試論水下無線通信的網絡安全問題

季旭東 金晟

【摘要】 水下無線通信網絡具有較多缺點，容易被惡意攻擊，例如信道窄、誤碼率較高、傳輸速率不快以及延時較高。水下通信網絡不同于陸地通信網絡，其具有獨特性，所以一定要開發可靠、高效的安全機制。本文從水下無線通信網絡的特性和安全弱點入手，研究了水下無線通信網絡的安全需求，同時指出目前亟待解決的安全問題。

【關鍵詞】 水下 無線通信 網絡安全

一、水下無線通信網絡的特性和安全弱點

水聲信道和水下環境相當復雜，造成水下無線通信網絡極大的不同于陸地無線通信網絡。目前水下無線通信系統都是以大傳播延遲的聲學鏈路為基礎，無線電波在自由空間的傳播速度比聲學信號在水中的傳播速度快五個數量級，水聲傳輸延遲為0.67/km。水下通信系統比陸地通信系統消耗的功率更多，由于水下硬件的價格不菲，因此水下傳感器布置零星疏遠，導致水下無線通信網絡的傳輸距離也較遠。為了通信覆蓋范圍得到保證，水下無線通信網絡對發射功率有較高的要求[1]。

水下通信鏈路的質量受到聲學信號的帶寬限制，很容易被衰落、聲學信道折射特性和多徑影響，造成聲學鏈路比特誤碼率（Bit Error Ratio）較高，容易失去連通性。水流會使傳感器移動，再加上自主巡航器的機動性，會使得自主巡航器與傳感器之間以及自主巡航器之間難以完成可靠通信。水聲信道與水下通信網絡的自身特性形成了水下通信網絡具有消耗大、誤碼率高、傳輸速率不高的缺陷。

根據水下無線通信網絡的特性可以得出水下無線通信網絡的安全弱點：無線水下信道存在被竊聽的可能；傳感器不固定，它們之間的距離會因時間而變化；水下無線通信比陸地無線通信要有更多的功率被消耗，并且水下傳感器稀疏的布局會讓網絡壽命因為耗盡節點電池的耗能攻擊而受到嚴重威脅；比特誤碼率偏高會使得信息包存在誤差，關鍵安全信息包存在丟失的可能性；存在攻擊者截獲傳輸信息的可能，并可能丟掉或者修改信息包；水面上的有線鏈路和快速無線電會讓惡意節點有機可乘，形成帶外連接，我們稱之為“蛀洞”；水下傳感器網絡的動態拓撲結構會使“蛀洞”更加容易的產生，同時還會增加“蛀洞”的探測難度。

二、水下無線通信網路的安全需求

盡管水下無線通信網絡極大的不同于陸地無線通信網絡，但是它們在安全需求上卻有相似之處，具體表現為以下幾個方面，數據機密性：對網絡中的傳輸數據進行保護，防止未授權用戶竊取和修改傳輸數據，軍事應用應該是保護的重點，要對機密性問題進行著重考慮。數據有效性：授權用戶獲得有效數據的行為可以得到保證，防止有時效性要求的水下探測如海嘯預測等在受到拒絕服務攻擊后影響其正常運作。身份認證：由于水聲信道具有開放性，所以攻擊者可以利用這一特點輕易進入并且傳輸惡意信息，因此數據來源的合法性在接受節點處必須進行認證[2]。數據完整性：確保數據的原始和完整性，大多數被運用于環境保護的水下傳感器應用都要依靠數據的完整性。

三、尚待解決的水下無線通信網絡安全問題

針對安全時鐘同步來說，以下問題需要解決：根據延遲和“蛀洞”的攻擊，需要設計出一種有效的和可靠的時間同步方案，占用少量的計算和通信成本資源。根據水下無線通信網絡傳播延遲高和多變的特點，需要探究一種新的方法用于估算同步節點所要時長。

針對安全定位來說，以下問題需要解決：必須要設計出一種彈性算法可以在“蛀洞”攻擊和“女巫”攻擊時明確傳感器的位置。需要設計出一種安全定位機制可以解決水下無線通信網絡中的節點移動性問題。根據在水下無線通信網絡中引入錯誤定位信息的攻擊，需要對加密算法進行有效開發。需要對危害或者惡意錨節點的技術進行識別開發，防止錯誤檢測這些節點。

針對安全路由來說，以下問題需要解決：需要設計出一種強大而快速的認證和加密機制用于對抗外部入侵者。需要對用于應對“污水池”和“蛀洞”攻擊的新技術加大開發力度。同時提高現有的應對技術，原因是“蛀洞”攻擊能夠利用分布式蛀洞可視化系統對距離估計信息包的緩沖時間進行控制，得以實現自身的隱藏，而傳感器之間方向的誤差會影響到“蛀洞”彈性鄰居節點發現方法。

需要開發一種包含聲譽的系統分析鄰居的行為，同時拒絕包括非協作自私節點在內的路由路徑。需要開發先進的機制應對“女巫”攻擊、確認電子欺騙、選擇性轉發和呼叫泛紅攻擊等等的內部攻擊。

四、結束語

綜上所述，水下無線通信網絡受到水下通信環境的限制和自身特性的制約，面臨各種攻擊和威脅，對外部攻擊抵抗能力較弱，而現有的研究只是針對延長網絡壽命和節省能耗，對安全問題不重視。因此，筆者對水下無線通信網絡存在的安全問題進行研究，旨在引起人們對水下無線通信網絡安全問題的重視，以盡快解決完善水下無線通信網絡系統。

參 考 文 獻

[1]張春.有關水下無線通信網絡安全主要技術探析[J].軍民兩用技術與產品，2014，（07）：63-65.

[2]王毅凡，周密.水下無線通信技術發展研究[J].通信技術，2014，（06）：589-594.