【2023年第7期】下一代海洋信息网络隐私安全保护方法及趋势

0   引言

我国拥有300万平方千米的管辖海域，海洋具有特别计谋地位，..在批复《“十四五”海洋经济成长规划》中明确提出加速扶植中国特色海洋强国，海洋信息的监测、传输和剖析应用对此起着主要感化。海洋信息收集经由监测地舆情况、景象水文、船舶航迹等海洋信息，协助人类认知海洋、斥地海洋和经略海洋^[1]，其扶植与成长有助于维护国度海洋计谋好处，降低海洋景象灾祸损失，促进海洋根蒂科技立异，保障国度领海平安。

海洋地质更改活跃，而且具有地舆时空特征，信息监测和获取难度大，空六合海一体化的海洋信息收集具有不受地形影响、广笼盖的优势^[2]，四维分布的收集节点实现了海洋信息的立体监控与采集，数据传输至处理中心进行综合剖析挖掘，助力海洋资源斥地、灾祸防控和科学考查等运动。

海洋信息收集涉及到国度海洋军事动作、航运和渔业等海洋贸易数据、海洋生态和天气等科研资源以及舵手隐私和渔民航迹等敏感信息，未经授权的接见或数据泄露或者会导致国度平安、海洋经济、科研立异和小我隐私等方面受到威胁，是以，数据保密性是海洋信息收集的主要扶植前提之一。跟着现代收集手艺成长，通信情况转变，收集隐私平安也受到了新挑战^[3]。海洋信息收集作为空六合海一体化综合性收集，子网异构性强，分歧子网的平安机能和隐私珍爱需求也有所分歧。为实现全局统筹、共享平安，需要从各子网角度出发，应用分歧隐私平安珍爱策略，保障海洋信息收集整体隐私平安。

本文首先介绍海洋信息收集的整体构造和四个子收集的具体构成和功能，然后对各个子收集面临的收集威胁和隐私平安需求进行剖析，并对其珍爱方式离别进行综述，最后就海洋信息收集隐私平安珍爱成长趋势做出瞻望。

1   空六合海一体化的信息海洋收集

空六合海一体化的海洋信息收集构造如图1所示，空基、天基、地基、海基四个子网有机连系，构造上慎密贯穿，功能上互相增补，实现海洋信息监测、传输和处理。各子收集具体组成及功能如表1所示。

（1）空基收集：包含无人机^[4]、飞艇和气球等小型航空器和地面基站，组网形态天真。空中节点以遥感和航测等手艺对空、地、海情况进行监控和信息采集^[5]，地面基站负责领受信息和发出把持指令，并与其他子收集进行通信和数据交流^[6]。空基收集同时也被应用于海洋紧要救援、暂时或局部勘测或通信义务等，是海洋信息收集的增补和辅助。

（2）天基收集：由具有景象监测、遥感、导航与通信功能的同步卫星、低轨卫星等组成，与高差别率遥感卫星、新一代卫星导航系统异构协同^[7]，笼盖局限广，可对高空、海面和近岸情况实现高精度的船舶导航定位、海洋信息采集和子收集间通信中继等功能，是海洋信息收集的拓展和延伸。

（3）地基收集：由移动通信系统、综合通信基站和地面传感网等组成，个中包含海洋信息收集数据处理中心和信息共享..^[8]，以包管海洋信息实时获取、中转、处理、统筹与共享。移动通信系统承担地基收集的整体通信买卖，知足低时延和高靠得住性要求，包管地基收集通信不乱和隐私平安。综合通信基站负责与天基、空基、海基收集对接，监控子网节点状况，传输把持指令，汇总海洋信息数据。地面传感网内节点包罗主动监测站和情况传感器等，收集增补近岸海洋信息。数据处理中心和信息共享..对实时汇总的海洋信息进行综合剖析，并与其他协同部门共享。陆地子网成长起步较早，构造不乱系统完美，算力资源足够，是空六合海一体化的海洋信息收集的构建根蒂。

（4）海基收集：包含水上组网和水下组网，水上组网节点由检测浮标、海上船舶、岛礁基站等组成，水下组网包罗水下机械人和无人潜航器等设备。海洋监测设备和通信基站协同完成要害海洋信息的监测采集、海洋船舶导航定位和海域通信收集扶植等运动，是海洋信息收集的要害构成部门。

2   海洋信息收集隐私平安珍爱方式

连系第1节中海洋信息收集特征，其隐私平安珍爱需要考虑以下方面：

（1）物理平安：凭据海洋信息收集布置情况强化设备的物理平安珍爱，包罗运用防水、防尘、抗侵蚀、抗辐射和抗电磁干扰等办法^[9]，降低收集设备物理损坏风险。

（2）收集隔离：海洋信息收集中，为空基、天基、地基、海基四个子收集划分分歧收集区域，而且与其他收集进行物理和逻辑隔离^[10]，包管收集天真可用的同时削减跨子网的结合冲击威胁。

（3）加密通信：使用平安通信和谈和加密算法对各子网间通信数据进行处理，防止数据传输过程中的窜改、窃听、劫持冲击等，珍爱收集通信平安^[11-12]。

（4）接入掌握：接入掌握是子收集信息平安的第一道防地^[13]，竖立严厉的接入掌握机制，对接入用户授予分级权限可以预防冲击者对子收集的不法接见，有效包管收集整体通信健康和隐私平安。

（5）非常检测和入侵防御：在海洋信息收集的各个子收集中布置具有针对性的收集平安检测和防御系统，包罗防火墙、IDS（Intrusion Detection System，入侵检测系统）^[14]、IPS（Intrusion Prevention System，入侵防御系统）^[15]等，自动实时监控端口流量或系统日志等，检测不法接见事件和收集冲击并实时响应，可以为收集隐私平安供应有效珍爱。

（6）数据备份和恢复：对要害数据按期备份，并采用加密存储体式包管其平安性、完整性和可用性，确保数据一旦受损能够实时恢复。

（7）其他平安办法：其他平安珍爱办法还包罗增强员工行为..和平安教育、按期检视收集设备和扫描平安破绽、遵守相关平安划定，确保收集运营正当合规等。

以上内容在整体上对海洋信息收集的隐私平安珍爱方式做出总结，然则收集内部各个子收集的组织构造、布置情况和承担功能分歧，所面临的收集威胁和平安需求在细节方面亦有所分歧。是以，在以上办法的根蒂上，文章离别对空基、天基、地基和海基子收集进行平安需求剖析和具体的收集平安珍爱方式索求。

2.1  子收集平安需求剖析

各子网所面临的收集威胁和平安需求总结如表2所示：

（1）空基收集：与天基、地基收集比拟，节点数目多、资源受限、移动性大、接入天真，收集组织构造多变，响应地，收集保持更不不乱。针对空中通信收集的口令破解、数据窃听和泛洪冲击等收集冲击将对空基节点的保密性、完整性和可用性造成威胁[16]，损坏设备协作能力和收集隐私平安。此外，位置隐私的泄露也会增加其被劫持和蒙受物理损坏的风险。

（2）天基收集：隐私平安威胁部门源于其信道露出，易受地面设备杂波干扰和宇宙射线、陨石碎片等太空情况身分影响。除此之外，天基收集构造不不乱性大，与其他子收集的通信过程以及收集内部卫星之间，甚至卫星内部的数据交流也存在较大平安风险。恶意收集冲击如窃听冲击、DDoS（Distributed Denial of Service，分布式拒绝办事）冲击和数据伪造[17]等易对天基收集隐私平安造成威胁，导致数据泄露或蒙受窜改，为海洋信息收集带来重大损失[18]。

（3）地基收集：移动通信系统作为主要根蒂举措，其隐私平安面临信令窃听、数据窜改伪造和未授权接见等威胁^[19]。综合通信基站与子网间通信介质露出于野外情况，数据和指令的传输易受干扰而丢包或被窃听^[20]，导致与其他子网间的通信靠得住性和保密性降低。位置隐私和数据平安是地基收集中情况数据采集传感网隐私平安的重点需求，要害位置泄露或者会造成重大经济损失，数据平安则是海洋信息收集的根基需求。

（4）海基收集：布置情况特别，收集设备运行状况和通信前提易受强紫外线、海优势暴等情况波动影响，此外，相较于其他子网，海基收集成长起步较晚，其隐私平安仍未获得有效珍爱。窃听冲击、数据窜改冲击、拒绝办事冲击、冒充冲击、全球导航卫星系统以及主动识别系统冲击等将对海基收集节点和海洋通信链路的秘要性、完整性、可用性、可认证性和位置敏感信息造成晦气影响，导致海洋信息泄露、船舶位置丢失、航路偏离等严重后果。

2.2  空基收集隐私平安珍爱方式

在空基收集节点的接入掌握方面，黄敏敏^[21]提出了一种基于局部哈希链的空基收集身份认证框架，该方式简化了传统区块链要害手艺，将哈希链与基于化名的方案连系，区域内节点使用化名进行通信，在完成信息交互的同时珍爱节点身份隐私，确保收集平安性同时降低时延。但该方式使用于节点较少的场景，对于设备较多的大型空基收集该认证方案仍存在必然缺陷。针对空基收集节点位置隐私珍爱，Yuhan Gu等[20]经由连系线性递减惯性权重的SMPSO（Simplified Mean Particle Swarm Optimization，简化平均粒子群优化）算法进行路由规划，提高信道质量，削减窃听或者性，解决空基收集中无人机节点的通信隐私性和靠得住性问题。但关于空中节点与地面基站之间的通信平安问题并未纳入考虑。

2.3  天基收集隐私平安珍爱方式

李望^[22]针对天基收集的分布式构造及其平安需求，提出了一种基于区块链的卫星平安认证手艺，并设计适用于卫星编队的新闻验证方案。该手艺行使区块链的去中心化、分布式构造、加密算法等功能实现更高效的天基收集星间接入认证，但对于星地通信的平安性并未加以考虑。芮立等^[23]着重研究导航系统中收集节点的接入互信机制，提出一种轻量级接入认证方案，该方案基于分簇构造的天基收集，珍爱收集隐私平安的同时降低认证过程的较量开销，但对于天基收集动态变换的拓扑构造适应性差。Wei Guo等^[24]提出一种在带宽资源和较量能力受限的场景下，基于区块链的分布式协同进口防御框架，对天基收集威胁最大的DDoS冲击进行针对性特征挖掘和检测预警。该方式有效珍爱带宽资源免受DDoS冲击，但对其他冲击的珍爱力度缺乏证实。

2.4  地基收集隐私平安珍爱方式

对于地基收集中，综合通信基站与对应子网间的隐私平安问题，邢玲等^[25]提出了基于矩阵加密的空基子收集位置隐私珍爱方式，在子收集中到场云办事器作为可托第三方来进行实时信息交流，隔离综合通信基站和子网节点，并对基站发布的义务指令进行矩阵加密。该方式经由到场第三方处理辩说，有效阻断冲击行为，但适用场景仅为空基收集无人机节点，节点义务完成度也需要获得进一步包管。针对地面传感网隐私珍爱问题，刘拥民等^[26]经由在无线传感网上布置基于双向轮回生成匹敌收集的入侵检测算法，并改善GAN（Generative Adversarial Networks，生成匹敌收集）方针函数提高检测精度，增加收集隐私平安。该方式提高了在不屈衡的离散高维特征数据集上的检测精度，但对于更复杂的地面传感网情况还需要进一步改善和适应。

2.5  海基收集隐私平安珍爱方式

海基收集成长起步较晚，相关隐私平安研究也相对有限。针对海基收集中传感器隐私平安，余剑^[27]提出了一种适用于分层异构收集的多节点数据平安检测方式，相较于传统方式提高检测精度，但该方式仅局限于传感器节点的数据平安珍爱，而未考虑其他类型节点和海基收集通信平安等。苏新等^[28]针对海基收集内移动终端位置隐私珍爱问题进行研究，竖立终端位置隐私珍爱模型并提出基于动态缓存与空间匿名的位置隐私珍爱算法，该方式有效保障海基收集内设备的位置隐私，但同样忽略了海基收集通信链路隐私平安。

3   下一代海洋信息收集隐私平安珍爱方式

3.1  海洋信息收集隐私平安珍爱成长趋势

空、天、地、海一体化的海洋信息收集作为新兴的综合收集系统，相关隐私平安珍爱研究仍然较少。此外，现有的子收集隐私平安珍爱方式也未能完全适应海洋信息收集的隐私平安珍爱需求。空基收集中，小型节点易受劫持、窜改或物理损坏，提高收集节点冗余和对不法节点实时处理是很有需要的。现有的接入认证和冲击检测策略为天基收集星间隐私平安供应了根基保障，但在一体化的海洋信息收集中，天基子网与其他子收集间的通信平安仍需获得增强。由第2节对地基收集的构造剖析可知，其隐私平安珍爱需要考虑移动通信系统、综合通信基站和地面传感网三方面^[29]，然而现有平安珍爱方式针对性强、各自自力，需要获得更进一步的统筹整合。海基收集作为新兴根蒂举措，隐私平安珍爱系统还不敷完美，现有研究平日针对收集局部特征，缺乏对收集隐私平安的整体性把握。往后，海基收集需要更健全、更系统化的隐私平安珍爱方式。

此外，各子网的具体隐私平安珍爱办法大多仍处于收集隔离状况，仅仅针对子收集内部收集冲击的检测和防御，而对于协同冲击、跨子网冲击和子网间通信链路冲击则缺乏珍爱能力。综合以上剖析，下一代海洋信息收集要实现全局统筹、共享平安的目的，在离别考虑各个子网构造和功能特征、易感冲击类型和专门化隐私平安珍爱方式的同时，还需要连系大数据..，并实施分布式策略，对各子收集中布置的隐私珍爱机制进总体响应和调配^[30]。

3.2  分布式海洋信息收集隐私平安珍爱框架

在3.1节剖析的根蒂上，所构想的分布式的海洋信息收集隐私平安珍爱框架如图2所示：

个中IDS1-4离别为空基、天基、地基和海基四个子收集所采用的针对性隐私平安珍爱策略。子IDS将警报日志等信息汇总至竖立在大数据..之上的掌握中心，剖析器和响应器实时对其进行剖析，办事与掌握终端获得最终的结合识别究竟——个中包含了对同时针对多个子网的结合冲击的识别^[30]，向子收集发布调配指令，阻断冲击行为，保障收集隐私平安。相较于传统的集中式、单一IDS框架，所提出的系统框架经由布置多个IDS代理等体式实现对海洋信息收集的综合性、多视角剖析，提高隐藏入侵和结合冲击的检测能力，可扩展性强。大数据..的运用也提高了系统的信息处理能力，进而提高系统实时响应能力。

在此框架中，子IDS的检测精度是珍爱收集平安的要害，为认识决海洋信息收集所采集到的数据集正常数据与冲击数据极端不屈衡导致的IDS检测误差问题，对数据集预处理方式做出改善。改善思路为，基于夹杂采样道理，首先对多数类使用基于OPTICS（Ordering Points to Identify the Clustering Structure，对点排序以识别聚类构造）的去噪算法进行处理，将低密度区域的部门数据视为噪声点和冗余数据并消灭，降低类别界限的分类难度。其次，对少数类使用CVAE-GAN（Conditional Variational Auto-encoder-Generative Adversarial Networks，前提变分主动编码器-生成匹敌收集）模型生成模拟数据，扩充少数类样本，降低数据集不屈衡率。

使用NSL-KDD数据集^[31]模拟真实海洋信息收集的数据流分布。NSL-KDD数据集包含正常类型Normal和四种分歧的冲击类型：Probe（伺探）冲击、DoS（Denial-Of-Service，拒绝办事）冲击、U2R（User to Root，用户到根）冲击和R2L（Remote to Local，长途到内陆）冲击。该数据集练习集中Normal类占比53.46%，而U2R和R2L类离别占比0.04%、0.79%，数据集分布极端不屈衡，与真实海洋信息收集数据集分布特征近似相符，能够对系统有效性进行验证。

具体实验方式为：

1）初步预处理：对练习集数据进行数值化处理，将字符串类型的数据特征转换为数值型特征，并经由尺度化和降维处理，提取首要特征分量，降低后续较量开销。

2）数据预处理：使用所提出的改善预处理方式离别对少数类和多数类进行处理，获得分布相对均衡的练习集数据。

3）分类器练习：为了验证所提出的数据预处理方式的有效性，搭建一个单层卷积的简洁CNN（Convolutional Neural Network，卷积神经收集）模型，输出层使用softmax函数实现多分类。使用预处理前后所获得的练习集离别练习该CNN分类器。

最终，在统一测试集上获得的多分类检测究竟对比如图3所示：

剖析图3可知，数据预处理方式改善后，分类器对于R2L类和U2R类的展望精度获得有效提拔，误分类比例大大下降。以此类推，在各子网内所布置的针对性质IDS中，该方式将取得更显著的检测精度改善，从而提高海洋信息收集的整体隐私珍爱能力。

4   竣事语

空六合海一体化海洋信息收集是一个集成、异构、高效、智能的综合性收集，对我国的海洋事业成长有主要计谋意义。然而海洋信息收集作为新一代海洋科技立异功效，其隐私平安珍爱方式仍受子网节点较量资源受限、收集构造不不乱、通信时延高档问题的影响和限制。本文针对海洋信息收集中天基、空基、地基、海基子网的构造特点和收集平安需求进行剖析，离别概括现有隐私平安珍爱策略，并对下一代海洋信息收集隐私平安珍爱系统成长趋势做出瞻望。