淺談水下無線通信網絡安全關鍵技術

李浩

摘 要：水下無線通信網絡是通過將大量低成本、攜帶微小型聲、磁、海洋生化等多種傳感器的通信節點部署到指定海域中，節點與水下潛航器（AUV、UUV、潛艇）通過水聲無線通訊方式自組形成分布式無線通訊網。水下節點相互協作地完成環境監測、數據采集等工作，采集的數據經過融合等處理后，傳送給水下匯聚節點或水面基站，然后通過射頻通信方式或有線通訊方式發送給用戶。

關鍵詞：水下無線通信；網絡安全；關鍵技術

進入 21 世紀以來，隨著日益增長的物質需求和科學技術的發展，人類對海洋資源的開發利用以及海洋權益日益重視。開發利用海洋的科技熱潮正在全球興起，海洋資源的勘探與開發、海洋環境監測、軍事對抗等現代海洋高新科學技術已成為各海洋大國研究的重要領域。任何海洋技術的應用都離不開對海洋數據的快速采集、存儲、處理以及實時傳輸，因此水下無線通信網絡關鍵技術已成為各海洋大國不遺余力進行研究的前沿課題之一。

一、水下無線通信網絡研究現狀

1.水下無線通訊技術。現有水下無線通訊技術主要有激光通訊、無線電通訊、水聲通訊三種：激光通訊適用于近距離高速數據傳輸，水質的清澈度對傳輸影響較大，激光直線對準要求較高，這些應用條件限制了激光通訊在水下無線中的應用。無線電波在海水中選擇性衰弱現象嚴重，頻率越高衰減越大。無線電通訊只能用于短距離高速通訊或水下垂直鏈路通信，無法滿足遠距離水下傳輸要求。聲波在海洋中的衰減比電磁波小1000倍，因此，低頻聲波在淺海中可傳播數十公里，在大洋聲道中甚至可傳播上萬公里。因此，目前絕大部分水下無線通信網絡都采用水聲作為傳輸介質。

2. 水下通信節點設計。與陸地節點相比，水下節點工作環境更加惡劣，在進硬件設計時需要特別注意以下因素：（1）節點的防水性能是設計時需要考慮的首要因素，一旦節點內部滲水將無法工作；水下節點可能工作于深海區域，在設計時需要考慮水深帶來的壓力，避免因為氣壓過大造成防水層破損；海水中的各種物質、生物會對節點造成一定程度腐蝕，因此耐腐蝕性也要作為考慮要素之一。（2）由于節點部署在水下，無法采用太陽能充電更無法更換電池，因此在設計節點的硬件電路時應選擇低功耗元器件，在完成任務的前提下盡量減少能量消耗，延長節點壽命。

二、水下無線通信網絡安全管理研究

1.水下無線通信網安全管理機制。由于現有的安全管理機制不適用于水下無線通信網絡，因此，針對水下無線通信網絡的特性和安全需求，我們提出了一種基于簇狀拓撲的分級安全管理機制，該機制主要包括：（1）分級混合加密機制：將加密體系分為簇內通信加密和簇內通信加密，簇內通信加密采用對稱加密機制；簇間通信加密采用混合加密機制，即對傳輸的數據采用對稱加密機制，對于傳輸的對稱密鑰采用基于身份的公鑰加密機制。（2）分級混合密鑰管理機制：將密鑰管理體系分為簇內密鑰管理和簇內密鑰管理，綜合采用密鑰預分配策略和基于密鑰分配中心的策略。（3）分級信任管理機制：分級信任管理機制將信任值的計算和管理分為三層：成員節點的信任值計算、簇頭節點信任值計算和網關節點信任值計算。

2. 性能分析。我們提出的分級混合密鑰管理機制綜合采用預共享密鑰機制，密鑰協商機制和基于密鑰分配中心的機制，綜合利用了各密鑰管理機制的優點，并克服了其缺陷。（1）安全性分析。采用的分級密鑰管理機制，將密鑰管理體系分為簇內密鑰管理和簇間密鑰管理。分級機制的引入增強了系統的安全性，即使惡意攻擊者破解了簇內的密鑰，影響簇內通信，但是其無法影響其它簇的通信安全。（2）效能分析。本方案采用對稱加密算法、單向 Hash 函數和異或運算生成和更新密鑰，計算都在簇頭上進行，簇內節點僅在需要生成會話密鑰時由一方進行異或運算；簇頭的私鑰由網關節點生成，簇頭僅在需要生成會話密鑰時由一方進行運算。因此，與傳統密鑰管理方案相比計算量更少、計算復雜度更低。

三、水下無線通信網絡拓撲安全研究

現有無線通信網絡拓撲可以大致分為三大類：集中式網絡拓撲，分布式網絡拓撲和混合式網絡拓撲。1.集中式網絡拓撲：在集中式網絡拓撲中，網絡中各節點都直接與中心節點通信并由該中心節點向目的節點發送信息，并且所有節點通過該中心節點接入骨干網。中心化網絡拓撲具有拓撲結構和路由簡單，便于集中管理的優點。2.分布式網絡拓撲：分布式網絡拓撲是指網絡中不存在中心節點即所有節點具有平等的權限，數據從源節點經過多跳到達目的節點，可以覆蓋較大的區域。不同于陸地無中心完全分布式無線通信網絡，水下無線通信網絡需要一個或多個水面節點作為網關節點接入水上無線網絡。因此，完全分布式網絡不能完全滿足于水下無線通信網絡的需求。

四、水下無線通信網絡數據鏈路層安全協議研究

為了提出了一種基于簇結構的安全MAC協議（Cluster Based Secure MAC，CBS-MAC），在簇內節點間和簇頭節點間采用不同的MAC協議，并在這些協議的基礎上引入了安全機制，保證了MAC協議的安全性。1.水下無線通信網絡中，MAC 協議決定水聲信道的使用方式和節點接入信道的方式，為網絡中的節點分配有限的通信資源，是數據包在信道上發送和接收的直接控制者。因此，MAC協議對水下無線通信網絡的性能起著至關重要的作用。現有的水下無線通信MAC協議，根據對信道的訪問方式可大致分為四類：基于競爭的MAC協議，如 ALOHA，MACA，MACAW 等；基于調度的MAC協議，如FDMA，TDMA，CDMA 等；基于功率控制的MAC協議，如UWNA-MAC 等；混合 MAC 協議，如 TDMA/CDMA 等。2.基于分簇拓撲的安全MAC協議設計。在設計水下無線通信網絡MAC協議時，需要針對水聲信道和水下無線通信網絡的特性，設計適用于特定應用場景和網絡拓撲的MAC協議。主要考慮以下幾方面要素：（1）能量有效性；（2）高延遲和時空不確定性；（3）安全性。上述要素并不是孤立的，相互間存在一定的關系甚至有些是矛盾的，不可能達到最優。對于面向具體應用的水下無線通信網絡而言，設計出一種可以滿足各方面要求的通用MAC協議是不現實的，需要針對特定的應用場景和需求，采用相對最優的方式，權衡各要素，設計出合理高效的MAC協議。

五、結語

綜上，本文分析研究了現有水下無線通信技術及其存在的安全隱患，并對現有的水下安全技術進行了簡要介紹，對各種攻擊和安全威脅進行了研究，分析了各種攻擊的特點及防御技術。設計具有低成本、高能效、高可靠性、高安全性的水下無線通信系統對于建立水下立體通信網絡、海洋環境監控、海洋資源開發等研究領域具有重要的理論意義和經濟價值。

參考文獻：

[1] 洪璐.水下傳感器網絡高效數據傳輸協議研究[D].博士學位論文，中國海洋大學，2011.

[2] 張宏滔，陸佶人，童峰.一種用于水聲通信網的多址接入協議[J].電路與系統學報，2004.