CN112672347B - 一种水下无线传感器网络数据传输安全防御框架设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明构建了一种水下无线传感器网络数据安全防御框架，该框架融合仿生隐蔽通信技术及数据加密算法，包括一般节点、sink节点、隐蔽水声通信信道和高速水声通信信道四个部分。本发明中，由sink节点生成密钥，通过仿生隐蔽通信信道将密钥安全地广播给水下己方的一般节点。一般节点收到密钥后，使用密钥将感知到的水下明文数据加密，随后通过高速水声通信信道将密文数据传回sink节点。Sink节点收到密文数据后使用对称密钥将密文数据解密，至此完成一次水下无线传感器网络高速安全通信的流程。
Description
技术领域
本发明属于水下无线传感器网络通信技术领域，涉及一种水下无线传感器网络数据传输安全防御框架的设计方法。
背景技术
水下无线传感网络作为探测和开发海洋资源的有力工具，一般包括多种部署于水下的传感器节点、水下航行器、浮标等设备，设备间通过声学信号进行数据交流，通过电池进行能量供应。水声信道是一个开放的环境，数据在水声信道的传输过程中，保证敏感信息安全地传输而不被对手截获是一个迫切需要解决的问题。
隐蔽水声通信是在水下声学环境中进行隐秘通信的概念。仿生隐蔽通信技术是通过模仿海洋环境中固有的声音，包括海洋哺乳动物的声音，自然界的声音和人类活动产生的声音，或者产生与其类似的人工合成声音信号作为通信的信号，这些通信信号可以被敌方检测到，但是在信号处理过程中，敌方把这些信号被当作海洋环境噪声而排除在识别过程之外，从而实现隐蔽通信的目的，保证发送信息的安全。
本发明针对水下无线传感器网络中数据传输的安全问题，引入加密算法完成对数据的加密，以保证水下传感器网络的传输数据的安全；水下仿生隐蔽通信由于其独特的伪装机制，不易被对手探测和截获，通过隐蔽水声信道传输密钥，可以保证密钥的安全；结合高速水声通信方案，解决单一使用水下仿生隐蔽通信速率偏低的问题，进而实现水下传感器网络高速安全的通信。
发明内容
为了提升水下无线传感器网络的安全性，平衡节点能量消耗等方面的性能，本发明设计了一种水下无线传感器网络数据传输安全防御框架，安全防御框架包括sink节点、一般节点、隐蔽水声通信信道和高速水声通信信道，通过使用数据加密技术，有效保证了水下无线传感器网络的安全性。技术方案如下：
1.建立网络模型：在一个水下无线传感器网络中，各节点随机分布在一定范围的海域内，通过声学信号进行数据传输，一般节点具有一定的计算功能、储存功能及信号收发功能，sink节点相对一般节点功能更强大，并能够保证安全；
2.建立信道模型：隐蔽水声通信信道及高速水声通信道模型建立包括多普勒估计及信道估计；
3.调制及解调：sink节点自适应选择合适的仿生声音信号作为隐蔽水声通信的信号载体,sink节点发送端将要发送的信息调制在仿生信号上，一般节点接收端解调仿生信号获得信息；
4.在sink节点处，跟据密码算法标准，生成一对对称密钥，并通过哈希算法生成密钥摘要；自适应选择仿生信号作为信息载体，将密钥及密钥摘要信息调制在仿生信号中；在发送端将调制后的信号通过仿生隐蔽信道广播给网络中的一般节点；
5.在一般节点处，接收端接收到的信号后，解调获取到密钥及密钥摘要信息；对比接收到的密钥及密钥摘要，完成密钥检验；若存在差异，发送信号要求sink节点重传消息；确定密钥无误后，将要传输的明文数据使用密钥通过密码算法中的对称加密算法进行加密；在发送端，将包含密文数据的信号发送给sink节点；
6.Sink节点接收端收到密文信号后，经过处理获得密文数据，再通过密钥解密，获得明文数据，至此完成一次安全的水下无线传感器网络数据传输。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的框架结构及各部分的功能，下面将附图作简单地介绍。
图1为本发明中水下无线传感器网络数据传输安全防御框架的结构示意图；
图2为本发明中sink节点广播仿生信号的示意图；
图3为本发明中一般节点通过高速水声通信信号回传密文消息的示意图。
具体实施方式
本发明提出了一种水下无线传感器网络数据传输安全防御框架设计方法，密码技术是目前公认的保护信息安全的有效手段，采用密码算法加密水下无线传感器网络中传输的数据，可以显著提升水下无线传感器网络数据传输过程中的安全性。水下无线传感器网络由于其自身的特殊性，相比陆上无线传感器网络存在先天的不足，以致于不能照搬陆上无线传感器网络的加密方案。
仿生隐蔽水声通信技术由于其独特的隐蔽机制，通过隐蔽水声信道传输加密密钥，可以有效保证密钥的安全性，同时可以实现“一次一密”的加密通信体制，使网络的安全性得到进一步保障。
本发明的具体操作流程如下：
1.建立网络模型：在一个水下无线传感器网络中，各节点随机分布在一定范围的海域内，通过声学信号进行数据传输，一般节点具有一定的计算功能、储存功能及信号收发功能，sink节点相对一般节点功能更强大，并能够保证安全；
2.建立信道模型：隐蔽水声通信信道及高速水声通信信道模型建立包括多普勒估计及信道估计；
3.在sink节点处：
(1)跟据密码算法标准，生成本次通信所需的一对128bit的对称密钥，并通过哈希算法生成密钥摘要；
(2)根据节点所处的环境情况，自适应选择仿生信号作为信息载体，将密钥信息调制在仿生信号中；
(3)在仿生信号之前添加同步信号，便于进行多普勒估计及信道估计，完成信息封装；
(4)在发送端将完整的仿生信号通过仿生隐蔽信道广播给水下无线传感器网络中的一般节点；
4.在一般节点处：
(1)一般节点接收端接收到完整的仿生信号后，通过同步信号进行信号同步，确定包含密钥信息的信号的位置，完成解调，获取到密钥信息及密钥摘要信息；
(2)对比接收到的密钥及密钥摘要，完成密钥的完整性，一致性检验；若存在差异，发送信号要求sink节点重传消息；
(3)确定密钥无误后，将要传输的明文数据使用密钥通过密码算法中的对称加密算法进行加密；
(4)在一般节点发送端，将明文数据加密过后生成密文数据调制为高速水声通信信号，添加同步信号后，通过高速水声通信信道，发送给sink节点；
5.Sink节点接收端收到高速水声通信信道传来的密文信号后，通过同步信号进行多普勒估计及信道估计后，解调获得密文数据，再通过密钥解密，获得一般节点发送的明文数据，至此完成一次安全的水下无线传感器网络数据传输。
Claims (1)
1.一种水下无线传感器网络数据传输安全防御框架设计方法，包括下列步骤：
(1).建立网络模型：在一个水下无线传感器网络中，各节点随机分布在一定范围的海域内，通过声学信号进行数据传输，一般节点具有一定的计算能力、储存能力及信号接收功能，sink节点相对一般节点功能更强大，并能够保证安全；
(2).建立信道模型：仿生隐蔽水声通信信道及高速水声通信信道模型建立包括多普勒估计及信道估计；
(3).调制及解调：sink节点自适应选择合适的仿生声音信号作为隐蔽水声通信的信号载体；在仿生信号之前添加同步信号，便于进行多普勒估计及信道估计，完成信息封装；sink节点发送端将要发送的信息调制在仿生信号上，一般节点接收端接收到完整的仿生信号后，通过同步信号进行信号同步，解调仿生信号获得信息；
(4).密钥传输：sink节点生成的本次通信的密钥，并通过哈希算法生成密钥消息摘要，通过隐蔽水声通信信道广播给各个节点；
(5).密钥校验：一般节点处通过对比接收到的密钥与密钥消息摘要，完成密钥完整性、一致性校验，若存在差异，发送信号要求sink节点重传；
(6).密文传输：一般节点处使用通过校验的密钥加密数据生成密文，并将密文数据调制为高速水声通信信号，添加同步信号后，通过高速水声通信信道将密文数据发送到sink节点；
(7).明文获取：sink节点接收端收到高速水声通信信道传来的密文信号后，通过同步信号进行多普勒估计及信道估计，解调获得密文数据，再通过密钥解密，获得一般节点发送的明文数据。
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