水下無線通信網(wǎng)絡安全關鍵技術研究.pdf

1、研制低成本、高能效、高可靠性、高安全性的水下無線通信網(wǎng)絡對于海洋環(huán)境監(jiān)控、海洋資源開發(fā)等研究領域具有重要的理論意義和經(jīng)濟價值。由于受自身特性限制和水聲通信環(huán)境制約，水下無線通信網(wǎng)絡面臨各種威脅和攻擊，然而現(xiàn)有的水下通信研究多以節(jié)省能耗、延長網(wǎng)絡壽命為出發(fā)點，忽視了潛在的安全問題。因此，研究現(xiàn)有水下無線通信技術存在的安全隱患，針對其面臨的安全威脅和安全需求，設計適用于水下無線通信網(wǎng)絡的安全技術和安全體系，具有重要的意義。本文對水下無線通信

2、網(wǎng)絡的若干安全關鍵技術進行了研究，并提出了一種適用于水下無線通信網(wǎng)絡的安全體系。本研究主要內容包括：
　　 ⑴研究了現(xiàn)有水下無線通信技術存在的安全隱患，并對現(xiàn)有水下安全技術進行了簡要介紹。對各種攻擊和安全威脅進行了相應研究，分析了各種攻擊的特點及防御技術。根據(jù)水下無線通信網(wǎng)絡的安全需求，提出了一種適用于水下分簇拓撲結構無線通信網(wǎng)絡的安全體系，該安全體系由基于分簇拓撲的安全管理機制，基于能量和信任的安全成簇策略和基于分簇的安全MA

3、C協(xié)議組成。
　　 ⑵提出了一種基于分簇拓撲的安全管理機制，該機制主要包括：分級混合加密機制、分級混合密鑰管理機制、分級信任管理機制和基于信任的惡意節(jié)點檢測機制。分級混合加密機制將加密體系分為簇內通信加密和簇問通信加密，簇內通信加密采用對稱加密機制，簇間通信加密采用混合加密機制；分級混合密鑰管理機制將密鑰管理體系分為簇內密鑰管理和簇問密鑰管理，綜合采用密鑰預分配策略和基于密鑰分配中心的策略；分級信任管理機制將信任值的計算和管理分

4、為三層，在成員節(jié)點上的信任計算、在簇頭節(jié)點上的信任計算和在網(wǎng)關節(jié)點上的信任計算；基于信任的惡意節(jié)點檢測機制將信任值作為判斷節(jié)點惡意行為的依據(jù)，確定受攻擊區(qū)域后通過查詢構建區(qū)域路由樹，從而確定惡意節(jié)點。
　　 ⑶針對二維水下分簇拓撲，提出了一種基于能量和信任的安全成簇策略。該安全成簇策略主要由三部分構成：初始化階段，簇頭重選階段和拓撲維護階段。初始化階段進行全網(wǎng)成簇，采用最小能耗成簇策略，成簇后網(wǎng)絡結構固定；簇頭重選階段采用能量和

5、信任值做為評價因子，由現(xiàn)任簇頭對成員節(jié)點進行評估，選出綜合評價因子最高的候選節(jié)點作為新任簇頭；拓撲維護階段主要負責監(jiān)控簇內節(jié)點的狀態(tài)，在拓撲結構發(fā)生變化時采用相應策略及時對網(wǎng)絡拓撲進行維護。
　　 ⑷針對現(xiàn)有水下 MAC協(xié)議存在的安全問題，提出了一種基于分簇拓撲的安全MAC協(xié)議，該協(xié)議由簇內安全MAC協(xié)議與簇間安全MAC協(xié)議兩部分組成。①簇內采用TDMA協(xié)議，通過優(yōu)化時隙分配機制提高了信道利用率；為滿足高優(yōu)先級、猝發(fā)通信的需求，

6、引入了猝發(fā)通信機制，增強了協(xié)議的自適應性和可擴展性；簇間采用基于握手機制的CDMA協(xié)議，采用CDMA多址技術為每個簇分配不同擴頻碼，保證不同簇的控制幀和數(shù)據(jù)幀不會產(chǎn)生沖突，提高了信道利用率。②引入了安全機制，增強了MAC協(xié)議的安全性：采用混沌擴頻碼代替?zhèn)鹘y(tǒng)的偽隨機序列，增強了CDMA通信系統(tǒng)的的安全性；采用對稱加密機制對保證了數(shù)據(jù)的機密性，并采用消息驗證碼保證了數(shù)據(jù)的完整性；對簇間握手機制的控制幀(RTS/CTS)采用基于身份的加密，保