彭鵬

摘要：無線網(wǎng)絡承擔著各行各業(yè)的通信任務，無線網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)量的增大對其傳輸響應時間、傳輸?shù)陌踩砸笤絹碓礁摺榇?，文章提出基于區(qū)塊鏈的無線網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)加密傳輸方法。該方法在利用區(qū)塊鏈技術獲取無線網(wǎng)絡通信節(jié)點數(shù)據(jù)的基礎上，利用混沌映射方法加密了獲取的無線網(wǎng)絡通信節(jié)點數(shù)據(jù)。通過統(tǒng)一通信數(shù)據(jù)傳輸格式和基于TCP通信協(xié)議設計通信架構(gòu)，實現(xiàn)無線網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)加密傳輸。設計對比測試結(jié)果表明，文章所提出基于區(qū)塊鏈的無線網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)加密傳輸方法的加密傳輸執(zhí)行效率較高，響應時間較短，異常節(jié)點丟失情況較少，證明了文章所提方法具有較好的加密傳輸性能。

關鍵詞：區(qū)塊鏈；數(shù)據(jù)加密；無線網(wǎng)絡通信；數(shù)據(jù)傳輸；混沌映射；TCP通信協(xié)議

中圖分類號：TP399? 文獻標志碼：A

0 引言

無線網(wǎng)絡中要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越來越大［1］，對鄰近結(jié)構(gòu)的組織要求越來越高。由于無線網(wǎng)絡是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡，并且環(huán)境復雜，在進行數(shù)據(jù)傳輸時，不僅要考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，還需要考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝浴Ｏ噜徆?jié)點的響應時間太長，容易造成單向數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄髁渴芟蕖Ｏ嚓P的數(shù)據(jù)加密傳輸方法引起了學者的廣泛關注。區(qū)塊鏈是數(shù)據(jù)信息領域的一個專有名詞，它可以作為一個開放的共享數(shù)據(jù)庫［2］，直接儲存系統(tǒng)在運行過程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并具有可公開、可追溯、可維護、可處理等諸多優(yōu)點。這種數(shù)據(jù)分享機制是一種新的計算機加密算法，其主要體現(xiàn)在分布式信息存儲中。為了提升數(shù)據(jù)傳輸效率，人們提出采用無線通信節(jié)點，組建整體的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡。按照實際數(shù)據(jù)傳輸需求，連接部分節(jié)點生成備份數(shù)據(jù)傳輸路徑。但是，由于每條數(shù)據(jù)傳輸路徑的通信能力有差異，更多情況下規(guī)劃的數(shù)據(jù)傳輸路徑，難以發(fā)揮良好的傳輸效果。仝軍等［3］在通過混沌參數(shù)調(diào)制及時間戳技術獲取節(jié)點能量特征的基礎上，從節(jié)點、鏈路、能量3方面實現(xiàn)了無線傳感數(shù)據(jù)加密傳輸。區(qū)塊鏈不同于傳統(tǒng)的處理方式，它是從比特幣體系中衍生出來的，其本質(zhì)就是一種沒有中央標識的信息儲存。區(qū)塊鏈是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的基礎技術，它需要通過一系列的加密來保證數(shù)據(jù)包的安全。為了保證無線通信網(wǎng)絡安全穩(wěn)定傳輸，本文提出基于區(qū)塊鏈的無線網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)加密傳輸方法。

1 無線網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)加密傳輸

當前，無線網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)加密傳輸方法，主要依托聚類方法，無法有效獲取數(shù)據(jù)加密傳輸時的潛在感知事件，使得數(shù)據(jù)傳輸安全性不高。為此，本文提出了基于區(qū)塊鏈的無線網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)加密傳輸方法。

1.1 獲取無線網(wǎng)絡的通信節(jié)點數(shù)據(jù)

區(qū)塊鏈技術［4］是以一種完整的網(wǎng)絡架構(gòu)為基礎，對無線網(wǎng)絡中的節(jié)點進行實時監(jiān)控，形成的一個完整的數(shù)據(jù)監(jiān)控閉環(huán)。利用區(qū)塊鏈技術對無線網(wǎng)絡通信節(jié)點進行數(shù)據(jù)采集的詳細過程，如圖1所示。

本文使用區(qū)塊鏈底層P2P網(wǎng)絡，并將區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中各節(jié)點設定為無線網(wǎng)絡的各組件，使各組件在無線網(wǎng)絡中成為同等的節(jié)點，并確保各組件享有同等的權(quán)利與責任。在新的節(jié)點訪問無線網(wǎng)絡時，應及時了解無線網(wǎng)絡中的其他節(jié)點相關情況，并進行區(qū)塊鏈同步。新的節(jié)點在嘗試加入一個無線網(wǎng)絡時，它會向無線網(wǎng)絡中的一個節(jié)點提出一個完整的訪問請求，在訪問請求出現(xiàn)時，無線網(wǎng)絡會將報文傳輸?shù)綗o線網(wǎng)絡中央節(jié)點［5］。同時，當一個節(jié)點嘗試進入一個無線網(wǎng)絡后，在這個時間段內(nèi)，與其工作相關的所有節(jié)點數(shù)據(jù)，都會被傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，然后判斷這個節(jié)點是否缺失了數(shù)據(jù)，如果是，此時該節(jié)點的數(shù)據(jù)存在異常，訪問通信的請求被拒絕。

1.4 統(tǒng)一通信數(shù)據(jù)傳輸格式

信道均衡的穩(wěn)定性隨著通信信道載波數(shù)量的增加不斷降低，消除了干擾對數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生的影響，所提方法在數(shù)據(jù)通信碼元相似度度量的基礎上優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸。無線網(wǎng)絡的海量通信數(shù)據(jù)單位傳輸格式包括：頭幀、數(shù)據(jù)幀［8-9］、組態(tài)幀、指令幀；利用指令框來決定無線網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂浦噶?。各幀都有相同的功能字?jié)指派，非同幀的幀首可以顯示各幀的類型和時間同步信息，在數(shù)據(jù)傳輸中，各幀之間沒有分界符。將所有的數(shù)據(jù)都統(tǒng)一到同一結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)傳輸格式中，使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸格式，既能提高無線網(wǎng)絡的通信效率，又能為以后的數(shù)據(jù)分析和應用提供一定的支持。本文從空間和時間的角度，對無線網(wǎng)絡中有效的數(shù)據(jù)傳輸形式進行了探討。

采用以上數(shù)據(jù)傳輸格式數(shù)據(jù)單元幀的唯一編碼作為 ID，設定數(shù)據(jù)單元唯一編碼字節(jié)的存儲器數(shù)目是16個字節(jié)，其他通信數(shù)據(jù)設定字節(jié)是1 024個，而“Equipment”和“Time”是數(shù)據(jù)傳輸點和開始時間和結(jié)束時刻；設定數(shù)據(jù)傳輸開始時間和結(jié)束時間位元組的儲存數(shù)目都是16位，開始時間和結(jié)束時間位元組的數(shù)目是8位；使用代表特定時間、特定傳輸點的數(shù)據(jù)的 Data字節(jié)是1 024 000，在新傳輸數(shù)據(jù)超過隊列數(shù)目時將其丟棄。至此完成通信數(shù)據(jù)傳輸格式的統(tǒng)一。

1.5 設計通信架構(gòu)

采用TCP通信協(xié)議［10］作為無線網(wǎng)絡海量通信數(shù)據(jù)加密傳輸連接的通信協(xié)議，選取C/S模式設置無線網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)加密傳輸?shù)男诺馈o線網(wǎng)絡海量通信數(shù)據(jù)加密傳輸?shù)慕⒘鞒?，如圖2所示。

加密傳輸在重建通信或重新啟動時并未建立，不同系統(tǒng)與傳輸模型的通信過程可分為不同個子通信流程。至此，完成基于區(qū)塊鏈的無線網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)加密傳輸。

2 仿真實驗測試

2.1 仿真環(huán)境

部署無線網(wǎng)絡環(huán)境為單個節(jié)點和共識排序服務相結(jié)合，以數(shù)據(jù)分發(fā)機制為依據(jù)，在同一通道內(nèi)搭建測試平臺。選擇兩個虛擬機作為部署數(shù)據(jù)分發(fā)源服務器，一臺虛擬機搭載開源SDN控制器Ryu，利用Python語言執(zhí)行按照；另一臺虛擬機安裝Mininet，將Mininet中host與外部虛擬機連接，模擬無線網(wǎng)絡拓撲獲取鏈路參數(shù)。

選用60 GB硬盤、4GB內(nèi)存和Intel Core（TM） i7CPU，共同構(gòu)建實驗硬件環(huán)境。同時，本次仿真實驗過程中，采用了第三方流量監(jiān)控軟件sFlow，實時監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸情況。數(shù)據(jù)庫采用MySQL5.6.10，并且利用IronTrackSQL和P6Spy工具統(tǒng)計無線網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)的存儲時間。

2.2 仿真測試分析

本文為了驗證基于區(qū)塊鏈技術的無線網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)加密傳輸方法的性能，分別利用本文所提方法、仝軍等［3］考慮節(jié)點能量特征的無線傳感數(shù)據(jù)加密傳輸方法測試無線網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)加密傳輸?shù)膱?zhí)行效率，測試結(jié)果如圖3所示。

仝軍等［3］方法的無線網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)加密執(zhí)行效率略低于提出方法，如圖3所示。本文提出方法中第6次實驗所得的數(shù)據(jù)加密執(zhí)行效率最高大約為93%，仝軍等［3］方法的無線網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)加密執(zhí)行效率最高為84%。由此可見，本文提出方法在一定程度上提升了無線網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)加密傳輸?shù)膱?zhí)行效率，具有較好的性能。

在對無線網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)加密傳輸執(zhí)行效率測試的基礎上，測試無線網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)加密傳輸?shù)捻憫獣r間，測試結(jié)果如圖4所示。

在對無線網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)加密傳輸測試時，本文提出方法數(shù)據(jù)加密傳輸響應時間最短，仝軍等［3］方法的無線網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)加密傳輸響應時間變化波動較大，如圖4所示。本文所提方法的數(shù)據(jù)加密傳輸響應時間在20ms～40ms范圍內(nèi)變化，仝軍等［3］方法的數(shù)據(jù)加密傳輸響應時間在43ms～68ms范圍內(nèi)變化。對比得到，本文提出方法在具有較高數(shù)據(jù)加密執(zhí)行效率的情況下，還具有較短的加密傳輸響應時間，驗證了提出方法良好的性能。

本文對比兩種加密傳輸方法進行通信時，丟失的異常節(jié)點數(shù)量，并計算兩種加密傳輸方法的節(jié)點丟失率，如表1所示。

本文提出方法在多次測試中，節(jié)點丟失率低于3.06%；仝軍等［3］的無線網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)加密傳輸方法在多次測試中，其節(jié)點丟失率低于10.12%，如表1所示。

綜合上述，本文所提方法具有較好的無線網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)加密傳輸執(zhí)行效率，較低的執(zhí)行響應時間，利用區(qū)塊鏈技術可以準確采集異常無線網(wǎng)絡節(jié)點。

3 結(jié)語

為了避免無線網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)被篡改所帶來的損失，本文提出了基于區(qū)塊鏈技術的無線網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)加密傳輸方法。該方法加密了利用區(qū)塊鏈技術獲取的通信數(shù)據(jù)。通過統(tǒng)一通信數(shù)據(jù)傳輸格式和設計通信架構(gòu)，實現(xiàn)無線網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)加密傳輸。通過對提出方法性能的測試，得到的測試結(jié)果證明了該方法在對無線網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)加密傳輸時，不僅具有較高的數(shù)據(jù)加密執(zhí)行效率，還具有較短的數(shù)據(jù)加密傳輸響應時間，驗證了所提方法具有良好的性能，能夠進一步增強數(shù)據(jù)的安全性，最終被廣泛應用在眾多研究領域中。

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（編輯 李春燕）

Data encryption transmission method of wireless network communication based on blockchain

Peng? Peng

（Tianjin College， Beijing University of Science and Technology， Tianjin 301830， China）

Abstract：? Wireless network undertakes the communication tasks of all walks of life. With the increase of the amount of data transmitted by wireless network， the requirements for its transmission response time and transmission security are getting higher and higher. Therefore， a data encryption transmission method based on blockchain for wireless network communication is proposed. This method uses the block chain technology to obtain the wireless network communication node data， and uses the chaotic mapping method to encrypt the obtained wireless network communication node data. By unifying the communication data transmission format and designing the communication architecture based on TCP communication protocol， the wireless network communication data encryption transmission is realized. The design comparison test results show that the proposed block chain based wireless network communication data encryption transmission method has higher encryption transmission efficiency， shorter response time， and less abnormal node loss. It is proved that the proposed method has better performance of encrypted transmission.

Key words： blockchain; data encryption; wireless network communication; data transmission; chaotic mapping; TCP communication protocol