基于区块链的无线通信数据安全传输方法

汤 静，艾 莉，毕佳明，刘 莹，苏金凤

（沈阳工学院 辽宁 抚顺 113122）

0 引言

无线通信数据传输主要包括公网、专网两种数据传输类别［1－3］，其中，公网数据传输主要包括5G、4G、通用分组无线业务（general packet radio service，GPRS），专网数据传输则指的是WiFi、ZigBee 等。 无线通信数据传输主要利用相关的传输模块采集无线模拟量，远程进行开关量控制［4－6］，因此无线通信数据传输的速度较快，传输成本较低，覆盖面积较广，在各种复杂的地理场合应用广泛。 相关研究人员针对无线通信数据传输特点，设计了若干种常规的无线通信数据安全传输方法。 第一种是基于云计算的无线通信数据安全传输方法［7］，主要通过共享密钥制定了通信数据传输协议，生成共享时钟，从而实现无线通信数据安全传输；第二种是考虑不可信通信环境的无线通信数据安全传输方法［8］，主要利用群签名技术增加了数据的匿名性，保证了数据传输安全。 但上述两种无线通信数据安全传输方法主要使用同态特性Paillier 密码进行混合传输编码，易受无线终端信息群组划分影响［9］，导致数据加密隐写度较低，不符合目前的无线通信数据安全传输要求，因此，本文基于区块链设计了一种全新的无线通信数据安全传输方法。

1 无线通信数据区块链安全传输方法设计

1.1 生成无线通信数据安全传输协议

在常规的无线通信数据安全传输场景下，存在潜在的通信链路，用来发送与接收用户的IP 数据包，因此，可以根据网络传输单元的连接关系生成有效的无线通信数据安全传输协议［10］。 首先需要进行传输初始化，获取数据安全传输参数，即给定初始的传输安全等级，由信任中心通过演进型基站（evolved node B，ENB）线性参数器选择合理的加密函数，开始进行初始化。 此时，可以将真实数据设置为路由识别（route identification，RID）数据，计算不同的数据ID，选择一整条完整的数据链作为安全传输加密信道。 待上述步骤完毕，可以开始进行用户体验（users experience，UE）注册，随机选择加密私钥与加密公钥，记录通信数据的传输频率。 原本的无线通信数据会分割成多个片段，使用发送频率来描述数据的存储状态，此时形成的数据安全传输签名σ1，如式（1）所示。

式（1）中，H1代表数据分割片段，Pi代表加密编号，M代表数据发送频率，x0代表原始数据被发送的次数，使用上述传输签名可以有效对抗高等级攻击，提高了数据传输的可靠性。

本文设计的无线通信数据安全传输协议属于双循环多方向协议，主要包括8 个构建步骤：第一步，进行服务请求，即获取数据的有效片段，计算密钥分子，生成加密数据，此时的数据加密运算方法HMAC（m） ，如式（2）所示。

式（2）中，h代表编码长度，k代表填充密钥，opad、ipad分别代表加密常数，m代表加密函数。 进行加密运算后，需要由UE 发送有效请求，对每一个加密数据段进行编号，从而发送至下一加密阶段。 第二步，接收到消息请求信息后进行加密参数验证，获取数据的认证身份并进行查阅，保证数据的实际传输通道相拟合。 第三步，对候选用户进行检测，根据数据安全传输要求进行加密匹配。 第四步，选择通信数据安全传输加密信道，进行加密反馈处理。 第五步，根据接收到的数据安全传输请求完成加密。 第六步，接收到数据包后，从中提取有效数据进行比较，检查数据的加密关系。 第七步，计算通信密钥，获取原始数据，验证数据加密接收效果，避免数据被篡改。 第八步，更新记录表，根据发送的密钥分子进行加密有效性反馈，排除恶性窃取行为，从而提高无线通信数据传输的安全性。

1.2 基于区块链设计无线通信数据安全传输共识算法

为了提升无线通信数据安全传输的可靠性，本文基于区块链设计了无线通信数据安全传输共识算法。 可以根据区块链程序存储原则及特定条款生成数据安全传输智能合约，根据生成的智能合约可以调整使用的区块链类型，得到有效的无线通信数据安全传输算法。

根据无线通信网络中的数据安全传输节点集合，可以预设算法的执行条件，即任意两个Quorum 交集需为非空集合，需要具有合理的执行性能，此时数据安全传输满足的执行条件p如式（3）所示。

式（3）中，v代表数据传输编号，n代表执行节点，根据上述的无线通信数据安全传输执行条件可以调整算法占用的带宽，此时各个节点发送的消息总数量T如式（4）所示。

经过上述算法加密后，数据传递的总数会迅速增长，因此，本文对上述设计的算法进行了改进，得到了基于区块链的数据安全传输共识算法，即将加密数据划分为不同的执行小组，不同小组的执行数量是相等的。 借助上述生成的协议调整消息传输的方向，得到数据安全传输节点p（i，0），如式（5）所示。

式（5）中，vi代表被选中的数据加密节点编号，ri代表参与共识的加密密钥数量，使用上述设计的算法可以有效处理数据安全传输过程中存在的加密执行问题，降低传输异常事件发生频率，保证最终的数据安全传输效果。

2 实验

为了验证本文设计的基于区块链的无线通信数据安全传输方法的传输效果，将其与基于云计算的无线通信数据安全传输方法、考虑不可信通信环境的无线通信数据安全传输方法两种方法作对比，进行了如下实验。

2.1 实验准备

根据无线通信数据安全传输要求，本文选取了数学程序设计语言AMPL（A Mathematical Programming Language）作为实验工具。 在实验开始前，通过AMPL 实验工具进行数字编译，将原始的修改文件转换为换行符文件，进行数据文件求解。 在具体实验中，需要不断地进行通信决策，因此本文使用CPLEX 辅助生成规划程序，为解决实验问题提供关键算法。 由于网络拓扑的交叉复杂，属于层次结构模型，各个横纵坐标分别代表不同节点的分布区域，存在多向链路，此时可以选取数据加密隐写度作为实验参数，计算式如式（6）所示。

式（6）中，a代表加密均值测度，a0代表链路标准安全测度，e代表欧氏距离。 数据加密隐写度越高，证明加密方法的加密效果越好，反之数据加密隐写度越低，证明加密方法的加密效果相对较差。 针对实验要求，本实验设置了实验参数，如表1 所示。

表1 实验参数

结合表1 的实验参数可以处理实验源节点，生成符合无线通信网络运行要求的通信幅值。

在实验开始前，需要确保不同无线通信节点之间的信任度，通过雾节点完成数据的存储与通信，实现物联网客户端调节，管理相关的通信交互智能合约。 实验客户端选取Dapp 应用程序与区块链进行通信交互，提高通信合约的信度。 不同的雾节点需要分配不同的以太坊元数据，提升实验效率，因此，为了提高不同实验节点的可信度，需要生成实验评估列表，保证以太坊地址的关联性。 实验平台使用Curl 进行配置，需要按照基础路径配置通信环境变量；通用引擎使用Docker 部署，在Windows 中安装虚拟机，待上述步骤完成后，即可进行无线通信数据安全传输实验。

2.2 实验结果与讨论

结合上述的概况及准备，可以进行无线通信数据安全传输实验，即分别使用本文设计的基于区块链的无线通信数据安全传输方法、基于云计算的无线通信数据安全传输方法以及考虑不可信通信环境的无线通信数据安全传输方法进行无线通信安全传输实验，使用式（6）计算3 种方法在不同数据并发传输请求数量下的数据加密隐写度，实验结果如表2 所示。

表2 实验结果

由表2 可知，本文设计的方法在高低密度通信数据的加密隐写度较高，而常规的2 种无线通信数据安全传输方法在高低密度通信数据的加密隐写度较低。 上述实验结果证明，本文设计的基于区块链的无线通信数据安全传输方法传输效果较好，具有可靠性，有一定的应用价值。

3 结语

综上所述，为了提高通信网络安全性，维护用户数据隐私，需要设计一种有效的无线通信数据安全传输方法。常规的无线通信数据安全传输方法数据加密隐写度较低，不符合数据传输安全要求。 因此，本文设计了一种全新的无线通信数据安全传输方法，实验结果表明，基于区块链的无线通信数据安全传输方法的传输效果较好，具有可靠性，并有一定的应用价值，为降低通信数据安全传输风险作出了一定贡献。