为可持续物联网网络中的端到端车辆数据保护设计低功耗加密算法

《Results in Engineering》：Designing Low-Power Encryption Algorithms for End-to-End Vehicular Data Protection in Sustainable IoT Networks

高效低功耗加密框架SACO-PRESENT在动态车辆通信网络中的应用研究。摘要：针对物联网智能交通系统中的高能耗与数据安全挑战，提出融合轻量级块密码PRESENT与可扩展蚁群优化SACO的混合加密路由框架。通过SACO算法动态优化集群路由选择，结合PRESENT算法的64位分组加密机制，实现端到端安全通信与能量效率的平衡。实验表明该框架在1.4万节点场景下将数据投递率提升至93.88%，能耗降低至0.75W，网络寿命延长至1219.8轮，较传统方法提升35.7%效率。

　　在现代交通系统中，物联网（IoT）的快速发展正在彻底改变车辆、基础设施和云端服务之间的通信方式。随着智能交通系统（ITS）的演进，车辆之间的实时数据交换已成为常态，使得交通控制、预测性维护、自动驾驶和道路安全等应用得以实现。然而，这种高度动态的通信环境也带来了新的挑战，如高能耗和数据泄露风险。因此，开发一种既能够保障数据安全又具备低能耗特性的加密框架变得尤为重要。本文提出了一种基于集群的高效低功耗加密框架，旨在通过结合轻量级加密算法和自适应路径优化，实现安全、低功耗的车辆通信，从而提高可持续IoT网络的性能和寿命。

### 研究背景与动机

物联网技术的广泛应用使得交通网络变得更加智能化，但同时也带来了更高的安全需求。车辆通信中涉及的数据通常包括地理位置、驾驶员行为和车辆诊断信息，这些数据的敏感性要求必须确保在传输过程中不会被篡改或泄露。此外，由于车辆的高移动性和网络拓扑的动态变化，传统的加密方法可能无法满足实时通信的需求，因为它们在资源受限的设备上运行时可能会消耗过多的计算资源和能源。因此，需要一种能够平衡安全性和能效的解决方案，以适应IoT环境中的高移动性特征。

### 提出的解决方案

为了应对上述挑战，本文提出了一种基于Scalable Ant Colony Optimized PRESENT（SACO-PRESENT）的轻量级加密框架。该框架结合了轻量级对称加密和自适应路由优化技术，旨在提供端到端的数据保护，同时降低能耗。SACO算法被用于优化集群形成和路径选择，从而实现高效的通信路径。此外，该方案还引入了轻量级身份认证协议，以确保用户隐私和系统效率。

### 技术细节与实现方式

在技术实现上，SACO-PRESENT框架采用了一种基于轻量级加密算法的结构，该算法能够在资源受限的环境中提供高效的数据保护。同时，SACO算法被集成到增强型AODV路由协议中，以实现动态的、能量高效的路径选择。该算法通过评估节点的剩余能量、移动性以及信号强度，选择最优的通信路径，从而延长网络的生命周期。此外，该方案还采用了轻量级对称加密和匿名信任认证协议，以确保数据的机密性和完整性，同时不会增加资源受限设备的计算负担。

### 研究贡献与创新点

本文的主要贡献包括：
1. **能量高效的加密技术**：开发了一种低功耗的SACO-PRESENT加密技术，能够在资源受限的环境中实现端到端的数据保护，同时降低能耗。
2. **智能路径选择**：通过使用增强型SACO算法，实现能量高效和可靠的通信路径选择，提高网络性能和稳定性。
3. **安全的身份管理**：结合轻量级对称加密和匿名信任认证协议，确保用户身份和隐私的安全，同时不影响系统效率。

### 相关工作综述

在现有的研究中，许多学者尝试开发适用于车辆网络的轻量级加密方法。例如，Garba等人提出了一种结合人工智能和轻量级加密的方案，通过异常检测和密钥优化，提供适应性强的安全通信。然而，该方案在高度动态的攻击环境中表现不佳。Iqbal等人则对几种轻量级加密算法进行了比较，包括PRESENT、SIMON、HIGHT和KATAN，评估了它们在安全性和能耗方面的表现。虽然这些方法在特定场景下表现出色，但它们的适应性和可扩展性仍有待提高。本文提出的SACO-PRESENT框架则通过结合轻量级加密和自适应路径优化，解决了这些局限性，提供了更加可靠和高效的解决方案。

### 系统架构与设计

本文提出的系统架构包括多个组件，如可信权威（TA）、车载单元（OBU）、路侧单元（RSU）、交通控制中心（TCC）和云中心（CC）。TA负责管理节点身份和匿名信任认证，确保数据在传输过程中的隐私性。OBU和RSU则通过动态路由选择和优化，确保数据在传输过程中的安全性和高效性。TCC负责协调数据交换和路由选择，以减少网络负担和延迟。CC则用于存储和处理加密数据，支持智能交通分析。此外，V2V、V2R和R2V通信也被纳入系统设计中，以确保在各种通信场景下的安全性和效率。

### 算法实现与优化

SACO-PRESENT算法的实现过程包括多个步骤，如生成路径、评估路径安全性、优化路径选择等。在路径生成过程中，算法通过概率分布评估下一节点的可行性，确保选择最优的、安全的通信路径。在路径评估阶段，算法结合了加密强度和能量效率，以提供最佳的路由方案。此外，该算法还通过动态调整路径选择，确保网络的稳定性和长期可用性。SACO算法的引入使得路径选择更加智能化，从而提高了整体系统的性能。

### 实验结果与分析

通过实验验证，SACO-PRESENT框架在多个关键性能指标上表现出色。例如，其平均数据交付率（PDR）达到了93.88%，显著高于现有方案。同时，该框架在降低端到端延迟和能耗方面也取得了显著成效，延长了网络的生命周期。实验结果表明，SACO-PRESENT在数据传输速率、延迟和能耗等方面均优于传统加密方法，特别是在高移动性车辆网络中表现更为优异。

### 结论与未来研究方向

本文提出的SACO-PRESENT框架为高移动性IoT车辆网络提供了一种可持续、安全和低功耗的通信解决方案。该框架不仅提高了数据传输的效率和安全性，还通过优化路径选择和能耗管理，延长了网络的生命周期。未来的研究方向包括在真实世界中测试该框架，以验证其在复杂环境中的适应性和稳定性。此外，还可以进一步探索如何将区块链技术与SACO-PRESENT结合，以实现更高级别的安全性和可扩展性。

总之，本文提出的SACO-PRESENT框架为智能交通系统中的车辆通信提供了新的思路，通过结合轻量级加密和自适应路径优化，实现了高效、安全和可持续的通信解决方案。该框架的提出不仅有助于提升现有IoT网络的安全性，还为未来智能交通系统的建设提供了技术支持。