高速網絡多段支持度數據自動加密算法仿真

方友志，張云鳳

(重慶師范大學涉外商貿學院，重慶 401520)

1 引言

人們對高速網絡中存在的多段支持度數據安全的關注度不斷增高，使多段支持度數據自動加密算法成為目前研究的熱點。秘密通信是密碼學的重要研究內容，即通過秘密的變換對傳輸信息進行處理，避免信息被第三者竊取[1]。通信安全保密問題在現在社會中被應用在外交、政治和軍事等領域中。信息具有共享性，社會會受到信息擴散的影響，使信息安全的保護問題成為目前亟需解決的問題[2-3]。計算機科學技術的發展促進了密碼學的進步，私人部門和公共部門數量的不斷增多，多段支持度數據的數量也隨之增多，因此防止多段支持度數據被修改、刪除和泄露等是必須重視的問題[4]。當前多段支持度數據自動加密算法存在加密效率低和數據安全性差的問題，需要對多段支持度數據自動加密算法進行研究。

文獻[5]提出基于R-LWE的數據自動加密算法，該算法通過R-LWE算法對多段支持度數據進行首次加密，根據密文映射空間區域中單位比特明文對應的重量化對其進行再編碼，將多比特隱藏信息嵌入密文中，完成數據的自動加密，該算法將多比特隱藏信息嵌入密文時所用的時間較長，存在加密效率低的問題。文獻[6]提出基于安全信道的數據自動加密算法，該算法對信道進行分解，獲得非安全和安全信道集合，通過安全信道發送的信息加密多段支持度數據，并對加密后的數據做編碼處理，實現多段支持度數據的加密，該算法加密后的多段支持度數據的安全指標較低，存在數據安全性差的問題。文獻[7]提出基于社會網絡特性的數據自動加密算法，該算法將登陸用戶的關注數、創建時間和ID當作加密函數的參數與初始值，結合Tent映射和Logistic映射混沌系統進行交互式運算，獲得密鑰序列，通過密鑰序列實現數據的自動加密，該算法創建加密函數所用的時間較長，導致數據加密的時間較長，存在加密效率低的問題。為了解決上述方法中存在的問題，提出高速網絡多段支持度數據自動加密算法。

2 數據去噪算法

高速網絡多段支持度數據自動加密算法通過DHA去噪方法去除多段支持度數據中存在的噪聲，消除噪聲對多段支持度數據加密造成的影響，減少多段支持度數據自動加密所用的時間，提高高速網絡多段支持度數據自動加密算法的加密效率。

DHA算法測試節點密度，每個節點在決策網絡初始化時將含有節點ID的信息包廣播給高速網絡中周圍的鄰居，并接收鄰居傳送的信息包，根據信息包中存在的節點ID信息，每個節點對高速網絡中每個節點初始時的鄰居數目d進行計算，其表達式為

(1)

式中，i代表的是當前節點；e代表的是誤差；C代表的是置信度；ρL代表的是最少鄰居節點總數。當最少鄰居節點總數ρL大于節點i的鄰居節點數時，不通過鄰居節點進行測試，多段支持度數據的置信度通過本地多次采樣進行提高[8]。

當最少鄰居節點總數ρL小于等于節點i的鄰居節點數時，為了降低接收鄰居節點信息消耗的能量，高速網絡多段支持度數據自動加密算法對鄰居節點進行抽樣處理，節點i將消息包傳送給鄰居，根據接收到的信息包鄰居節點生成一個隨機數r，在區間(0，1)內取值，設N(i)代表的是滿足誤差范圍的節點i的集合，其表達式如下

(2)

(3)

(4)

式中，wi，t代表的是權值，其計算公式如下

(5)

而參數h可通過下式計算得到

h=wi，t-n+…+wi，t

(6)

(7)

式中，m表示空間維對應的加權指數。參數bj，t的計算公式如下

(8)

(9)

3 數據自動加密算法

高速網絡多段支持度數據自動加密算法結合橢圓曲線數字簽名算法和橢圓曲線加密算法實現多段支持度數據的加密。

橢圓數字簽名算法和橢圓加密算法在ECC機制中是互相獨立的，橢圓曲線數字簽名算法只能對發送報文對應的合法性進行驗證；橢圓曲線加密算法只具有加密報文和解密報文的功能[9]。公鑰和私鑰在橢圓曲線加密算法中的功能分別是加密和解密；私鑰在橢圓曲線數字簽名算法中的主要功能是實現報文的數字簽名[10]。

高速網絡多段支持度數據自動加密算法結合橢圓曲線數字簽名算法和橢圓曲線加密算法，提出橢圓曲線混合密碼算法對多段支持度數據進行加密，通過簽名算法中存在的參數值加密明文報文，由明文報文加密算法和明文報文簽名算法組成，通過數字簽名驗證算法、密文報文解密算法和數字簽名解密算法實現多段支持度數據的解密[11]。高速網絡多段支持度數據自動加密算法的加密過程如下：

① 算法中存在的參數組元素包括：獲取素數域Fp中存在的橢圓曲線E(Fp)，橢圓曲線E(Fp)中存在的點P對應的素數階n；橢圓曲線E(Fp)中嵌入的點Pm；需要發送的明文報文m以及報文發送方對應的私鑰d1。

(10)

(11)

(12)

② 設r代表的是報文發送方對應的簽名，其計算公式如下

r=H(x1)

(13)

式中，x1描述的是點kP對應的x坐標，參數k在區間[1，n-1]內取值，描述的是報文發送方的消息密碼。

③ 設s代表的是報文發送方對應的簽名參數，其計算公式如下

s=(k-w)modn

(14)

其中，w=[r⊕e]modn，e=H(hcert，m)。

④ 對高速網絡中存在的多段支持度數據進行加密時，通過下述公式對參數C1、C2、C3、C4、α、V進行計算

(15)

(16)

C3=kP

(17)

C4=kQ2

(18)

α=H(C1，C2，C3，C4)

(19)

V=kαQv1+kQv2

(20)

其中，C1、C2、C3、C4即為獲得的密文；Pm、Ps描述的是橢圓曲線中存在的點，將計算得到的密文V傳送給多段支持度數據的接收方。

⑤ 數據接收方對接收到的密文進行解密處理時，需要對密文的合法性進行驗證，根據步驟④中計算得到的α，獲得密文V的表達式

(21)

對上述公式是否成立進行判斷，如果上述公式成立，表明多段支持度數據接收方獲取的密文是合理的，接收密文；如果上述公式不成立，表明多段支持度數據接收方獲取的密文是不合理的，拒絕接收，對合法的密文進行解密[12]，通過下述公式對Pm、Ps進行計算

(22)

(23)

⑥ 利用恢復的報文m在驗證時對參數e、w、v進行計算：

e=H(hcert，m)

(24)

w=[H(f3(C3)⊕e)]modn

(25)

v=H(xsP+wP)

(26)

式中，xsP+wP描述的是點sP+wP對應的x坐標。

判斷下式是否成立，數字簽名在下式成立時是合法的，數字簽名在下式不成立時是不合法的

H(f3(C3))=v

(27)

式中，f3(C3)描述的是點C3對應的x坐標值。

通過上述過程在高速網絡中完成多段支持度數據的自動加密。

4 實驗結果與分析

為了驗證高速網絡多段支持度數據自動加密算法的整體有效性，需要對高速網絡多段支持度數據自動加密算法進行測試，本次測試在TinyOS2.0環境中完成，操作系統為Windows。并采用數據跟蹤測試軟件，對實驗所產生的數據進行全面采集，并收集設備運行時的相關信息，包括相關變量變化、各種事件的觸發時間以及設備運行利用率等，其具體的實驗操作平臺如圖1所示。

圖1 數據自動加密實驗平臺

在圖1中，實驗平臺可記錄實驗產生的信息，并將實驗信息展現出來，圖中服務器主要為實驗提供通信功能。在數據自動加密實驗平臺上，設置安全指標β，在區間[0，1]內取值，安全指標的值越高，表明算法的加密效果越好，分別采用高速網絡多段支持度數據自動加密算法、基于社會網絡特性的數據自動加密算法和基于安全信道的數據自動加密算法通過安全指標進行測試，對比不同算法的有效性，測試結果如圖2所示。

圖2 不同算法的安全指標對比結果

由圖2可知，在多次實驗中所提高速網絡多段支持度數據自動加密算法的安全指標均在0.8以上，基于社會網絡特性的數據自動加密算法的安全指標在0.6附近取值，基于安全信道的數據自動加密算法的安全指標在0.5附近取值。對比三種算法的測試結果可知，高速網絡多段支持度數據自動加密算法的安全指標最高，安全指標越高表明算法的加密效果越好，其原因是高速網絡多段支持度數據自動加密算法結合數字簽名算法和橢圓曲線加密算法對多段支持度數據進行加密處理，提高了數據的安全性，驗證了高速網絡多段支持度數據自動加密算法的有效性。

為了進一步驗證高速網絡多段支持度數據自動加密算法的整體有效性，分別采用高速網絡多段支持度數據自動加密算法、基于社會網絡特性的數據自動加密算法和基于安全信道的數據自動加密算法對多段支持度數據進行加密處理，對比上述算法對多段支持度數據加密所用的時間，測試結果如圖3所示。

圖3 不同算法的加密時間對比方法

由圖3可知，采用本文高速網絡多段支持度數據自動加密算法對多段支持度數據進行加密時，在多次實驗中所用的加密時間均在4s以內；采用基于社會網絡特性的數據自動加密算法對多段支持度數據進行加密時，在多次實驗中所用的加密時間高達10s；采用基于安全信道的數據自動加密算法對多段支持度數據進行加密時，在多次實驗中所用的加密時間高達8s。對比高速網絡多段支持度數據自動加密算法、基于社會網絡特性的數據自動加密算法和基于安全信道的數據自動加密算法的測試結果可知，高速網絡多段支持度數據自動加密算法所用的加密時間最少，其原因是高速網絡多段支持度數據自動加密算法對數據進行加密時對多段支持度數據進行了去噪處理，消除了數據加密處理過程中噪聲產生的干擾，縮短了加密所用的時間，提高了高速網絡多段支持度數據自動加密算法的加密效率。

5 結束語

高速網絡多段支持度數據自動加密得到越來越多的關注，社會的不斷發展，提高了人們對信息的關注度，社會開始廣泛地關注信息安全問題，在信息安全領域中密碼技術是核心技術之一，被廣泛地應用在金融、軍事、商業和政治等領域中，越來越多的人通過密碼技術保護個人隱私，使多段支持度數據加密算法成為研究的熱點。當前多段支持度數據自動加密算法存在信息安全性差和加密效率低的問題，提出高速網絡多段支持度數據自動加密算法，可在短時間內有效地完成多段支持度數據的自動加密。