基于區塊鏈的無線網絡通信數據加密傳輸方法

彭鵬

摘要：無線網絡承擔著各行各業的通信任務，無線網絡傳輸數據量的增大對其傳輸響應時間、傳輸的安全性要求越來越高。為此，文章提出基于區塊鏈的無線網絡通信數據加密傳輸方法。該方法在利用區塊鏈技術獲取無線網絡通信節點數據的基礎上，利用混沌映射方法加密了獲取的無線網絡通信節點數據。通過統一通信數據傳輸格式和基于TCP通信協議設計通信架構，實現無線網絡通信數據加密傳輸。設計對比測試結果表明，文章所提出基于區塊鏈的無線網絡通信數據加密傳輸方法的加密傳輸執行效率較高，響應時間較短，異常節點丟失情況較少，證明了文章所提方法具有較好的加密傳輸性能。

關鍵詞：區塊鏈；數據加密；無線網絡通信；數據傳輸；混沌映射；TCP通信協議

中圖分類號：TP399? 文獻標志碼：A

0 引言

無線網絡中要傳輸的數據量越來越大［1］，對鄰近結構的組織要求越來越高。由于無線網絡是以數據為中心的網絡，并且環境復雜，在進行數據傳輸時，不僅要考慮數據傳輸的可靠性，還需要考慮數據傳輸的高效性。相鄰節點的響應時間太長，容易造成單向數據傳輸的平均流量受限。相關的數據加密傳輸方法引起了學者的廣泛關注。區塊鏈是數據信息領域的一個專有名詞，它可以作為一個開放的共享數據庫［2］，直接儲存系統在運行過程中所產生的數據，并具有可公開、可追溯、可維護、可處理等諸多優點。這種數據分享機制是一種新的計算機加密算法，其主要體現在分布式信息存儲中。為了提升數據傳輸效率，人們提出采用無線通信節點，組建整體的數據傳輸網絡。按照實際數據傳輸需求，連接部分節點生成備份數據傳輸路徑。但是，由于每條數據傳輸路徑的通信能力有差異，更多情況下規劃的數據傳輸路徑，難以發揮良好的傳輸效果。仝軍等［3］在通過混沌參數調制及時間戳技術獲取節點能量特征的基礎上，從節點、鏈路、能量3方面實現了無線傳感數據加密傳輸。區塊鏈不同于傳統的處理方式，它是從比特幣體系中衍生出來的，其本質就是一種沒有中央標識的信息儲存。區塊鏈是數據傳輸系統的基礎技術，它需要通過一系列的加密來保證數據包的安全。為了保證無線通信網絡安全穩定傳輸，本文提出基于區塊鏈的無線網絡通信數據加密傳輸方法。

1 無線網絡通信數據加密傳輸

當前，無線網絡通信數據加密傳輸方法，主要依托聚類方法，無法有效獲取數據加密傳輸時的潛在感知事件，使得數據傳輸安全性不高。為此，本文提出了基于區塊鏈的無線網絡通信數據加密傳輸方法。

1.1 獲取無線網絡的通信節點數據

區塊鏈技術［4］是以一種完整的網絡架構為基礎，對無線網絡中的節點進行實時監控，形成的一個完整的數據監控閉環。利用區塊鏈技術對無線網絡通信節點進行數據采集的詳細過程，如圖1所示。

本文使用區塊鏈底層P2P網絡，并將區塊鏈網絡中各節點設定為無線網絡的各組件，使各組件在無線網絡中成為同等的節點，并確保各組件享有同等的權利與責任。在新的節點訪問無線網絡時，應及時了解無線網絡中的其他節點相關情況，并進行區塊鏈同步。新的節點在嘗試加入一個無線網絡時，它會向無線網絡中的一個節點提出一個完整的訪問請求，在訪問請求出現時，無線網絡會將報文傳輸到無線網絡中央節點［5］。同時，當一個節點嘗試進入一個無線網絡后，在這個時間段內，與其工作相關的所有節點數據，都會被傳輸到監控中心，然后判斷這個節點是否缺失了數據，如果是，此時該節點的數據存在異常，訪問通信的請求被拒絕。

1.4 統一通信數據傳輸格式

信道均衡的穩定性隨著通信信道載波數量的增加不斷降低，消除了干擾對數據傳輸產生的影響，所提方法在數據通信碼元相似度度量的基礎上優化數據傳輸。無線網絡的海量通信數據單位傳輸格式包括：頭幀、數據幀［8-9］、組態幀、指令幀；利用指令框來決定無線網絡通信數據傳輸的控制指令。各幀都有相同的功能字節指派，非同幀的幀首可以顯示各幀的類型和時間同步信息，在數據傳輸中，各幀之間沒有分界符。將所有的數據都統一到同一結構的數據傳輸格式中，使用統一的數據傳輸格式，既能提高無線網絡的通信效率，又能為以后的數據分析和應用提供一定的支持。本文從空間和時間的角度，對無線網絡中有效的數據傳輸形式進行了探討。

采用以上數據傳輸格式數據單元幀的唯一編碼作為 ID，設定數據單元唯一編碼字節的存儲器數目是16個字節，其他通信數據設定字節是1 024個，而“Equipment”和“Time”是數據傳輸點和開始時間和結束時刻；設定數據傳輸開始時間和結束時間位元組的儲存數目都是16位，開始時間和結束時間位元組的數目是8位；使用代表特定時間、特定傳輸點的數據的 Data字節是1 024 000，在新傳輸數據超過隊列數目時將其丟棄。至此完成通信數據傳輸格式的統一。

1.5 設計通信架構

采用TCP通信協議［10］作為無線網絡海量通信數據加密傳輸連接的通信協議，選取C/S模式設置無線網絡通信數據加密傳輸的信道。無線網絡海量通信數據加密傳輸的建立流程，如圖2所示。

加密傳輸在重建通信或重新啟動時并未建立，不同系統與傳輸模型的通信過程可分為不同個子通信流程。至此，完成基于區塊鏈的無線網絡通信數據加密傳輸。

2 仿真實驗測試

2.1 仿真環境

部署無線網絡環境為單個節點和共識排序服務相結合，以數據分發機制為依據，在同一通道內搭建測試平臺。選擇兩個虛擬機作為部署數據分發源服務器，一臺虛擬機搭載開源SDN控制器Ryu，利用Python語言執行按照；另一臺虛擬機安裝Mininet，將Mininet中host與外部虛擬機連接，模擬無線網絡拓撲獲取鏈路參數。

選用60 GB硬盤、4GB內存和Intel Core（TM） i7CPU，共同構建實驗硬件環境。同時，本次仿真實驗過程中，采用了第三方流量監控軟件sFlow，實時監控數據傳輸情況。數據庫采用MySQL5.6.10，并且利用IronTrackSQL和P6Spy工具統計無線網絡通信數據的存儲時間。

2.2 仿真測試分析

本文為了驗證基于區塊鏈技術的無線網絡通信數據加密傳輸方法的性能，分別利用本文所提方法、仝軍等［3］考慮節點能量特征的無線傳感數據加密傳輸方法測試無線網絡通信數據加密傳輸的執行效率，測試結果如圖3所示。

仝軍等［3］方法的無線網絡通信數據加密執行效率略低于提出方法，如圖3所示。本文提出方法中第6次實驗所得的數據加密執行效率最高大約為93%，仝軍等［3］方法的無線網絡通信數據加密執行效率最高為84%。由此可見，本文提出方法在一定程度上提升了無線網絡通信數據加密傳輸的執行效率，具有較好的性能。

在對無線網絡通信數據加密傳輸執行效率測試的基礎上，測試無線網絡通信數據加密傳輸的響應時間，測試結果如圖4所示。

在對無線網絡通信數據加密傳輸測試時，本文提出方法數據加密傳輸響應時間最短，仝軍等［3］方法的無線網絡通信數據加密傳輸響應時間變化波動較大，如圖4所示。本文所提方法的數據加密傳輸響應時間在20ms～40ms范圍內變化，仝軍等［3］方法的數據加密傳輸響應時間在43ms～68ms范圍內變化。對比得到，本文提出方法在具有較高數據加密執行效率的情況下，還具有較短的加密傳輸響應時間，驗證了提出方法良好的性能。

本文對比兩種加密傳輸方法進行通信時，丟失的異常節點數量，并計算兩種加密傳輸方法的節點丟失率，如表1所示。

本文提出方法在多次測試中，節點丟失率低于3.06%；仝軍等［3］的無線網絡通信數據加密傳輸方法在多次測試中，其節點丟失率低于10.12%，如表1所示。

綜合上述，本文所提方法具有較好的無線網絡通信數據加密傳輸執行效率，較低的執行響應時間，利用區塊鏈技術可以準確采集異常無線網絡節點。

3 結語

為了避免無線網絡通信數據被篡改所帶來的損失，本文提出了基于區塊鏈技術的無線網絡通信數據加密傳輸方法。該方法加密了利用區塊鏈技術獲取的通信數據。通過統一通信數據傳輸格式和設計通信架構，實現無線網絡通信數據加密傳輸。通過對提出方法性能的測試，得到的測試結果證明了該方法在對無線網絡通信數據加密傳輸時，不僅具有較高的數據加密執行效率，還具有較短的數據加密傳輸響應時間，驗證了所提方法具有良好的性能，能夠進一步增強數據的安全性，最終被廣泛應用在眾多研究領域中。

參考文獻

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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