基于經驗模態分解的分布式網絡可篡改信息數據加密系統設計

趙 迪，劉 晨

（國網天津市電力公司，天津 300010）

0 引 言

隨著網絡技術的不斷進步，信息傳遞方式也在不斷升級進化，分布式網絡逐漸被廣泛應用。在各種企業中，分布式網絡面臨的安全威脅種類有很多,在這種情況下信息加密技術得到了較好地發展。加密技術主要由密碼編碼技術和密碼分析技術組成，最早被人們接受的加密技術是使用64位的密鑰加密信息[1]。但是現階段常規的加密系統已經不能滿足需求，因此提出了設計基于經驗模態分解的分布式網絡可篡改信息數據加密系統，用于解決常規加密系統中存在的問題。

1 基于經驗模態分解的分布式網絡可篡改信息數據加密系統硬件設計

1.1 現場可編程門陣列（FPGA）的配置設計

綜合考慮加密系統速度、功耗以及存儲測試等方面問題，在系統硬件設計部分，利用FPGA和ASIC專用集成電路芯片實現加密算法。其中，FPGA設計的評價標準是面積和速度，在滿足系統需求下，占用最少的資源使系統工作效率達到最高。硬件設計中選用的FPGA芯片為EP2C8AF256，將工作時所有的配置數據存儲在SRAM單元中，用于控制FPGA工作[2]。正常工作中使用FPGA中的JTAG模型來配置，用戶在使用時通過MSEL引腳設置配置方式，在配置過程中，配置數據通過FPGA中的DATA引腳接收，釋放引腳CONF_DONE驅動至高電平，表明配置完成。

1.2 存儲單元設計

在FPGA中嵌入Flash芯片可直接寫入地址和指令。在寫操作期間，通過輸入命令加載串行數據和地址，在接收到發送命令后開始編程。編程結束后，利用I/O端口判斷編程是否成功，向端口發送讀取狀態命令。Flash芯片可以擦除異常數據，在輸入擦除確認命令后，數據信號保持低電平，Flash芯片不再響應外部讀取，以確保不會因外部干擾而意外擦除[3]。I/O接口的第0位用于確定擦除是否成功。擦除操作完成后，若判斷為0時，則表示擦除成功，否則表示擦除失敗，在這種存儲模式下，可進一步確保分布式網絡信息數據的安全可靠。

2 基于經驗模態分解的分布式網絡可篡改信息數據加密系統軟件設計

2.1 加密信號分解去噪處理

由于加密數據實時變化是不穩定的，產生的原始加密信號內部有不同的振蕩成分和波動特征，并含有一定的噪聲，因此需要采用經驗模態分解技術分解原始加密信號去除噪聲[4]。原始加密信號由有限個參與分量和一個趨勢項組成。在經驗模態分解過程中，先搜索原始加密信號x(t)的極大值點和極小值點，然后從中減掉第一階固有模態分量vi(t)，從而得到殘余項A(t)。涉及的計算公式如下：

式中，N表示分量個數。經過經驗模態分解后的各個分量和趨勢項除去計算誤差外可以無損重構出原始數據。在重構過程中，使用高波數分量來抑制噪聲，去除原始加密信號中的噪聲干擾。在完成以上操作后，對可篡改信息數據加密處理。

2.2 可篡改信息數據加密處理

系統內的數據加解密過程主要通過系統的客戶端完成。加密過程中是用戶不可見模式，明文信息不會在網絡中傳播，不會影響用戶正常管理分布式網絡信息。加密系統的加解密在硬件基礎上實現，FPGA內部加密原理如圖1所示。

圖1 FPGA內部加密原理圖

從圖1可以看出，加解密整個時序的開始和結束主要由控制模塊控制，通過控制模塊控制數據的輸入和輸出，實現子密鑰的選取[5]。加密算法主要包括乘法逆運算和仿射變換組成字節替換，行移位變換是通過循環移位操作實現的，其中不同的行使用不同的移位量，并且通過邏輯電路實現，列混合變換通過查找表實現，輪密鑰添加通過異或操作實現。在解密階段，將解密模塊的流水線級數設置為兩級，并使用5輪轉換作為外部流水線結構的第1級，內部流水線結構用于每輪轉換內，分為兩個流水線站。其中一個由逆列混合變換和逆移位變換組合而成，另一個由逆字節替換和密鑰加法組合而成。當數據解密進行到最后一輪變換時，跳過逆列混合完成解密。在分布式網絡可篡改信息數據加密中，采用非并行擴展方法，通過密鑰擴展模塊生成所有的輪子密鑰，在執行加密任務時，根據實際需求直接選擇合適的輪子密鑰。至此，基于經驗模態分解的分布式網絡可篡改信息數據加密系統設計完成。

3 分布式網絡可篡改信息數據加密系統性能測試

3.1 測試準備

在分布式網絡可篡改信息數據加密系統性能測試中，使用4臺計算機組成集群。其中，1臺計算機模擬密鑰管理服務器，另外3臺模擬3個接收端。系統測試主要以對比測試為主，分為兩個部分，第一部分是測試可篡改信息數據加密對系統效率的影響，根據數據大小的不同，分析不同加密系統加密前后系統速率的變化，第二部分是測試不同加密系統使用的元器件，在執行加密任務時系統吞吐量的變化和邏輯單元的占用情況，根據這兩組測試對比分析不同加密系統的實際性能。測試中選用的加密系統分別是基于密碼學的加密系統、基于AES加密算法的加密系統以及提出的基于經驗模態分解的加密系統。

3.2 加密任務對系統效率的影響測試

測試中，設定系統一次最多處理1 024 000個字節，使用的測試樣本分別是1K、100K、500K、1M、5M以及10M的可篡改信息數據。記錄沒有執行加密任務的測試系統對樣本數據進行測試的結果，然后采用不同加密系統對樣本數據執行相同的加密任務并記錄結果，對比數據進行分析。測試結果如表1所示。

從表1中數據可以看出，基于AES加密算法的加密系統執行加密任務后的平均傳輸速率為1 054.69 K/s，基于密碼學的加密系統執行加密任務后的平均傳輸速率為1 157.28 K/s，基于經驗模態分解的加密系統執行加密任務后的平均傳輸速率為6 741.39 K/s。由此可知，在使用常規的加密系統執行加密任務時，任務執行后系統效率變為原來的5～7倍，這是因為執行了比較復雜的數據操作，使得數據傳輸增加了額外的時間。而設計的基于經驗模態分解的加密系統在執行加密任務前后系統效率沒有出現大幅度的變化，說明該系統在使用中不會降低多少性能。

3.3 吞吐量測試及分析

吞吐量測試針對的是系統中的元器件，在第三方軟件QuartusII上進行性能評估。對3個系統進行相同的編譯，通過綜合編譯后，穩定系統的頻率變化輸出測試結果，并根據測試結果評估系統硬件設計上的優劣。3個系統的橫向對比結果如表2所示。

表1 不同加密系統效率測試結果

表2 不同系統吞吐量測試結果

通過對比表2中數據可知，對于不同加密系統而言，在執行相同的加密任務時設計的基于經驗模態分解的加密系統吞吐量更高，使用的邏輯單元較少，系統在吞吐量和資源占用量之間可以達到很好的平衡。此外，結合系統效率測試結果可知，設計的基于經驗模態分解的分布式網絡可篡改信息數據加密系統在資源利用上也具有明顯優勢。

4 結 論

目前，分布式網絡可篡改信息數據加密系統作為保證信息安全的有效手段，廣泛應用于不同領域，也是目前研究的熱點。本文圍繞著分布式網絡可篡改信息數據的加密，結合軟件和硬件設計了基于經驗模態分解的數據加密系統，通過多項對比測試驗證了該系統的可行性和優越性，進一步提高了系統的應用性能。