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《江苏科技大学》 2019年
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基于数字水印的水下传感器网络数据安全性研究

梅雁翔  
【摘要】:水下无线传感器网络(Underwater Wireless Sensor Network,UWSN)是整个无线传感器网络(WSN)领域内新兴的研究领域。UWSN已经广泛应用在海洋环境监测、海洋资源开发、海洋灾难预防、辅助导航、军事目的等领域。水下传感器网络是由无数个传感器节点自组织的网络,其中水下传感器节点主要负责采集各种环境数据,通过单跳或者多跳的方式将数据传送到基站或者采集中心,最终传输到用户终端。由于传感器节点通常分布在无人监管的区域,水下环境复杂,UWSN很容易遭受各种威胁,节点感知的数据极易受到篡改、伪造等攻击。因此,如何保证水下传感器网络数据传输安全成为UWSN研究领域重要的研究对象。无线传感器网络技术在水下领域中的应用处于起步阶段,它的技术和应用都还不够成熟。基于数字水印的数据安全算法计算简单,资源消耗少,且具有较高的安全性,越来越受到中外研究学者的重视。本文将根据UWSN的特点,结合数字水印技术,在受限环境下能够验证数据真实性与完整性。本文主要的研究内容如下:(1)查阅相关国内外的文献,研究了当前水下传感器网络面临的各种攻击和威胁,分析了现有的防御技术的特征,提出了水下传感器网络数据安全的需求。(2)分析了水下传感器网络信道特点及数字水印特征,结合水声信道的特征,提出了基于水下声信道的数字水印模型,在扩频技术的基础上,分析了现有几种扩频序列的特性,提出了将混沌序列作为水印序列。在此基础上,设计了适合水下传感器网络数据安全的数字水印方案。(3)提出了在数据的冗余空间嵌入混沌序列水印技术来实现水下传感器网络数据安全的方法。利用混沌序列的统计特性,生成混沌序列水印,将水印信息嵌入到数据的冗余空间中。在汇聚节点或基站,根据数字水印检测算法比对,来验证载体数据在传输过程中是否遭到恶意攻击。实验验证了该方法的有效性。(4)为了提高水印鲁棒性和安全性,提出了基于FRFT和SVD变换域的数字水印方案。将混沌扩频序列作为水印信息,利用分数阶傅里叶变换(FRFT)的良好的时频特性,和奇异特征值(SVD)的稳定性,通过改变奇异特征值来嵌入水印。实验仿真说明,该方法具有较好的安全性和透明性,能够检测数据是否遭受到恶意攻击,能够验证网络数据的完整性。
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