水下无线通信网络安全问题研究

黄碧佳

摘 要：社会不断发展的今天，越来越多的国家开始强调海洋的重要性。越来越多的专家学者已经将研究的目光投放到水下环境中去。但由于海洋环境过于无法把握，才使得对海洋的开发一直维持在表面。而随着科学技术的发展，无线通信技术进一步发展，并且以无线通信技术的优点为基础，慢慢的开始将无线通信网络用于海洋环境的研究和数据收集中，从而帮助国家进行海洋研究。但是由于技术存在着不成熟的问题，因此水下环境收集起来数据的安全性不稳定。本文主要研究水下无线通信网络的安全问题。

关键词：水下无线通信；通信网络；安全问题

在不断发展的今天，科学技术在人们的日常生活中起着越来越不容忽视的作用。尤其是在人与人之间的通信技术之中，无线通信的大面积应用和普及更是提高了日常的通信效率，加强了人与人之间的沟通交流。并且随着无线通信的发展，这一项通信技术开始被用于越来越多的环境之中。例如针对水下进行无线通信技术，可以收集水下的各种数据，并且对这些数据进行人性化的分析和处理，促进海洋资源进一步的探索和开发。然而由于水下环境十分复杂，对于无线通信技术的安全保护要求很高。

1 水下的无线通信所存在的弊端

水下无线通信网络主要将一些低成本、轻快便利小型的传感器形成的水下网络节点分布在指定的探索海域之中，并且利用一些水下探索仪器通过构建的网络节点进行相互之间的信息传递和交流，从而形成水下的无线通信网络。这些节点通过相互直接的共同合作来完成各种数据的收集和整理，尤其是针对水下环境的检测。再将收集起来的数据和环境资料经由水下巡逻舰等传递给相关的研究部门，然后再利用水上的通信网络，主要是有线通信网络传递给使用用户。

但是因为水下的环境同地面上的环境存在着很大的不同，水下的环境更加复杂，因此在地下利用的无线网络的环境要比地面上的环境更加复杂。主要表现在以下几个方面：首先，水下无线通信所依赖的传播环境存在着延迟，比无线电波在地面上的空间中传播速度慢了五个数量级；其次，因为传播轨道的带面面积窄，极容易受到外面因素的影响，因此在水下的稳定性差，极容易出现失去联系的情况；再次，在水下网络环境中的自主巡航器一直处在流动的环境中，信号也一直在流动的点与固定的点之间进行传递，无法实现稳定的信号联系；最后，因为声学设备的价格昂贵，因此在水下的无线网络需要花费更大的经济成本。

因此，要想进一步建立水下无线通信网络，就必须要克服上述的诸多问题，才能保证进一步的研究和开发水下环境。

而针对上文的描述我们可以发现，存在于水下无线通信网络中的弊端：首先就表现在带宽导致这错误的信息传输率，对于一些关键的数据毫无保护能力；其次就在于数据有可能被别有用心的机构进行调包或者修改，从而不利于对水下环境的开发和分析；再次，由于水下环境的不可预测性，从而无法保证数据收集的稳定领；最后，水下环境中的无线通信网络消耗能力极大，需要大量资金的支持。

2 对水下无线通信网络安全存在的威胁

对水下无线通信网络安全存在的威胁可以从图1来进行认识和研究。

图1 水下无线通信网络安全存在的威胁

3 针对威胁的保护措施

针对水下无线通信网络安全所存在的威胁，我们可以从以下几个方面来提高它的预防威胁的能力和安全性能。

3.1 加强对信息阅读和数据查看管理员的身份验证。这一方法主要是针对水下环境恶劣，一些信息处在开放性的环境中，对信息存在着威胁，因此这就需要加强信息和数据的安全性。

3.2 加强数据的机密程度。这就是需要针对一些在传输过程中的数据信息进行加密，加强数据在传输过程中的安全性。

4 需要解决的水下无线通信网络安全问题

目前在国外的先进研究技术中我们可以发现，国外的先进技术所采用的技术主要有安全时钟同步技术、安全定位技术和安全路由技术。其中，安全时钟同步技术就是适当地设计一种时间戳滑动窗口方案，就能够监测内部攻击。每个传感器必须从多个传感器中获得时间戳读数，并计算每个邻近时问戳的相关系数，从而获得窗口系数。如果窗口系数的数据低于一个阈值，那么它就是一个异常值。如果一个窗口的异常数据百分率（异常值百分比）一直（连续10个窗口）比预定阈值高，那么相应的邻居就被标记为产生内部攻击的恶意节点；安全定位技术，就是在定位阶段水下传感器获得移动信标和邻居节点的位置和速度信息，路由协议再使用移动信标的位置和运动信息来为节点传送数据选择最好的中继路径；安全路由技术就是针对水下不利于设备存放的环境来进行有针对性的设计的，设计具有能量检测能力的、鲁棒的、可缩放的、自适应的路由协议来应对。

对于安全时钟同步来说，以下研究问题尚待解决：（1）针对水下无线通信网络高且多变的传播延迟，需要研究估算同步节点所需时间的方法；（2）针对延迟和“蛀洞“攻击，需要设计仅需少量计算和通信成本的有效和安全的时间同步方案。

对于安全定位来说，以下研究问题尚待解决：（1）针对在水下无线通信网络中注人错误定位信息的攻击，需要开发有效的加密算法；（2）必需设计能够在出现“女巫”攻击和“蛀洞”攻击时确定传感器位置的弹性算法；（3）需要开发识别恶意或危害锚节点的技术，以避免对这些节点的错误检测；（4）需要设计能够在水下无线通信网络中解决节点移动性问题的安全定位机制。

对于安全路由来说，以下研究问题尚待解决：（1）需要开发基于声誉的系统来分析邻居的行为，并拒绝包含非协作自私节点的路由路径；（2）需要设计对付外部入侵者的快速而强大的加密和认证机制；（3）应该开发对付选择性转发、“女巫”攻击、呼叫泛洪攻击和确认电子欺骗等内部攻击的先进机制；（4）有必要开发对付“污水池”攻击和“蛀洞”攻击的新技术，并提高现有技术，因为利用分布式蛀洞可视化系统，蛀洞攻击仍然能够通过控制距离估计信息包的缓冲时间来实现隐藏，而蛀洞弹性邻居节点发现方法会受到传感器之间方向误差的影响。

结束语

水下无线通信网络近年来在海洋资源勘探与开发、海洋环境监测以及军事斗争等领域获得了广泛应用，促使各海洋大国越来越重视对其关键技术的研究。水下无线通信网络受自身特性限制和水下通信环境的制约，对外部攻击抵抗较差，面临各种威胁和攻击，但是现有研究多以节省能耗、延长网络寿命为出发点，一定程度上忽视了对安全问题的研究。因此，研究水下无线通信网络存在的安全弱点，并针对其面临的安全威胁，设计、研发适用于水下无线通信网络的安全技术和安全机制具有重要的意义。

参考文献

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[3]张春.有关水下无线通信网络安全主要技术探析[J].军民两用技术与产品，2014（9）.