CN112565400A - 基于IPv6校园网络的协作式资源分发系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于IPv6校园网络的协作式资源分发系统及方法，涉及数据传输技术领域。本系统包括发送端以及接收端；其中发送端包括第一IPv6网络传输模块、第一D2D通信网络传输模块、第一文件处理模块以及第一地址隐私安全处理模块；接收端包括第二IPv6网络传输模块、第二D2D通信网络传输模块、第二文件处理模块以及第二地址隐私安全处理模块，采用Wi‑Fi Direct技术与Bluetooth技术，实现移动终端设备之间的D2D通信网络群组的建立，针对于资源文件的传输选择合适的传输协议，实现资源文件的端到端的传输机制，实现自组织建立通信网络的资源文件传输系统。根据移动终端设备的特性，加入多跳通信机制，扩大资源传输网络的范围。

Description

基于IPv6校园网络的协作式资源分发系统及方法
技术领域
本发明涉及数据传输技术领域，尤其涉及一种基于IPv6校园网络的协作式资源分发系统及方法。
背景技术
万物互联时代的来临，信息技术的迅速发展与网络普及率的提高，终端接入互联网的数量越来越多，新时代凡是智能终端均需要IP地址，IPv4协议规定的地址数量有限且43亿个IPv4地址于2019年11月全部分配完毕。IPv6(Internet Protocol Version 6互联网协议第6版)的到来解决了IPv4地址资源不足与服务质量不高的问题，提高了认证能力和保密能力。校园网的硬件基础设施已具规模，软件基础环境也在逐步完善，已经实现了IPv6全网的覆盖，全网的IPv6路由也实现了完全独立，直接连入校园网的主机都可以访问IPv6网络。校园网的主要用户是教师与学生，如何在校园网中快速高效地传输文件，如何通过校园网在教师与学生之间进行教育资源的双向分发，如何解决在无网络的状态下进行资源的分发与共享，是教育场景分发资源需要解决的问题。
由于Android Wi-Fi Direct系统服务中的编码方式是硬编码，Wi-Fi Direct的接口使用的网络地址是IPv4地址，即使在接口上启用IPv6协议，也是无法获得IPv6地址；其次由于移动IP节点容易被攻击，IPv6的地址前缀在网络中存在着暴露的危险，通过SM2加密算法与加强AES加密算法结合加密IP地址，加强移动IP地址的隐私安全性。
实现搭建阿里云ECS(Elastic Compute Service)实例，建立IPv6服务器与安卓终端的通信连接，二者之间的通信全部在IPv6网络下进行。实现资源文件的快速上传；
发明内容
针对现有技术的不足，通过对D2D(Device-to-Device Communication)通信技术、D2D数据传输技术、P2P(Peer-to-Peer)文件分发技术、IPv6相关技术的理论知识及国内外文献进行深入地分析研究，提出了一种基于IPv6校园网络的协作式资源分发系统及方法，采用Wi-Fi Direct技术与Bluetooth技术，实现移动终端设备之间的D2D通信网络群组的建立，针对于资源文件的传输选择合适的传输协议，实现资源文件的端到端的传输机制，实现自组织建立通信网络的资源文件传输系统。根据移动终端设备的特性，加入多跳通信机制，扩大资源传输网络的范围。
本发明所采取的技术方案是：
一方面，本发明提供一种基于IPv6校园网络的协作式资源分发系统，包括发送端以及接收端；
所述发送端包括第一IPv6网络传输模块、第一D2D通信网络传输模块、第一文件处理模块以及第一地址隐私安全处理模块；所述第一IPv6网络传输模块用于建立发送端与服务器端的通信连接，发送端将第一文件处理模块存储的资源文件传输到服务器端进行存储；所述第一D2D通信网络传输模块用于创建D2D通信网络群组并对D2D网络群组进行管理，通过建立D2D网络群组实现组内通信，传输资源文件按照TCP协议进行封装，由发送端将资源文件传输到接收端；所述第一文件处理模块用于从本地存储中读取资源文件，对资源文件进行hash值的计算，根据资源文件的内容生成校验值，将资源文件进行TCP协议的封装；所述第一地址隐私安全处理模块用于网络IP地址的加密，通过SM2(a State SecretEncryption Algorithms)加密算法和AES(Advanced Encryption Standard)加密算法结合实现对密钥和IP地址的加密；
所述接收端包括第二IPv6网络传输模块、第二D2D通信网络传输模块、第二文件处理模块以及第二地址隐私安全处理模块，所述第二IPv6网络传输模块用于接收端与服务器建立IPv6网络通道连接，接收端向服务器发送资源请求，将资源下载到本地存储中，进行存储；所述第二D2D通信网络传输模块用于监听网络群组，查询与加入D2D网络群组以及退出当前网络群组，接收端接收来自发送端的资源文件数据时按照指定的协议进行数据包的解封；所述第二文件处理模块用于等待发送端的资源传输，接收到传输的资源文件，对资源文件按照指定协议进行解封，根据报文信息进行资源文件的检查发送端的hash值，对文件的完整性进行校验；所述第二地址隐私安全处理模块用于通过网络传输获取SM2加密算法的密钥，对AES加密算法的密钥进行解密，获取到AES加密算法的密钥，对发送端的加密网络地址进行解密。
另一方面，一种基于IPv6校园网络的协作式资源分发方法，通过前述一种基于IPv6校园网络的协作式资源分发系统实现，包括以下步骤：
步骤1：发送端设备访问本机存储，获取本机存储文件，然后进行文件发送；
所述文件发送包括两种方式，一种是发送到基于IPv6的服务器端，然后接收端从服务器端进行下载；另一种是通过D2D直接把文件发送给接收端；
所述发送到基于IPv6的服务器端具体包括以下步骤：
步骤S1：服务器端采用阿里云的VPC专有网络，创建VPC实例，开通IPv6公网带宽实现公网通信权限，IPv6网关作为VPC中的IPv6公网流量的出入口。服务器端存储用户的信息，为发送端提供资源的上传服务，在服务器端对资源进行分类整理，将资源存储在服务器中，生成相关索引信息，发送端再上传文件，记录用户的操作信息，记录资源的查询数据；
步骤S2：接收端通过IPv6校园网络对文件进行下载；
服务器把上传的资源进行分类整理，存储到文件存储服务器中，并生成相关索引。接收端浏览查询服务器存储的文件，查看文件索引是否存在，如果存在则通过IPv6校园网络进行文件下载；
所述通过D2D直接把文件发送给接收端具体包括以下步骤：
步骤D1：当用户存有所需要的资源时，通过构建D2D网络进行文件分发；发送端进行D2D网络成组；发送端需要通过本机借助Android系统的成组函数搭建D2D通信网络群组，发送端成功搭建网络后成为Group Owner(组主)，发送端作为组主GO提供建立群组的服务集标识SSID(Service Set Identifier)和密码信息，其他设备通过Wi-Fi连接GO加入网络群组当中，发送端设备需要处于监听状态等待其他用户的连接，设备连接过后进行资源的分发，资源分发过后，GO主动解散当前群组网络；
步骤D2：接收端直接从组主进行下载文件；
接收端需要选择已经存在的D2D通信群组进行申请加入，通过服务发现过程获取目标设备的SSID和密码信息，当发送端同意时成功加入网络群组，进而发送端将资源传输到接收端，当接收端接收完毕后可以选择主动退出当前网络群组；
步骤D3：多跳通信；
在D2D通信网络中，由于移动终端设备的移动性，D2D网络的自组织性，存在着移动终端设备之间的距离足够远无法满足搭建通信网络群组的情况，此时移动终端设备需要提供作为网关节点间的设备，满足条件的GO与GC(Group client)均可以作为单中继节点。发送端和接收端作为中继节点，进行通信网络群组之间的资源传输。
步骤2：地址隐私加密；采用SM2(a State Secret Encryption Algorithms)加密算法和AES(Advanced Encryption Standard)加密算法组合加密的方式实现IP地址的隐私加密处理，其中AES加密算法对移动终端设备的IP地址进行加密，SM2加密算法对AES加密算法的密钥进行加密。接收端通过SM2加密算法解密获取AES加密算法的密钥，进而能够解密AES加密算法的密文获取明文IP地址。
步骤3：使用IPv6网络实现移动终端到服务器端的上传与下载资源，通过Wi-FiDirect或者蓝牙来实现移动端与移动端的数据传输，进行资源的分发共享，最后系统在资源的传输过程中，对于移动终端的IP地址进行加密。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明提出一种基于IPv6校园网络的协作式资源分发系统及方法，通过对系统中的每个功能模块进行功能测试，验证系统的设计方案的可行性，以及系统实际部署到安卓移动终端设备的可行性。针对算法的选择进行不同算法的加密效率测试，通过真机调试的运行截图以及日志生成表明了系统功能模块的正常运行，说明系统能够正常在IPv6网络与D2D网络正常运行。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的基于IPv6校园网络的协作式资源分发系统的框架结构图；
图2为本发明具体实施方式的发送端IPv6通信网络传输示意图；
图3为本发明具体实施方式的接收端IPv6通信网络传输示意图；
图4为本发明具体实施方式的发送端D2D网络传输示意图；
图5为本发明具体实施方式的接收端D2D网络传输示意图；
图6为本发明具体实施方式的多跳通信示意图；
图7为本发明具体实施方式的IP地址加密的整体流程图；
图8为本发明具体实施方式的AES算法的时间性能曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明。
一方面，本发明提供一种基于IPv6校园网络的协作式资源分发系统，图1所示，包括发送端以及接收端；
所述发送端包括第一IPv6网络传输模块、第一D2D通信网络传输模块、第一文件处理模块以及第一地址隐私安全处理模块；
所述第一IPv6网络传输模块用于建立移动端与服务端的通信连接，发送端将本地存储的资源文件传输到服务器端进行存储；
所述第一D2D通信网络传输模块用于创建D2D通信网络群组，管理D2D网络群组，通过建立网络群组实现组内通信，传输资源按照协议进行封装，由发送端将资源传输到接收端；
所述第一文件处理模块用于从本地存储中读取资源文件，对资源文件进行hash值的计算，根据资源文件的内容生成校验值，以便于校验文件的完整性，将资源文件进行协议的封装；
所述第一地址隐私安全处理模块用于网络IP地址的加密，通过SM2加密算法和AES加密算法结合实现对密钥和IP地址的加密；
所述接收端包括第二IPv6网络传输模块、第二D2D通信网络传输模块、第二文件处理模块以及第二地址隐私安全处理模块
所述第二IPv6网络传输模块用于接收端与服务器建立IPv6网络通道连接，接收端向服务器发送资源请求，查询资源是否能够下载，将资源下载到本地存储中，进行存储；
所述第二D2D通信网络传输模块用于监听网络群组，查询与加入D2D网络群组以及退出当前网络群组，实现组员作为单中继的多跳通信即组间通信，接收端接收来自发送端的资源文件数据时按照指定的协议进行数据包的解封；
所述第二文件处理模块用于等待发送端的资源传输，接收到传输的资源文件，对资源文件按照指定协议进行解封，根据报文信息进行资源文件的检查发送端的hash值，对文件的完整性进行校验；
所述第二地址隐私安全处理模块用于通过网络传输获取SM2加密算法的密钥，对AES加密算法的密钥进行解密，获取到AES加密算法的密钥，对发送端的加密网络地址进行解密；
另一方面，一种基于IPv6校园网络的协作式资源分发方法，基于前述一种基于IPv6校园网络的协作式资源分发系统实现，包括以下步骤：
步骤1：发送端设备访问本机存储，获取本机存储文件，然后进行文件发送；
所述文件发送包括发送到基于IPv6的服务器端，再有接收端在服务器端进行下载，以及通过D2D的方式，直接把文件发送给接收端。
步骤S1：发送给基于IPv6的服务器端，如图2所示；
服务器端采用阿里云的VPC专有网络，创建VPC实例，开通IPv6公网带宽实现公网通信权限，IPv6网关作为VPC中的IPv6公网流量的出入口。服务器端需要存储用户的信息，为发送端提供资源的上传服务，在服务器端对资源进行分类整理，将资源存储在Minio对象服务器中，生成相关索引信息，发送端在上传文件，记录用户的操作信息，记录资源的查询数据；
步骤S2：接收端通过IPv6校园网络对文件进行下载，如图3所示；
服务器把上传的资源进行分类整理，存储到Minio对象文件存储服务器中，并生成相关索引。接收端浏览查询服务器存储的文件，产看文件索引是否存在，如果存在则通过IPv6校园网络进行文件下载；
步骤D1：当用户存有所需要的资源时，通过构建D2D网络进行文件分发；发送端进行D2D网络成组，发送端D2D成组过程如图4所示；发送端需要通过本机借助Android系统的成组函数搭建D2D通信网络群组，发送端成功搭建网络后成为Group Owner，发送端作为GO提供建立群组的SSID和密码信息，其他设备通过Wi-Fi连接GO加入网络群组当中，发送端设备需要处于监听状态等待其他用户的连接，设备连接过后进行资源的分发，资源分发过后，GO主动解散当前群组网络；
步骤D2：接收端直接从组主进行下载文件，接收端接收文件过程如图5所示；
接收端需要选择已经存在的D2D通信群组进行申请加入，通过服务发现过程获取目标设备的SSID和密码信息，当发送端同意时成功加入网络群组，进而发送端将资源传输到接收端，当接收端接收完毕后可以选择主动退出当前网络群组；
步骤D3：多跳通信，多跳通信示意图如图6所示；
在D2D通信网络中，由于移动终端设备的移动性，D2D网络的自组织性，存在着移动终端设备之间的距离足够远无法满足搭建通信网络群组的情况，此时移动终端设备需要提供作为网关节点间的设备，满足条件的GO与GC均可以作为单中继节点。发送端和接收端需要能够作为中继节点，进行通信网络群组之间的资源传输；
如果中继节点选择的是组员，中继节点以下成为网关节点。在该组员已经在一个通信群组里面时，同时发现另一个通信群组时，通过组内单播和最大覆盖判断该组员是否可以成为网关节点。组主需要管理通信群组的组员，组员离开通信群组需要向组主提交申请，组主决定组员是否可以离开通信群组。网关节点离开通信群组涉及到两个群组的操作，需要与两个组主进行协商。组主节点也需要及时更新通信群组的组员列表。组主应该在组内周期性广播，通信过程中组长节点是可以离开通信群组的；
步骤4：地址隐私加密；
IP地址加密的整体流程图如图7所示，地址隐私加密主要是针对D2D网络和IPv6网络中的IP地址隐私安全问题进行安全加密，对于D2D网络中的网络IP地址采用SM2加密算法和AES加密算法结合加密的方式进行加密解密，对于IPv6网络则在扩展报头的50、51处的AH与ES，选择启用IPsec功能，加强安全性。采用SM2加密算法和AES加密算法组合加密的方式实现IP地址的隐私加密处理，其中AES加密算法对移动终端设备的IP地址进行加密，SM2加密算法对AES加密算法的密钥进行加密。接收端设备通过SM2加密算法解密获取AES加密算法的密钥，进而能够解密AES加密算法的密文获取明文IP地址；
本实施例中的开发环境如下表所示：
表1：开发环境
Figure BDA0002814558440000061
Figure BDA0002814558440000071
测试系统的基本功能，主要包括登录、注册、搜索、定位、忘记密码、个人信息修改、签到等等，以及D2D模块中基于Wi-Fi Direct和Bluetooth机制传输的真机运行情况，两图分别表示基于Wi-Fi Direct的D2D资源传输状态和基于Bluetooth的D2D资源传输状态，即当附近用户存储了所要求的文件之后，通过选择两种连接方式其中的一种，链接之后就可以开始进行资源的传输。图表示直接从服务器上上传以及下载文件，这种方式利用校园IPv6网络，作为数据上传以及下载的连接方式。不同于传统的IPv4网络，IPv6对于安全性有着更好的考虑。
表2：AES时间性能参数记录表
Figure BDA0002814558440000072
通过上表以及图8可以分析出AES机密解密算法的耗时随着IP地址个数的增加即明文字节数的增多时，AES算法的加密解密时间随之增加，但是每字节的加密解密耗时在减少，在面对庞大的IP地址个数时，AES算法的性能极为卓越，而在IP地址个数1000个以下的情况下，AES算法的耗时变化不大。经过分析研究、实验结果表明AES加密IP地址的可行性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (4)

1.一种基于IPv6校园网络的协作式资源分发系统，其特征在于，包括发送端以及接收端；
所述发送端包括第一IPv6网络传输模块、第一D2D通信网络传输模块、第一文件处理模块以及第一地址隐私安全处理模块；所述第一IPv6网络传输模块用于建立发送端与服务器端的通信连接，发送端将第一文件处理模块存储的资源文件传输到服务器端进行存储；所述第一D2D通信网络传输模块用于创建D2D通信网络群组并对D2D网络群组进行管理，通过建立D2D网络群组实现组内通信，传输资源文件按照TCP协议进行封装，由发送端将资源文件传输到接收端；所述第一文件处理模块用于从本地存储中读取资源文件，对资源文件进行hash值的计算，根据资源文件的内容生成校验值，将资源文件进行TCP协议的封装；所述第一地址隐私安全处理模块用于网络IP地址的加密，通过SM2加密算法和AES加密算法结合实现对密钥和IP地址的加密；
所述接收端包括第二IPv6网络传输模块、第二D2D通信网络传输模块、第二文件处理模块以及第二地址隐私安全处理模块，所述第二IPv6网络传输模块用于接收端与服务器建立IPv6网络通道连接，接收端向服务器发送资源请求，将资源下载到本地存储中，进行存储；所述第二D2D通信网络传输模块用于监听网络群组，查询与加入D2D网络群组以及退出当前网络群组，接收端接收来自发送端的资源文件数据时按照指定的协议进行数据包的解封；所述第二文件处理模块用于等待发送端的资源传输，接收到传输的资源文件，对资源文件按照指定协议进行解封，根据报文信息进行资源文件的检查发送端的hash值，对文件的完整性进行校验；所述第二地址隐私安全处理模块用于通过网络传输获取SM2加密算法的密钥，对AES加密算法的密钥进行解密，获取到AES加密算法的密钥，对发送端的加密网络地址进行解密。
2.一种基于IPv6校园网络的协作式资源分发方法，通过权利要求1所述一种基于IPv6校园网络的协作式资源分发系统实现，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：发送端设备访问本机存储，获取本机存储文件，然后进行文件发送；
所述文件发送包括两种方式，一种是发送到基于IPv6的服务器端，然后接收端从服务器端进行下载；另一种是通过D2D直接把文件发送给接收端；
步骤2：地址隐私加密；采用SM2加密算法和AES加密算法组合加密的方式实现IP地址的隐私加密处理，其中AES加密算法对移动终端设备的IP地址进行加密，SM2加密算法对AES加密算法的密钥进行加密，接收端通过SM2加密算法解密获取AES加密算法的密钥，进而能够解密AES加密算法的密文获取明文IP地址；
步骤3：使用IPv6网络实现移动终端到服务器端的上传与下载资源，通过Wi-Fi Direct或者蓝牙来实现移动端与移动端的数据传输，进行资源的分发共享，最后系统在资源的传输过程中，对于移动终端的IP地址进行加密。
3.根据权利要求2所述的一种基于IPv6校园网络的协作式资源分发方法，其特征在于，步骤1中所述发送到基于IPv6的服务器端具体包括以下步骤：
步骤S1：服务器端采用阿里云的VPC专有网络，创建VPC实例，开通IPv6公网带宽实现公网通信权限，IPv6网关作为VPC中的IPv6公网流量的出入口，服务器端存储用户的信息，为发送端提供资源的上传服务，在服务器端对资源进行分类整理，将资源存储在服务器中，生成相关索引信息，发送端再上传文件，记录用户的操作信息，记录资源的查询数据；
步骤S2：接收端通过IPv6校园网络对文件进行下载；
服务器把上传的资源进行分类整理，存储到文件存储服务器中，并生成相关索引，接收端浏览查询服务器存储的文件，查看文件索引是否存在，如果存在则通过IPv6校园网络进行文件下载。
4.根据权利要求2所述的一种基于IPv6校园网络的协作式资源分发方法，其特征在于，步骤1中所述通过D2D直接把文件发送给接收端具体包括以下步骤：
步骤D1：当用户存有所需要的资源时，通过构建D2D网络进行文件分发；发送端进行D2D网络成组；发送端需要通过本机借助Android系统的成组函数搭建D2D通信网络群组，发送端成功搭建网络后成为Group Owner，发送端作为GO提供建立群组的SSID和密码信息，其他设备通过Wi-Fi连接GO加入网络群组当中，发送端设备需要处于监听状态等待其他用户的连接，设备连接过后进行资源的分发，资源分发过后，GO主动解散当前群组网络；
步骤D2：接收端直接从组主进行下载文件；
接收端需要选择已经存在的D2D通信群组进行申请加入，通过服务发现过程获取目标设备的SSID和密码信息，当发送端同意时成功加入网络群组，进而发送端将资源传输到接收端，当接收端接收完毕后可以选择主动退出当前网络群组；
步骤D3：多跳通信；
在D2D通信网络中，由于移动终端设备的移动性，D2D网络的自组织性，存在着移动终端设备之间的距离足够远无法满足搭建通信网络群组的情况，此时移动终端设备需要提供作为网关节点间的设备，满足条件的GO与GC均可以作为单中继节点，发送端和接收端作为中继节点，进行通信网络群组之间的资源传输。
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