CN104113395B - 一种无线恶劣网络环境下物联网数据安全传输的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线恶劣网络环境下物联网数据安全传输的方法，包括：数据采集；发送数据测试包；数据测试包分解和回传；数据分解；数据分层处理；数据网络编码；对数据码进行加密；传输数据码；比较调整；数据解密；分层解码；校验；数据解码。本发明采用分层编码技术有效降低了数据传输出错率，采用的自适应不同网络下的数据传播速率最大程度的保证了数据的完整性，而网络编码与信道编码结合技术节省网络带宽资源消耗，提高频谱利用率，均衡网络负载，提高网络鲁棒性，随机多重加密传输，自适应传输频率，有效提高频谱使用率，解决恶劣网络环境下的数据传输安全和稳定的问题，在低成本的前提下，保证了物联网数据传输的安全性。

Description

一种无线恶劣网络环境下物联网数据安全传输的方法

技术领域

本发明涉及一种无线恶劣网络环境下物联网数据安全传输的方法，是一种计算机无线网数据络处理方法，是一种用于物联网传输的无线数据处理方法。

背景技术

现有的物联网无线传输技术包括：蓝牙无线数据传输、基于WiFi协议的无线数据传输和基于ZigBee协议的无线数据传输。蓝牙作为物联网无线传输的问题是信号容易受到损失，使得输出信号带宽速率低，更容易受外界干扰，从而影响信号传输质量。WiFi最大的问题是安全性非常低，产品的无线稳定性也比较差。尽管ZigBee具安全性高、有功耗低的优点，但产品开发难度大，开发周期长，由于开发协议需要付费，产品成本高。不论是无线通讯网还是有线通讯网，都可能出现网络不稳的问题，特别是无线通讯网，因发射和接收双方位置的不同，无线电信号在空间传播所受到的距离、空气、湿度、阻挡物体等的影响，常常出现断续等恶劣网络环境问题。虽然，现代数据通讯中支持断点接续、重复传输等技术，在一定程度上避免了数据在传输中的丢失。这些现有技术对要求较低的数据传输还可以应付，但对于物联网这种要求较高的数据传输则难于胜任。如何在现有协议和网络环境的基础上，以最低的成本获得高质量的数据传输是需要解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种无线恶劣网络环境下物联网数据安全传输的方法。所述的方法通过检测网络环境并根据环境的状态而制定传输方案的方法，克服了多数无线网络数据传输安全性低的缺点，即便在十分恶劣的网络环境下也能够正确的传输数据。

本发明的目的是这样实现的：一种无线恶劣网络环境下物联网数据安全传输的方法，所述的方法使用的系统包括：智能设备端，所述的智能设备端通过有线网络和无线网络与测控终端连接，所述方法的步骤如下：

数据采集的步骤：用于智能设备端或测控终端作为发送方采集数据，将所采集的源数据作为待发送数据准备向作为接收方的测控终端或智能设备端进行发送；

发送数据测试包的步骤：用于发送方向接收方发送数据测试包，所述的数据测试包包含源地址信息、目标地址信息、传输协议以及相关的管理、控制信息；

数据测试包分解和回传的步骤：用于接收方收到数据测试包后将数据测试包传输过程的网络信息同步反馈给发送方；

数据分解的步骤：用于发送方收到反馈信息之后，结合接收方的响应时间，所在的传输频率、频段以及响应时间将待发送数据分解为基本层、增强层以及数据校验层，并且为各层标记不同的权重，其中校验层数据随机分布在基本层和增强层中，对于基本层和增强层的划分，从空间、质量、频率上划分，保证每一层携带的数据量相对平等，基本层数据主要包含源信息、目标信息以及发送端、接收端相关信息；增强层数据主要包含采集的源数据、管理信息、控制信息；

数据分层处理的步骤：用于发送方完成数据校验信息的计算，包括数据校验信息以及层校验信息；

数据网络编码的步骤：用于发送方将分层处理后的数据编码、增加冗余信息之后，不同的数据包将编码为相同度的数据码；

对数据码进行加密的步骤：用于发送方将数据码进行加密；

传输数据码的步骤：用于根据测试包对网络环境的测试，在无线网络带宽不稳定、信号比较差的情况下，将带有数据基本层以及随机选取的增强层数据的数据包优先传输，当信号比较好的情况下之后，顺序传递带有基本层数据和增强层数据的数据包；发送方发送两个包括相同数据包数量的数据码的码段，并收取接收方发来的反馈信息，所述的反馈信息包含有先后两个码段的接收时间，同时进入“比较调整的步骤”和“数据解密”；

比较调整的步骤：用于发送方比较两个码段的接收时间，如果第二码段的接收时间大于第一码段的接收时间，则说明网络环境不稳定，则调整减少下一码段包含的数据包数量，如果第二码段的接收时间小于第一码段的接收时间，则说明网络环境改善，则调整增加下一码段包含的数据包数量，如果第二码段的接收时间等于第一码段的接收时间，则说明网络环境没有变化，则调按原有码段的包数继续发送码段，比较调整后回到“传输数据码的步骤”继续发送数据包；

数据解密的步骤：用于接收方对接收到的数据码进行解密；

分层解码的步骤：用于接收方根据报文信息，分析分层信息，对数据码进行分层解码，同时生成了解码元数据信息；

校验的步骤：用于接收方对数据包中的校验位信息进行校验，恢复原始数据元数据信息进行完整性、有效性验证；

数据解码的步骤：用于接收方找出度为1的编码符号，其值即为相连的源数据值，将所有与恢复数据的结点相连的编码符号与其相异或，得到新的编码符号值，删去该源数据结点，与之相连的编码符号度数减1，所有源数据被恢复即告解码结束，否则解码失败；

结束的步骤：用于接收方将源数据发送给智能设备端或测控终端使用。

进一步的，所述的“对数据码进行加密的步骤”和“数据解密的步骤”所述加密方式为端对端的单向Hash函数算法。

本发明产生的有益效果是：本发明采用分层编码技术有效降低了数据传输出错率，采用的自适应不同网络下的数据传播速率最大程度的保证了数据的完整性，而网络编码与信道编码结合技术节省网络带宽资源消耗，提高频谱利用率，均衡网络负载，提高网络鲁棒性，随机多重加密传输，自适应传输频率，有效提高频谱使用率，并提高传输效率，有效的解决恶劣网络环境下的数据传输安全和稳定的问题，在低成本的前提下，保证了物联网数据传输的安全性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述方法的过程示意图；

图2是本发明的实施例一所述方法的数据分解示意图；

图3是本发明的实施例一所述方法的基本层和增强层数据的排列示意图；

图4是本发明的实施例一所述方法的对数据进行编码的示意图；

图5是本发明的实施例一所述方法的对数据增加冗余信息的

图6是本发明的实施例一所述方法的数据信息、检验信息以及冗余信息随机分布示意图；

图7是本发明的实施例一所述方法的网络传输吞吐量示意图；

图8是本发明的实施例一所述方法的数据还原校验的示意图；

图9是本发明的实施例一所述方法的数据解码过程示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种无线恶劣网络环境下物联网数据安全传输的方法，所述方法的过程如图1所示。本实施例所述的方法使用的系统包括：智能设备端，所述的智能设备端通过有线网络和无线网络与测控终端连接。

所述的智能设备端可以带有或不带有传感器的各种机械、电子、电器、化学等设备，例如：可以进行三维旋转的摄像头、机器人、无人机，以及各种可以联网的智能家用电器等设备。这些设备的可以是可远程操作的单纯传感器，如摄像头，可以通过远程的操控系统，是摄像头的镜头可以上下，左右的旋转，大范围的监视周围环境。也可以是主要进行操控的设备，如：无人机，主要操控无人机的飞行状态。

所述的测控终端可以是专用的显示检测结果的设备，例如显示摄像头图像的显示器，或者带有控制作用的检测设备，例如具有控制摇杆的显示器，或者是专用的控制设备，例如，带有控制摇杆的无人机遥控器。

在本实施例中不论是智能设备端还是测控终端，都必须有上网的能力，即必须具备连接网络的网卡、具有高速接收和发送数据的能力，当然应当具有高性能的数据处理和存储的能力。

所述的网络可以有线网，也可以是无线网，或者是两者的结合。有线网可以是广域网，也可以是局域网。无线网可以是蓝牙、WIFI、3G或4G蜂窝无线通讯网络。使用相同的网络传输协议，如：TCP/IP协议等。

本实施例所述方法的具体步骤如下：

数据采集的步骤：用于智能设备端或测控终端作为发送方采集数据，将所采集的源数据作为待发送数据准备向作为接收方的测控终端或智能设备端进行发送。作为数据的发送，智能设备端和测控终端，都可能是发送端或者接收端，而本实施例所述叙述的方法适用于任意一方，因此，将数据的发送一方定义为发送方，数据接收的一方定义为接收方，即：发送方可以是智能设备端，也可以是测控终端，对应的接收方可以是测控终端也可以是智能设备端。

本实施例涉及到数据传输主要有两类：一个来自物联网智能设备端的传感器采集到的数据，定义为基础数据；二是来自于测控终端发送给智能设备端的控制数据，定义为控制数据。这两种数据定义为源数据，源数据采集完成之后，在发送端对数据进行编码，根据不同的网络环境，自动采用不同的编码方式。

发送数据测试包的步骤：用于发送方向接收方发送数据测试包，所述的数据测试包包含源地址信息、目标地址信息、传输协议以及相关的管理、控制信息。在源数据采集完成后和数据正式传输之前，需传输一个测试包，以测试网络环境。源地址为：发送包的IP地址；目标地址：接收包的IP地址；测试数据包的发送采用TCP/IP协议，测试包中包含控制端管理的基本数据、端类型、控制类型以及传输协议类型，基本数据包括：标识、网络类型、发送时间、位置信息等，控制类型包括：测试包控制类型默认为移动终端。接收方接收到数据包之后，反馈位置信息、接收时间、网络类型以及数据包基本信息。

数据测试包分解和回传的步骤：用于接收方收到数据测试包后将数据测试包传输过程的网络信息同步反馈给发送方。

传输信息主要指：所处网络环境即传输频率，频段，如：WiFi、3G、4G的传输环境，接收方的响应时间。

数据分解的步骤：用于发送方收到反馈信息之后，结合接收方的响应时间，所在的传输频率、频段以及响应时间将待发送数据分解为基本层、增强层以及数据校验层，并且为各层标记不同的权重，其中校验层数据随机分布在基本层和增强层中，对于基本层和增强层的划分，从空间、质量、频率上划分，保证每一层携带的数据量相对平等。所谓空间，是指数据发射装置所在的物理位置；所谓质量，主要是指携带关键数据的份额；所谓频率，是指频率发射端所在的频率。基本层数据主要包含源信息、目标信息以及发送端、接收端相关信息；增强层数据主要包含采集的源数据、管理信息、控制信息。数据分解如图2所示。权重的划分主要取决与其他数据的粘合度，粘合度大，其权重值大，反之，权重值较小。

数据分层处理的步骤：用于发送方完成数据校验信息的计算，包括数据校验信息以及层校验信息。其中，对数据进行分层处理之后，在无线网络带宽不稳定、信号比较差的情况下，将数据基本层以及随机选取的增强层数据优先传输，其中，基本层和增强层携带校验信息，从而保证了接收端可以通过基本层和增强层的校验信息进行数据恢复；当信号比较好的情况下之后，顺序传递基本层数据和增强层数据。基本层和增强层数据的排列如图3所示。

数据网络编码的步骤：用于发送方将分层处理后的数据编码、增加冗余信息之后，不同的数据包将编码为相同度的数据码。具体过程：

对数据进行编码：从特定的分布（特定分布是从基本层或增强层选择权重相对集中分布的基本层或增强层）中随机选择一个数d作为编码符号的度，随机选择d个输入符号作为编码符号的邻结点，将该d个输入符号的异或值作为编码符号的值，如4图所示。在图4中，在特定分布中随机选择一个数2作为编码符号的度，随机选择2个输入符号作为编码符号的邻接点，即随机选择2个包，并进行异或运算，然后在编码过程中加上数据头信息，并发送数据包。不同度的值，丢包率不同。图中1~8表示经过分层处理后的发送原始数据，随机选择2个数据包进行异或运算a、b、c、d，同时加上头信息，形成了新的发送数据。

对数据增加冗余信息：经过分层编码处理的数据，在数据发送时，需要进行网络编码，将该节点的数据包中添加冗余信息，（冗余信息指发送数据包的最小单位为32字节，但是分层处理后的数据不足，则添加冗余信息，以不足32字节）冗余信息主要是对数据层进一步说明，冗余信息的添加进一步提高丢包率的容忍度，相当于增加了网络的吞吐率。同时该节点的邻居节点也将接收到该数据包中的冗余信息，如果邻居节点数据包中的冗余信息，跟该节点的冗余信息相匹配，那么，邻居节点将该节点的数据一起进行编码后，一起传输，从而使其所有的邻居节点都收到匹配冗余信息的数据包，提高了网络吞吐量，从而节约无线资源。如图5所示，图中的A、B、C代表三个节点，而小写的a、b、c代表冗余信息。

除此之外，冗余信息可以协助信道编码，从而获得好的抗噪性能，达到最大的信道容量。数据信息、检验信息以及冗余信息随机分布，如图6所示。图6中的干扰是指来自外界环境、网络因素的干扰，如：无线串号、天气情况、物理障碍物等，干扰可能发生传输的每一个环节。

对数据码进行加密的步骤：用于发送方将数据码进行加密。

常见的数据加密方式有线路加密和端对端的加密，然后在物联网数据传输的加密方式大多采用线路加密，如：WIFI采用WPA2在数据端口进行加密处理。

传输数据码的步骤：用于根据测试包对网络环境的测试，在无线网络带宽不稳定、信号比较差的情况下，将带有数据基本层以及随机选取的增强层数据的数据包优先传输，当信号比较好的情况下之后，顺序传递带有基本层数据和增强层数据的数据包；发送方发送两个包括相同数据包数量的数据码的码段，并收取接收方发来的反馈信息，所述的反馈信息包含有先后两个码段的接收时间，同时进入“比较调整的步骤”和“数据解密”。

比较调整的步骤：用于发送方比较两个码段的接收时间，如果第二码段的接收时间大于第一码段的接收时间，则说明网络环境不稳定，则调整减少下一码段包含的数据包数量，如果第二码段的接收时间小于第一码段的接收时间，则说明网络环境改善，则调整增加下一码段包含的数据包数量，如果第二码段的接收时间等于第一码段的接收时间，则说明网络环境没有变化，则调按原有码段的包数继续发送码段，比较调整后回到“传输数据码的步骤”继续发送数据包；

在网络的数据无线传中往往不知道使用什么有的无线传输网，也不知道网络的传输环境如何，因此数据传输之前首先要对网络进行测试，确定是本次传输使用的是什么网络，例如可能是蓝牙、WIFI、3G、4G网，根据环境测试的情况先确定传输那些数据。

本步骤是一种自适应的传输方式：发送方向接收方传输数据码，数据传输以编码后的码段为基本单位，数据被分为多个不同的码段。在开始传输过程，先发出两个相同数据包数的码段，例如默认每个码段为200个数据包，接收方收到第一批次码段的反馈信息之后，记录时间t1；收到第二批次数据码段之后的时间记录为t2。接收方将这两个数据反馈给发送方，发送方将t1和t2进行比较，如果t2>t1，则说明网络环境不稳定，则调整下一个批次发送的码段的数据包量为150，反之，增大码段长度；每次发送两段具备相当包数的码段，并不断比较，不断的调整码段长度。用此种方式根据传输条件实时的调整传输速率。在信道情况良好的情况下，提供高的传输速率，在信道情况差的情况下，降低输出速率。当无线信道发生变化时，自适应调整帧长（这里所述的帧长是在以太网数据的传输中将数据以数据帧为基础进行传输，以太网的帧是数据链路层的封装，网络层的数据包被加上帧头和帧尾成为可以被数据链路层识别的数据帧），当干扰增加时，误码率将增加30%，减小帧长到16bits，将降低误帧率到10%，从而增加应用层的吞吐量，吞吐量增加的同时将传输命中率提高5%；同时，当移动结点运动速度增加1倍时，导致多普勒频移增加，将帧长减小5%，减少衰落帧的概率，吞吐量将提升2%，当帧长减小到8bits时，帧头等额外负载也会增加，从而降低系统的吞吐量，如图7所示。

数据解密的步骤：用于接收方对接收到的数据码进行解密。根据发送方的加密方式，对应的进行解密。

分层解码的步骤：用于接收方根据报文信息，分析分层信息，对数据码进行分层解码，同时生成了解码元数据信息。元数据是指经过数据加工，重新封装后的数据，主要包括：源地址、目标地址，包头信息等信息。

校验的步骤：用于接收方对数据包中的校验位信息进行校验，恢复原始数据元数据信息进行完整性、有效性验证。例如：如果解码后的数据丢了3个包，那么，需要补收随后数据的3个包，根据数据包中的校验位信息进行校验，恢复原始数据，如果解码后的数据多了3个包，根据数据包中的校验位，检测数据包长度，从而正确还原数据，如图8所示。

数据解码的步骤：用于接收方找出度为1的编码符号，其值即为相连的源数据值，将所有与恢复数据的结点相连的编码符号与其相异或，得到新的编码符号值，删去该源数据结点，与之相连的编码符号度数减1，所有源数据被恢复即告解码结束，否则解码失败，如图9所示。图中小方格中的数字1~10代表10个发送的原数据包，在传输过程中随机的丢失了3个数据包包，如图9所示，丢失了5、7、10三个数据包（虚线方格代表丢失的数据包），解码过程中后续补充3个数据包11、12、13，然后进行异或运算，以恢复原数据。

结束的步骤：用于接收方将源数据发送给智能设备端或测控终端使用。

源数据成功解出后，就可以送入应用系统中应用，如果接收方是测控终端则源数据可能是智能设备端发来的各种传感器换取的测试数据，或者智能设备端的运行状态数据等。而如果接收方是智能设备端则源数据可能是测控终端发来的控制命令等。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于加密的细化。本实施例所述的“对数据码进行加密的步骤”和“数据解密的步骤”所述加密方式为端对端的单向Hash函数算法。

本实施例采用端对端的加密方式，对发送的数据进行加密。常见的数据加密方法主要有对称加密和非对称加密方法、散列算法。由于非对称加密算法的运行速度比对称加密算法的速度慢很多，当需要加密大量的数据时，采用对称加密算法，可以提高加解密速度。同时对称加密算法不能实现签名，其密钥管理是个复杂的过程。所以本实施例采用基于DES对称分组密码算法，即单向Hash函数算法。

为了生成48bits的加密密钥，需要对M1=48/64bits的数据进行Hash变换，利用第一个消息块M1变成随机密钥，假定M1，M2，M3分别是176bits分解后得到的M1=48bits，M2=64bits，M3=64bits，176bits值由152bits长的消息和24bits的填充值组成。直接利用M1=48bits作为密钥生成方案的输入，并排列成6×8的阵列，二进制序列串的每位按顺序转换输出，结果就能方便获取密钥结果。密钥结果被保存在特定的位置，以便后续的解密。

由于加密采用Hash变换，接收端收到数据后，根据密钥特征，寻找随机密钥位置。加密密钥采用48bits的随机密钥，以第一个消息块的48bits作为解密方案的输入，若不足则补充冗余信息，使其排列成6×8的阵列，根据密钥结构，一一与序列串进行异或运算，然后顺序置换输出结果，从而推算出所有的密钥，找出各个密钥对应数据包的位置，并将其进行解密。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如简单代换智能传输、步骤的先后顺序、简单替换测试包的应用、加密解密方式等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种无线恶劣网络环境下物联网数据安全传输的方法，所述的方法使用的系统包括：智能设备端，所述的智能设备端通过有线网络和无线网络与测控终端连接，所述方法的步骤如下：

数据采集的步骤：用于智能设备端或测控终端作为发送方采集数据，将所采集的源数据作为待发送数据准备向作为接收方的测控终端或智能设备端进行发送；

其特征在于：

发送数据测试包的步骤：用于发送方向接收方发送数据测试包，所述的数据测试包包含源地址信息、目标地址信息、传输协议以及相关的管理、控制信息；

数据测试包分解和回传的步骤：用于接收方收到数据测试包后将数据测试包传输过程的网络信息同步反馈给发送方；

数据分解的步骤：用于发送方收到反馈信息之后，结合接收方的响应时间，所在的传输频率、频段将待发送数据分解为基本层、增强层以及数据校验层，并且为各层标记不同的权重，其中校验层数据随机分布在基本层和增强层中，对于基本层和增强层的划分，从空间、质量、频率上划分，保证每一层携带的数据量平等，基本层数据包含源信息、目标信息以及发送端、接收端相关信息；增强层数据包含采集的源数据、管理信息、控制信息；

数据分层处理的步骤：用于发送方完成数据校验信息的计算，包括数据校验信息以及层校验信息；

数据网络编码的步骤：用于发送方将分层处理后的数据编码、增加冗余信息之后，不同的数据包将编码为相同度的数据码；

对数据码进行加密的步骤：用于发送方将数据码进行加密；

传输数据码的步骤：用于根据测试包对网络环境的测试，在无线网络带宽不稳定、信号差的情况下，将带有数据基本层以及随机选取的增强层数据的数据包优先传输，当信号好的情况下，顺序传递带有基本层数据和增强层数据的数据包；发送方发送两个包括相同数据包数量的数据码的码段，并收取接收方发来的反馈信息，所述反馈信息包含有先后两个码段的接收时间，同时进入“比较调整的步骤”和“数据解密的步骤”；

比较调整的步骤：用于发送方比较两个码段的接收时间，如果第二码段的接收时间大于第一码段的接收时间，则说明网络环境不稳定，则调整减少下一码段包含的数据包数量，如果第二码段的接收时间小于第一码段的接收时间，则说明网络环境改善，则调整增加下一码段包含的数据包数量，如果第二码段的接收时间等于第一码段的接收时间，则说明网络环境没有变化，则按原有码段的包数继续发送码段，比较调整后回到“传输数据码的步骤”继续发送数据包；

数据解密的步骤：用于接收方对接收到的数据码进行解密；

分层解码的步骤：用于接收方根据报文信息，分析分层信息，对数据码进行分层解码，同时生成了解码元数据信息；

校验的步骤：用于接收方对数据包中的校验位信息进行校验，恢复原始数据元数据信息进行完整性、有效性验证；

数据解码的步骤：用于接收方找出度为1的编码符号，其值即为相连的源数据值，将所有与恢复数据的结点相连的编码符号与其相异或，得到新的编码符号值，删去该源数据结点，与之相连的编码符号度数减1，所有源数据被恢复即告解码结束，否则解码失败；

结束的步骤：用于接收方将源数据发送给智能设备端或测控终端使用。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述“对数据码进行加密的步骤”和“数据解密的步骤”中的加密方式为端对端的单向Hash函数算法。