基于HMAC算法的無線通信網絡數據安全傳輸方法

作者簡介：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：無線通信網絡數據傳輸易受惡意攻擊，面臨數據泄露、篡改等風險。為此，文章提出基于HMAC算法的無線通信網絡數據安全傳輸方法。該方法將網絡節點分簇，利用HMAC算法建立簇間安全通信機制，實現數據的安全傳輸。實驗證明，該方法顯著提升了數據傳輸的穩定性和安全性，通信質量優良。

關鍵詞：HMAC算法；無線通信網絡；網絡數據；數據傳輸；安全傳輸

中圖分類號：TN918" 文獻標志碼：A

0" 引言

隨著信息技術的飛速發展，無線通信網絡成為現代社會信息傳遞的關鍵，提升了信息交流的便捷性，推動了社會進步。然而，復雜網絡環境中，數據竊取、篡改、偽造等攻擊頻發，嚴重威脅無線通信網絡的數據安全。因此，深入研究無線通信網絡數據安全傳輸方法至關重要，對于保障信息安全、促進經濟發展具有重要意義。

張杰等［1］用公鑰加密體制加密水下通信網絡數據，應對安全挑戰，但該方法計算復雜、密鑰長，不適用于大數據加密。胡金鎖等［2］針對通信中斷風險，構建MIMO協同和多跳中繼模型，但要求天線與信道狀態良好。張曉爍等［3］設計了RIS輔助UAV中繼協作方案，提升數據傳輸速率，但該方案技術復雜、成本高，不適用于大規模應用。因此，本文深入研究無線通信網絡的數據安全傳輸方法。

1" 無線通信網絡分簇

無線通信網絡通常呈現節點分布不均、拓撲結構動態變化的特點［4］，因此，為保障無線通信網絡數據傳輸質量，本文首先進行無線通信網絡分簇。

針對無線通信網絡實際拓撲情況，本文引入泰森圖算法進行網絡分簇。假設無線通信網絡的通信區域為N×N的矩形，收集網絡中所有的節點信息［5］，確定無線網絡通信范圍內分布節點數量為n，根據網絡規模和通信需求確定簇首的數量m。

m=n2π=η1η2×ND20（1）

式中，η1、η2分別為數據在無線通信網絡結構中自由空間信道、多徑衰減信道傳輸時，節點發動電路功率放大器的耗能參數；D0為簇首節點到基站的平均距離。

在確定簇首數量后，本文采用閾值法進行簇首選舉。假設n個節點中節點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絡總節點數的比例；r為簇首選舉輪數。

將n個節點被選舉為簇首的概率從大到小的排序，將前m個節點作為簇首，以各簇首為母點，構建一個泰森圖，即將整個無線網絡通信區域劃分為m個面積為S0的多邊形。

S0=N×Nm（3）

該多邊形分別以一個簇首為中心，簇內成員節點數量為m0。

m0=nm-1（4）

根據上述過程，本文即可用泰森圖進行無線網絡通信區域劃分，劃分后的每個區域就是一個簇。分簇不僅可以更好地管理并分配無線網絡通信資源，避免數據傳輸過程中發生資源擁塞問題［6］，且通過限制每個簇內的數據傳輸活動，可以提升傳輸速率。

2" 基于HMAC算法設置簇間安全通信機制

為提升數據安全性，在無線通信網絡數據傳輸之前，需要設置一個簇間安全通信機制［7］。HMAC是一種高效的消息認證碼生成算法，結合了哈希函數和密鑰的雙重保障，可以保障無線通信網絡數據的安全傳輸效果。

因此，根據無線通信網絡數據的實際情況，本文選擇SHA-256作為HMAC算法中的哈希函數，與待加密的通信數據一起作為HMAC算法的輸入。首先，在哈希運算之前，需要對HMAC算法內部的8個32位寄存器緩存進行初始化，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，對消息塊的哈希值進行迭代運算，并采用第i-1次的哈希值來作為迭代常數，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）

結合第i-1次的哈希值與式（6）所示的迭代常數，即可獲取8個操作變量，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函數對原始通信數據的512位比特消息塊都進行了哈希運算后，將最后一個消息塊迭代運算所得哈希值作為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為無線通信網絡傳輸數據的MAC值；‖為連接操作。

本文通過HMAC算法對原始無線通信網絡數據進行了上述處理后，即可生成通信數據的認證碼。

3" 簇間安全傳輸無線網絡通信數據

在完成無線通信網絡分簇與簇間安全機制設置后，本文在簇間安全傳輸無線網絡通信數據。首先，基于網絡拓撲和節點間距離信息，構建從源簇到目標簇的候選路徑集，路徑的約束條件為：無線通信網絡數據傳輸路徑L的跳數不超過無線通信網絡數據傳輸路徑允許的最大跳數。其次，計算每條候選路徑的質量指標，如式（9）所示。

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

式中，fL為無線通信網絡數據傳輸路徑L的質量評價結果；ω1、ω2、ω3分別為各評價因素的權值；Dv，v+1為路徑上節點v和v+1之間的距離；Gv為路徑上節點v的剩余能量；Cv，v+1為路徑上節點v和v+1之間的通信質量。

最后，按照選擇的最佳路徑，源簇將數據發送給下一跳節點，直至數據到達目標簇，確保數據的完整性和來源可信性。

4" 仿真實驗與分析

4.1" 實驗設置

為了驗證本文方法的實際應用效果，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）展開對比。本文以MATLAB軟件為基礎，搭建對比實驗的無線通信網絡仿真環境，具體仿真參數如下：選用網格狀的拓撲結構、120個節點數量、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的仿真時長。

4.2" 傳輸穩定性分析

本文以無線通信網絡數據傳輸穩定性為實驗指標，實驗過程中，分別采用上述3種方法進行無線通信網絡數據的傳輸，統計1000 s的仿真時間內無線通信網絡波長變化數據，以此描述各方法下無線通信網絡數據傳輸的波動情況。經過仔細觀察記錄后得知：本文方法在數據傳輸穩定性方面表現最佳，在該方法下，傳輸數據波動較小，無線通信網絡波長范圍為1500.00～1500.03 nm；而應用2種對比方法后，傳輸數據波動較大，無線通信網絡波長范圍分別為1500.02～1500.06 nm、1500.03～1500.07 nm。因此，本文設計的無線通信網絡數據傳輸方法是有效且正確的，具有較高的傳輸穩定性。

4.3" 傳輸安全性分析

本文以無線通信網絡數據傳輸安全性為實驗指標，在無線通信網絡仿真環境中，分別利用上述3種方法展開100 MB～500 MB數據的傳輸，并在傳輸過程中進行模擬攻擊，統計各方法在模擬攻擊上成功傳輸的數據量，以此評估無線通信網絡數據傳輸的安全性。具體傳輸結果如表1所示。

從表1看出，本文方法在數據傳輸安全性方面表現最佳，在該方法下，無線通信網絡數據受到攻擊時平均傳輸丟包率僅1.92%，相較于2種傳統方法，分別降低了13.48%、12.94%，說明該方法的傳輸安全性更高。因此，本次無線通信網絡數據傳輸的仿真對比實驗結果可以證明本文設計的基于HMAC算法的無線通信網絡數據安全傳輸方法不僅可以實現數據的順利傳輸，且具有較好的通信質量。

5" 結語

綜上，本文采用HMAC算法設計無線通信網絡數據安全傳輸方法，詳細闡述實現流程，并通過仿真驗證其有效性和優越性，為無線通信網絡提供安全、可靠保障。然而，無線通信網絡安全問題持續發展，新挑戰不斷涌現。因此，未來研究需深化數據安全傳輸方法，優化現有技術，以應對復雜多變的網絡環境。

參考文獻

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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