基于改進AES算法的通信信息加密安全傳輸方法研究

摘 要：由于現行方法在通信信息加密安全傳輸中應用效果不佳，不僅丟包率較高，而且信息傳輸速率較慢，因此無法達到預期的傳輸效果。針對現行方法存在的不足，本文提出基于改進AES算法的通信信息加密安全傳輸方法研究。采用信道均衡方法構建通信信道模型，利用改進AES算法對信道中信息加密處理，通過信息解密實現信息安全傳輸，以此完成基于改進AES算法的通信信息加密安全傳輸。經試驗證明，本文方法丟包率小于1%，通信傳輸速率可達到1400Mbit/s，并且數據完整度達到0.9999，數據可逆度為1.0000，本文方法在通信信息加密安全傳輸方面具有良好的應用前景。

關鍵詞：改進AES算法；通信信息；加密；安全傳輸；信道均衡方法；丟包率

中圖分類號：TN 918.4" " " " " 文獻標志碼：A

在信息化社會，通信信息安全問題越來越受到人們的關注。通信信息的安全性不僅涉及個人隱私的保護，還涉及安全、社會穩定等方面。因此，當前亟待解決的問題之一是保障通信信息的安全傳輸。通信信息加密安全傳輸方法是一種有效的手段，用于防止未經授權的訪問和數據泄露。其基本思想是通過加密算法將明文信息轉化為密文，以保護信息的機密性和完整性。只有在有密鑰正確的情況下，攻擊者才能破解密文并獲取原始信息。目前，最常見的通信信息加密算法是AES（Advanced Encryption Standard）算法，該算法已經廣泛應用于各種通信領域中。隨著計算能力的提升和攻擊手段的多樣化，傳統的AES算法已經逐漸暴露一些安全問題。因此，改進AES算法成為研究的熱點之一。本文的主要目標是研究通信信息加密安全傳輸方法，以提高通信信息的安全性和可靠性。通過對現有的加密算法和傳輸方法進行深入分析，提出了一種基于改進AES算法的加密安全傳輸方法。

1 建立通信信道模型

為了實現通信信息加密的安全傳輸，采用信道均衡方法構建通信信道模型，結合統計物理理論與非線性動力學理論，分析通信信息的信道輸出載波序列，為了減少信道噪聲干擾對信息安全傳輸影響，采用濾波抑制方法對通信信道進行降噪處理，為通信信息傳輸提供安全信道環境[1]。假設e為通信網絡正交子信道之間的相關度，當通信網絡信息信道陣列方向圖主瓣指向約束特征時，根據通信網絡信道均衡控制的相關性統計特征量可以得到網絡帶寬與陣列抑制柵瓣之間的編碼鏈路分布集，如公式（1）所示[2]。

K=（e，s）t " " " " （1）

式中：s為通信網絡信道均衡控制的相關性統計特征量；t為通信網絡信息信道約束特征值。根據編碼鏈路分布情況對通信信息加密處理，在該條件下，通過數字波束形成柵瓣，即可得到通信信道空間采樣頻率參數，建立通信網絡信道帶寬真延時能量方向圖，該圖可以表征出通信信道噪聲干擾特征，根據信道最少比特數和陣元接收信號的移位數，建立通信信道鏈路層分布結構模型，如公式（2）所示[3]。

U=（K，KC，ER，KS）T" " " （2）

式中：U為通信信道鏈路層分布結構模型；KC為陣元接收信號的移位數；ER為最少比特數；KS為帶寬信號入射到陣元的法向量；T為帶寬真延時能量方位圖。通過建立通信信道模型，為信息加密傳輸提供主體。

2 基于改進AES算法的通信信息加密處理

在建立的通信信道模型中引入改進AES算法，設計加密T盒，對信道中傳輸的信息進行加密處理。考慮到AES算法僅對傳輸本文行信息混淆，加密后的信息私密性較低，因此對算法改進，對傳輸信息行混淆、列混淆雙次加密處理。通信信道中傳輸的信息進入加密T盒，將加密T盒每次加密的數據長度設定為64Bit，將通信信息分成多個待加密序列段。在改進AES算法中對每個序列段加密過程看作是兩輪變換過程，第一輪變換是數據行混淆變換，第二輪變換是列混淆變換[4]。利用編碼器生成初始密鑰，經過密鑰擴展后得到相應的密鑰集合，利用明文狀態矩陣對通信信息明文進行混淆處理，如公式（3）所示。

f=D·FU " " " " " " " "（3）

式中：f為混淆后的通信行信息或列信息；D為明文狀態矩陣；FU為通信信道中信息；利用上述公式對通信信道中數據明文行混淆和列混淆，利用密鑰對混淆后的明文進行加密，如公式（4）所示[5]。

d=f⊕k" " " " " "（4）

式中：d為加密后的通信信息密文；k為密鑰。

按照上述步驟，加密T盒最終得到輸出信息，如公式（5）所示[6]。

g=Tbox[d] " " " " " （5）

式中：g為通信信道中加密T盒輸出；Tbox為基于改進AES算法的加密T盒。加密T盒輸出的密文為后續信道傳輸的密文，在運行過程中要求在加密周期內完成對一組傳輸信息到密文的轉換。

3 通信信息安全傳輸

通過信道傳輸通信信息，信息接收端在主界面進行身份認證，需要輸入原始密鑰，并在操作界面內再次輸入擴展后的密鑰，2種密鑰輸入正確后，完成用戶身份認證。接收信息后，如果要得到信息明文，就對通信信息進行解密處理，如公式（6）所示[7]。

B=Tbox[g]⊕k " " " " " （6）

式中：B為解密后的通信信息明文。通信信息解密運算也在加密T盒中進行。加密T盒將解密后的通信信息明文發送給信息接收端，用戶才可以得到通信信息，并對通信信息進行轉發、下載，以此實現基于改進AES算法的通信信息加密安全傳輸。

基于改進AES算法的通信信息加密安全傳輸方法的實現流程如圖1所示。

按照圖1的流程可以實現基于改進aes算法的通信信息加密安全傳輸，從而提高通信信息的安全性，避免出現通信信息泄露等問題。與傳統方法相比，該方法引入改進的AES算法，并且以該算法為核心，結合信道均衡方法構建通信信道模型，完成信道中的信息加密處理，通過信息解密實現信息安全傳輸。

4 試驗論證

4.1 試驗準備與設計

為了在真實環境中應用本文設計方法，了解其具體性能，對其進行對比試驗，以目前最主流的2種方法作為對比，分別為基于哈希算法的傳輸方法（IUFA）和基于同態加密算法的傳輸方法（OUFH），為了對試驗結果進行比較，將2種主流方法作為對照組，將本文方法作為試驗組。試驗準備700個數據包，每個數據包大小均為1GB，數據包中包括文字、圖像和視頻等多種類型數據，按照上述流程對數據進行加密安全傳輸。

4.2 試驗結果與討論

為了對比檢驗本文設計方法的信息傳輸安全性與速度，選擇丟包率和傳輸速率作為試驗指標，丟包率是通信信息在傳輸過程中丟失數據包比例，如公式（7）所示。

（7）

式中：α為通信信息加密安全傳輸丟包率；i為通信信息傳輸數據包數量；N為通信信息加密安全傳輸過程中丟失數量；M為成功傳輸數據量。如果丟包率越高，那么通信信息加密安全傳輸的安全性越低，風險越高。由于通信信息加密安全傳輸過程中比正常傳輸多了加密環節，加密處理在一定程度上會影響通信信息傳輸速率，因此將3種方法的傳輸速率進行對比。以上2個指標試驗結果見表1、表2。

根據表1、表2中的數據可知，在本次試驗中，本文方法丟包率約0.4%，IUFA是其10.52倍，OUFH是其13.41倍，本文方法通信信息平均傳輸速率為1286.42Mbit/s，比IUFA高300Mbit/s左右，比OUFH方法高300Mbit/s左右。從通信安全性和速率2個方面來看，本文方法表現最佳。因為本文方法采用改進AES算法，改進后的AES算法信息加密更嚴謹，不僅將通信信息列數據混淆，并且還對通信信息行數據混淆，所以提高了通信信息的私密性和保密性，進而提升了信息通信傳輸的安全性。此外，改進后的AES算法中的加密、解密計算量減少了，明文無須通過大量的解密計算就可以獲得，因此在一定程度上保證了通信速率，降低了加密對通信速率的負面影響。通過以上對比和分析，證明了本文方法在通信信息加密安全傳輸方面具有良好的適用性和可行性，安全傳輸性能良好。

為了進一步分析基于改進AES算法的通信信息加密安全傳輸方法的有效性和可靠性，以通信信息傳輸后的數據完整度和加密數據還原后的通信信息數據的可逆度為衡量指標，數據完整度為信息數據經過基于改進AES算法的通信信息加密安全傳輸方法傳輸后數據的完整程度，數據可逆度為信息數據經過本文方法傳輸后數據的還原程度。數據完整度和數據可逆度這2個指標越大越好，這2個指標的取值范圍均在0～1，最大值為1，越接近于1，說明通信信息加密安全傳輸方法的性能越好，即信息的安全性能越高。在試驗過程中，仍采用上述3種方法為對比方法，即本文方法、基于哈希算法的傳輸方法（IUFA）和基于同態加密算法的傳輸方法（OUFH），并且研究對象為試驗準備的700個數據包。不同方法的數據完整度和數據可逆度結果見表3、表4。

表3 通信信息傳輸數據完整度

傳輸數據包數量/個 本文方法 IUFA OUFH

100 1.0000 1.0000 0.9999

200 1.0000 1.0000 0.9999

300 1.0000 1.0000 0.9986

400 1.0000 0.9999 0.9983

500 1.0000 0.9999 0.9980

600 0.9999 0.9982 0.9975

700 0.9999 0.9984 0.9974

表4 通信信息傳輸數據可逆度

傳輸數據包數量/個 本文方法 IUFA OUFH

100 1.0000 0.9812 0.9743

200 1.0000 0.9725 0.9702

300 1.0000 0.9836 0.9706

400 1.0000 0.9847 0.9718

500 1.0000 0.9863 0.9747

600 1.0000 0.9758 0.9802

700 1.0000 0.9792 0.9745

根據表3的通信信息傳輸數據完整度數據可知，本文方法、基于哈希算法的傳輸方法（IUFA）和基于同態加密算法的傳輸方法（OUFH）的數據完整度不同，其中，基于同態加密算法的傳輸方法的數據完整度隨著傳輸數據包的數據個數增加而降低，并且當傳輸數據包數量為 700 個時，該方法的數據完整度降至0.9974，而此時的本文方法與基于哈希算法的傳輸方法的數據完整度均大于0.9980，并且本文方法的數據完整度達到0.9999，并且保持在0.9999。3種方法對比可知，本文方法的數據完整度比基于哈希算法的傳輸方法和基于同態加密算法的傳輸方法的數據完整度提高了0.0015以上，并且該方法的通信信息傳輸數據完整度更穩定，可以保持在0.9999。因此，該試驗結果可以說明本文方法傳輸通信數據后的數據具備較好的完整性，使數據更完整。

根據表4的通信信息傳輸數據可逆度數據可知，本文方法的通信信息傳輸數據可逆度沒有隨著傳輸數據包的數量增加而變化，保持在1.0000，而對比方法的通信信息傳輸數據可逆度均發生了變化，并且均存在一定程度的通信信息數據不可逆的問題，當傳輸數據包數量為700個時，基于哈希算法的傳輸方法（IUFA）的數據可逆度僅為0.9792，低于0.9800。當傳輸數據包數量為700個時，基于同態加密算法的傳輸方法（OUFH）數據可逆度僅為0.9745，該方法的數據可逆度也低于0.9800。由此可知，本文方法的數據可逆度比對比方法高0.0200以上，該試驗結果說明本文方法加密傳輸的通信信息數據具備較好的可逆性，可以將加密后的數據還原，并且保證了通信信息數據的可靠性。

5 結語

本文深入探討了基于改進AES算法的通信信息加密安全傳輸方法。通過優化傳統AES算法的密鑰生成和管理過程，結合其他密碼學技術和方法，提出了一種高效、安全的加密安全傳輸方案。試驗驗證和性能評估結果表明，該方案在保障通信信息安全方面具有顯著的優勢。同時該方案仍存在一些局限性。例如，盡管本文已經采取一些改進措施來提高其安全性，但是AES算法仍可能受到某些類型攻擊的影響。此外，方案可能不適用于某些特定場景或特殊要求，例如需要極高安全等級或特殊數據格式的情況。在未來工作中，將繼續深入研究AES算法以及其他密碼學技術的優化方法，以進一步提高通信信息加密安全傳輸的性能和安全性。

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