。當(dāng)連接確實(shí)發(fā)生時(shí)，需要確定連接中的對等體是否可能將分組帶到離目的地更近的地方。將分組移交給聯(lián)系人的決定，除了取決于聯(lián)系人將分組帶到更接近目的地的概率之外，還取決于兩個(gè)節(jié)點(diǎn)中的可用緩沖空間，以及轉(zhuǎn)發(fā)該分組相對于該節(jié)點(diǎn)持有的其他分組的相對優(yōu)先級。此外，如果節(jié)點(diǎn)具有關(guān)于其位置的信息，則可以利用該信息。在上述情況下，路由的主要目標(biāo)是保證最大化在目的地交付的概率，同時(shí)解決其延遲問題。隨機(jī)路由管理模式主要有以下幾種。

3.2.1基于統(tǒng)計(jì)法的路由管理

這種方法用于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，這些移動(dòng)節(jié)點(diǎn)大多是斷開的。節(jié)點(diǎn)會制作大量的消息副本，并將它們轉(zhuǎn)發(fā)給稱為中繼的其他節(jié)點(diǎn)。繼電器轉(zhuǎn)移即當(dāng)其他節(jié)點(diǎn)與它們接觸時(shí)，就將消息發(fā)送給它們。若沒有關(guān)于鏈路或路徑轉(zhuǎn)發(fā)概率的預(yù)測，則消息就會通過網(wǎng)絡(luò)的連接部分迅速傳播。然而，在相互聯(lián)系時(shí)，節(jié)點(diǎn)僅交換它們不在存儲器緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。因此，它對節(jié)點(diǎn)或預(yù)防網(wǎng)絡(luò)故障具有一定的積極作用，可以保證在足夠數(shù)量的隨機(jī)交換后，所有節(jié)點(diǎn)將最終在最短的時(shí)間內(nèi)接收到所有消息。

3.2.2基于估計(jì)法的路由管理

采用這種方法中間節(jié)點(diǎn)不是不加以選擇地將消息轉(zhuǎn)發(fā)，而是估計(jì)每條傳出鏈路最終到達(dá)目的地的概率。基于這種估計(jì)法，中間節(jié)點(diǎn)決定是否存儲分組并等待更好的機(jī)會，或者決定何時(shí)以及向哪個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)。這方面的變化可以是基于下一跳轉(zhuǎn)發(fā)概率估計(jì)的決策或基于平均端到端度量（如最短路徑或延遲）的決策。

3.2.3基于節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制的路由管理

節(jié)點(diǎn)可以被動(dòng)地等待與另一個(gè)節(jié)點(diǎn)重新連接的機(jī)會，或者主動(dòng)地尋找另一個(gè)節(jié)點(diǎn)。在節(jié)點(diǎn)等待重新連接的反應(yīng)情況下，對于某些應(yīng)用而言，可能存在長時(shí)間的不可接受的傳輸延遲。在前攝情況下，已經(jīng)提出了許多方法來控制節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性以減少延遲。在一類方法中，一些節(jié)點(diǎn)的軌跡被改變，以改善一些系統(tǒng)性能指標(biāo)，如在消息擺渡方法中，特殊的擺渡節(jié)點(diǎn)在預(yù)先計(jì)劃的路線上攜帶數(shù)據(jù)，其他節(jié)點(diǎn)靠近擺渡并與之通信，或者擺渡節(jié)點(diǎn)隨機(jī)移動(dòng)，其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送服務(wù)請求作為響應(yīng)，對該響應(yīng)，所選擺渡節(jié)點(diǎn)將靠近請求節(jié)點(diǎn)。

3.2.4基于編碼的路由管理

網(wǎng)絡(luò)編碼的概念來自信息論，可以應(yīng)用在路由中，以進(jìn)一步增加系統(tǒng)吞吐量。中間節(jié)點(diǎn)不是簡單地轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，而是將目前收到的一些數(shù)據(jù)包組合起來，作為一個(gè)新的單個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送出去，以最大化信息流。擦除編碼涉及更大的處理，因此需要更大的功率，擦除編碼包括冗余數(shù)據(jù)，在重傳不可行的情況下非常有用。實(shí)際上，在 UAV 中重發(fā)將是具有可能不同節(jié)點(diǎn)集的不同路徑，并且冗余信息所需的存儲也是有限的。混合擦除編碼結(jié)合了擦除編碼和主動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，在節(jié)點(diǎn)接觸期間按順序發(fā)送所有數(shù)據(jù)包。如果節(jié)點(diǎn)電池電量耗盡或節(jié)點(diǎn)因故障失去移動(dòng)性，它將無法向目標(biāo)傳送數(shù)據(jù)，從而產(chǎn)生“黑洞”信息丟失問題。

4結(jié)論

研究表明，無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的安全問題與其特殊的結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系。針對加強(qiáng)無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)安全，首先需要根據(jù)無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)進(jìn)行針對性研究，并合理地對其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了提高無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的安全性和可用性，還應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的路由管理。設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)高度重視無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的有限壽命和網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性對于無縫切換的需求，充分進(jìn)行各層的協(xié)議優(yōu)化，對無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的能量進(jìn)行有效管理，以增強(qiáng)其網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。此外，設(shè)計(jì)者還應(yīng)該注意到無人機(jī)活動(dòng)環(huán)境的隨機(jī)性，深入研究隨機(jī)路由管理，探索更加有效的管理方法，以期不斷完善無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制。

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作者簡介：

胡增康（1988—），碩士，工程師，研究方向：電子通信。