摘要:
水下战场环境涉及多维的作战空间和复杂的电磁环境,研究水下无线通信网络的安全风险,是研究适用于海战场水下无线通信网络安全保密技术及体系的前提。本文根据水下通信网络的特点,分析了水下无线通信网络的安全保密需求,研究了水声网络信息安全保密设计考虑要素,并对认证与完整性问题进行了探讨,可为研究军用水声网络安全保密体系提供借鉴参考。
关键词:
水声网络；安全保密；风险
1引言
现代战争需要及时获取尽可能全局的敌我信息和环境信息,准确识别目标,得出战场态势并进行信息共享,及时做出有利的战略决策或战术决策,以立于不败之地。而水下战场环境涉及多维的作战空间和复杂的电磁环境,面临各种威胁和攻击,所以保证其通信网络的安全性和可靠性是首要问题。由于水下环境和水下通信网络的特殊性,现有传统无线通信网络的安全技术不能直接移植应用到水下。因此,研究水下无线通信网络的安全风险,研究适用于水下无线通信网络的安全技术,使水下无线通信网络能更好地、更安全地为构建一体化的水下信息预警探测网络、有效扩大信息优势、增加侦察和捕获目标的范围和效力提供重要支撑作用。
2水下网络特点与隐患
利用水下通信网络进行预警探测主要是建立反潜监视网络和海洋环境监视网络,包括水面舰艇、潜艇、水下UUV、浮标、海底声呐阵等。网络传感器节点主要装备有各类综合声呐、侦察声呐,探测声呐、噪声测距声呐、磁感应量测等设备。对于这些节点,当采用被动探测方式时,在对目标稳定跟踪后可获得的目标信息主要是方位；采用侦察方式或用侦察节点则可获得目标方位、载频、脉冲宽度和重复周期等数据；通过噪声测距节点可获得目标距离和方位。出于安全、隐蔽的考虑,舰艇(特别是潜艇)装备的声呐设备通常采用被动方式工作,只能得到目标的方位信息。由于海水声传播特性极其复杂,水下无线通信网络通常包括大量在水下分布的、能源受限的、自配置和自感知的传感器节点,在诸多方面不同于传统网络系统。军用水下无线通信网络具有如下重要特性：
(1)各种移动模式：尽管一些传感器以超音速移动,其他的水下节点可能是固定的。
(2)广泛的终端类型：范围广泛的设备,如传感器、单声道收音机和计算机,可能是军事水下通信网络的终端。
(3)可变的通信距离：通信距离从几米到几千千米,无线电波在海水中选择性衰减严重,无法满足远距离传输的要求,因此,水下无线通信系统多采用声波作为传输载体,但水声通信技术存在着难以克服的传输速率低、高延时、功耗大等缺陷。
(4)可变的通信介质特征：各种媒介类型(如有线、光纤、空气和海水)可台会组合起来使用。
(5)快速改变通信地点：被广泛的水下通信网络覆盖的区域可能需要清空,同时在一次军事行动中,同样的网络在不同的地区内几天之内能够安装好。
(6)敌对和嘈杂的环境：在水下战场,对方的通信设施是高优先级目标。此外上千的炸弹爆炸、车辆和故意干扰会产生噪声。
(7)突发流量：通信流量常常是与时间和空间相关的。长时间的无线电静默可能在特定的地区突然被极其密集的报告和通信需求打破,然而其他的地区保于静默。
(8)各种安全限制：非涉密数据与涉密数据在同一个通信信道里传输。
3安全设计考虑
在水下无线通信网络环境中,设计实现一个完善的无线网络系统时,首先要分析网络中存在的各种安全威胁,针对这些威胁提炼必需的安全需求,从而设计相应的安全方案,需要考虑的因素包括以下几个方面。
(1)无线传输信道。水下无线通信网络节点有严格的能量限制、低容量和微型传感器节点的小尺寸。在水下无线通信网络中,能量最小化假设具有重大意义,超过衰变、散射、阴影、反射、衍射、多径效应和衰落影响。总的来说,在距离d内传输信号需要的最小输出功率与dn成比例,其中2≤n<4。因此,有着更多跳数和更短距离的路径比那些少跳数长距离的路径,能效更高。
(2)网络体制。在水下无线通信网络中,一个中心点或一个关键节点的存在使得它们在敌对环境中更加脆弱。通过分析流量可能发现一个收集节点,并且在这些关键节点中监视或阻止所有数据流量。在水下无线通信网络中,节点间相互依靠来传送一个包。这种多跳自组织特性也带来了额外的弱点,使它们易受攻击。当一个恶意节点使其他节点相信它是一个中继节点时,它可以接收它们的包,且不转发它们。
(3)流量特性。在水下无线通信网络中,数据流量通常是与时间和空间相关的。网络节点覆盖范围通常是重叠的,因此当一个事件发生时,它在同一个区域触发多个传感器。时间和空间的相关性表明,对于某些区域和时间段来说过度使用,对另一些区域和时间段来说未充分利用。这给通信协议和算法设计包括安全方案带来了额外的挑战。当数据流量是相关的,对付流量分析攻击变得更具有挑战性。
(4)服务质量。在水下无线通信网络中,功率是首先要考虑的,当然这取决于应用。当网络用于军事实时应用方面时,延时也是一个重要的限制,通常和功率限制相冲突。对于这术的网络,带宽需求可能会高些。水下通信网络应用中,延时和带宽问题是一个最重要的挑战。对于声纳水下介质,传播延迟很长时间(平均每100m为67ms),容量十分有限(5~30kbit/s)。
(5)容错性。水下无线通信网络中的收集节点代表了故障的关键点。数据通过这些节点中继到外部系统,若它们不存在,网络将变得不相连。这在网络中尤其重要,因为如果传感器收集的数据没有到达用户,它们不会有任何用处,而且传感器节点中的数据只能通过收集节点访问。因此,它们可能成为拒绝服务攻击的重要目标,容错性方案应该考虑到这一点。
(6)操作环境。水下无线通信网络的设计是在恶劣和难以接近的地区无人值守运行的,这给容错方案带来了额外的挑战。此外,传感器网络可能在敌后的对抗性环境中。在这种情况下,它们易受物理攻击,且更容易篡改。
(7)能效问题。功耗是影响水下无线通信网络协议设计的最重要因素之一,这也需要安全方面的特殊处理。水下无线通信的安全方案必须在计算和网络需求方面都是低成本的。
(8)可扩展性。水下无线通信网络设计方案需要高度可扩展,这也影响到了安全协议。对于水下军事通信网络来说,可扩展需求和功率限制一起阻碍了后部署密钥分配方案的适用性,因此,在这种应用中,密钥应在节点部署之前先行部署。
(9)硬件成本。水下无线通信网络节点的存储和计算能力有限,因此,有着更少存储和计算需求的安全方案更适合于水下军事通信网络。
4认证与完整性设计
在一个安全的水下无线通信网络中,节点由网络授权,并且只有被授权的节点才被允许使用网络资源。建立这样一个网络的一般步骤包括自举、预认证、网络安全关联、认证、行为监控和安全关联撤销。在这几部分中,认证是最重要的,同时也是网络安全中最基本的一项服务。其它的基本安全服务例如机密性、完整性和不可抵赖性均取决于认证。秘密信息只有在节点进行互相验证和确认后才能进行交换。
4.1认证问题
在水下无线通信网络中,敌手很容易篡改数据,并把一些消息注入数据,这样接收者应该确保接收到的数据来自一个合法的发送方,并且没有被篡改过。数据认证允许接收方验证数据真正是由声称的发送方发送的。这样,接收方需要确保任何决策过程用到的数据来自正确的源节点。在双方通信情况下,发送方用秘密密钥计算消息内容的校验和,产生一个消息认证码(MAC)。数据认证能被接收方验证,这个接收方拥有用于产生相同消息认证码(MAC)的共享密钥和源消息。然而在水下多方通信中,比如基站广播数据给一些节点时,就不能使用对称的数据认证。这种情况下,可采用非对称机制如定时高效流容忍损耗认证(TESLA)。在这种方法中,首先发送方用密钥产生的消息认证码(MAC)广播一个消息,这里的密钥稍后将公开。当节点收到消息时,如果它还没收到发送方透露的密钥,将首先缓存消息。当节点收到密钥以后,它将用密钥和缓存的消息产生消息认证码(MAC)来认证此消息。TESLA的缺点是认证的初始参数应该单播给每一个接收方,这对拥有庞大数量节点的网络来说是低效的。因此将多级密钥链用于密钥分配中,初始参数是预设的,并广播给接收方,而不是单播发送,这样做增加了拥有大量节点网络的可扩展性,同时可抵抗重放攻击和拒绝服务攻击。
4.2完整性问题
数据完整性的含义是接收方收到的数据和发送方发出的数据是一样的。在水下无线通信网络中,如果一个节点被敌手捕获,敌手可能会修改数据或把一些错误的信息注入网络里。由于节点有限的资源和节点部署在恶劣的环境中,通信数据会丢失或被损坏,或数据的完整性可能会受到破坏。为了保护数据完整性,最简单的办法是使用循环冗余校验(CRC)；另一个方法是使用基于加密的完整性方法,比如在认证时使用消息认证码MAC,这会更加安全,但也更复杂。机密性可以阻止信息泄漏。然而,为了扰乱通信,敌手仍然可能会篡改数据。比如,一个恶意节点可能会在一个包里添加片段或操纵包中的数据。这个新数据包会被发送给原接收方。由于恶劣的通信环境,甚至都不需要出现恶意节点,数据就会丢失或遭到破坏。因此,数据完整性要确保任何接收到的数据在传输过程中不会被修改。
5结语
水下通信网络的迅速部署、自组织和容错特性使其在军事C4ISR系统中有着非常广阔的应用前景。因此需要针对水下无线通信网的威胁提炼必需的安全保密需求,从而设计相应的安全体系架构与安全方案,通常包括用户接入控制设计、用户身份认证方案设计、密钥协商及密钥管理方案设计等,以满足其安全保密需求。尤其是认证与完整性问题,是水下通信网络安全需要解决的首要问题,这也是今后开展研究工作的重点。
作者：张继永 单位：海军计算技术研究所
参考文献
[1]吴学智,靳煜,何如龙.水声网络及其军事应用研究[J].电声技术,2012(08).
[2]郎为民,杨宗凯,吴世忠,谭运猛.一种基于无线传感器网络的密钥管理方案[J].计算机科学,2005(04).
[3]熊飞,吴浩波,徐启建.一种传感器网络的分布式信任模型[J].无线电工程,2009(08).
[4]荆琦,唐礼勇,陈钟.无线传感器网络中的信任管理[J].软件学报,2008(07).
[5]杨光.水下无线通信网络安全关键技术研究[D].中国海洋大学博士论文.2012(5).