基于數據簡化與關鍵鏈路選擇的無線通信網絡存儲加密

摘" 要：無線通信網絡數據結構復雜，通信系統協議種類多、差異大，提取無線網絡加密數據鏈路層和網絡層特征存在的大量冗余數據，在數據存儲過程中，加密代價高，加密效率低，為此研究基于數據簡化與關鍵鏈路選擇的無線通信網絡存儲加密。首先計算無線通信網絡中需要加密的數據在尺度空間中的加密系數，以加密系數值為約束條件，簡化需要加密的數據；其次利用鏈路可靠性分析的方法，選擇關鍵鏈路，以可靠性為基礎，簡化需要加密的鏈路；最后通過設計非對稱加密算法對簡化后的數據和鏈路進行加密，設置非對稱加密算法的公鑰，進行非對稱加密節點的分配，完成加密存儲。實驗結果表明：運用該方法能夠在加密過程中獲得更高的存儲加密效率。

關鍵詞：數據簡化；加密算法；無線通信；網絡存儲；加密系數；可靠性

中圖分類號：TP309" 文獻標識碼：A" 文章編號：2096-4706（2024）09-0015-05

Wireless Communication Network Storage Encryption Based on Data Simplification and Critical Link Selection

SHU Lei， JIANG Wenhao

（Chongqing Aerospace Polytechnic， Chongqing" 400021， China）

Abstract： The data structure of wireless communication networks is complex， and there are many types and significant differences in communication system protocols. Extracting a large amount of redundant data from the encrypted data link layer and network layer features of wireless networks results in high encryption costs and low encryption efficiency during the data storage process. Therefore， it studies wireless communication network storage encryption based on data simplification and critical link selection. Firstly， it calculates the encryption coefficient of the data in the wireless communication network that needs to be encrypted in the scale space， and use the encryption coefficient value as a constraint to simplify the data that needs to be encrypted. Secondly， using the method of link reliability analysis， it selects critical links and simplify the links that require encryption based on reliability. Finally， it encrypts the simplified data and links by designing an asymmetric encryption algorithm， setting the public key of the asymmetric encryption algorithm， allocating asymmetric encryption nodes， and completing encrypted storage. The experimental results show that using this method can achieve higher storage encryption efficiency during the encryption process.

Keywords： data simplification; encryption algorithm; wireless communication; network storage; encryption coefficient; reliability

0" 引" 言

無線通信網絡的數據安全性問題主要源自其開放性信道，這種開放性為無線用戶提供了通信自由，但也給無線通信網絡帶來了一些不安全因素。一方面，由于無線信道是一個開放性環境，任何具有適當無線設備的個人或團體都有機會竊聽無線信道獲得網絡通信內容，如移動用戶的通話信息、身份信息、位置信息、數據信息以及移動站與網絡控制中心之間的信令信息等[1]。這就意味著無線通信網絡中的數據可能會被非法獲取、篡改或冒用，給數據的安全性和隱私性帶來重大威脅。另一方面，無線通信網絡還可能面臨其他的攻擊方式。攻擊者可能會假冒通信雙方的身份，實施中間人攻擊；或者通過干擾無線信道，使網絡通信中斷或變慢。

為了解決這些安全性問題，人們提出了多種防護措施，如數據加密、訪問控制、身份認證等。這些措施在一定程度上可以增強無線通信網絡的安全性，但也可能會影響網絡的性能和效率[2]。因此，如何在保證安全性的同時，不降低網絡的性能和效率，是無線通信網絡設計中需要解決的一個重要問題。本文設計了一種基于數據簡化與關鍵鏈路選擇的無線通信網絡存儲加密算法，為解決復雜數據存儲加密的效率問題提供新的視角。

1" 無線通信網絡數據存儲加密方法設計

1.1" 交互局部性加密系數計算

首先，為了提高加密效率，選取被威脅性較高的數據加密，排除冗余數據的干擾。將無線通信網絡中需要加密的數據在尺度空間中搜索，得到最大加密系數值和最小加密系數值，并確定局部數據。接著，提取網絡數據中的加密系數相似點，并針對梯度方向建立坐標增加高被威脅數據聚類準確程度[3]。在提取相似特征點周圍的信息時，提取所有梯度方向信息，以穩定獲取對應的加密系數。結合加密系數設計無線通信網絡加密數據約束[4]。交互局部性加密系數的計算式為：

式中，i、j為無線通信網絡數據輸出和輸入總量；c為約束參數。影響加密效果的關鍵因素為局部加密系數，當δ數值越大時，表示對應的數據安全水平越高，不需要加密。這樣就能夠對加密數據進行初級等級劃分，避免重復加密和非正常數據加密過程。

1.2" 基于可靠性分析的關鍵加密鏈路選擇

無線通信網絡加密過程中，可利用鏈路可靠性分析的方法，完成關鍵鏈路加密，排除冗余鏈路干擾。一個鏈路可以接收或發送多個無線通信網絡數據，鏈路的選擇直接影響加密效率。可將整個無線通信網絡鏈路的可靠性按照某幾個關鍵鏈路的可靠性計算。本文將以鏈路為單位，選擇關聯鏈路完成后期加密，提升加密效率。在無線通信網絡中，與外接網絡不聯通的數據為內部數據，與外部網絡連接的數據為外部數據。這些數據通過鏈路與無線通信網絡交流，通過計算鏈路的可靠性完成關鍵加密鏈路選擇：

設在某個時間段t = tmj - tnj＞0（ j = 1，2，…，N），無線通信網絡S的鏈路i在tmj時刻累計調用了Cmj次，其中mj次調用失效，在tnj時刻累計調用了Cnj次，其中nj次調用失效，則網絡S的鏈路i在t時段的調用失效率為：

無線通信網絡S的鏈路i在t時段的均值調用失效率為：

網絡S在t時段的可靠性為：

設網絡有k條關鍵鏈路，則對于其中的一條關鍵路徑l，其加密概率為：

通過對加密概率設定閾值，選擇高概率鏈路進行加密，可以進一步提高加密算法的效率。

1.3" 非對稱加密解密算法設計

根據上述計算的交互局部性加密系數δ劃分數據的加密等級，實現關鍵數據和關鍵鏈路選擇后，設計加密算法，將容易識別的密文轉換為難以識別的密文，通過使用不同的密鑰將加密后的密文進行保護[5]。為了防止數據在存儲傳輸過程中被竊取，需要通過加密—解密的方式對數據進行處理。在數據傳輸過程中存在不同的風險，當用戶向服務器發送數據請求時，設計一種非對稱加密算法對數據進行加密，使得被加密的數據無法隨意被解密[6]。

選擇對應的加密數據，本文通過非對稱加密算法加密，設置非對稱加密算法的公鑰為（e，x），當非對稱加密節點分配后，進行第一組數據加密，加密參數的計算式為：

式中，w×d為通信數據存儲量。當第一組的密文處理后，加密后的密文更為完整。結合之前的明文，運用函數k （p）為加密處理的密鑰，設置DOS命令f （p）；明確非對稱加密實際層數后，進行縱向加密處理，獲得更為完善的密文[7]。結合實際情況，將密文進行科學分組。當k （p）與f （p）不一致時，就需要針對最后一組的密文處理，使得所有無線通信網絡數據均完成加密。

在維度空間中，對無線通信數據進行數據分析，得到映射狀態的數據量。將獲得的無線通信數據進行解密。對第一組密文進行DES解密處理，在此過程中需要使用非對稱密鑰，配合公鑰，針對DOS命令f （p）進行相應的解密。如果在此期間，存儲處在第n-f （p）層，則需要使用非對稱加密密鑰二次解密。結合不同的解密方式能夠準確獲得明文信息。經過解密后，根據獲得的明文當作第二組的密鑰，同樣針對f （p）與k （p），計算獲得相應層數后，進行解密，當k （p）與f （p）相同時，需進行縱向解密。最終，不斷對余下的小組加密數據進行解密處理，最后可以得到最終解密后的完整數據集合A。

1.4" 網絡數據安全聚類存儲

通過分布式方式將加密存儲解密后的數據進行聚類存儲。選擇無線通信網絡加密后數據為操作樣本，建立不同的數據節點。通過不同節點將加密后的數據進行存儲[8]。針對無線通信網絡數據集合A，提取數據集中的特征并均勻處理，描述節點存儲信息為：

式中，b為分布條件。通過對描述密文的存儲節點進行密文發送，經過多次迭代將重構的數據聚類。將一個任務區域內的節點分簇，針對不同的網絡狀況，統計隨機兩個簇頭節點之內的距離，保證在出現危險過程中會有一個節點保存了對應的數據。為了防止簇頭節點早死，需要選擇合適大小的簇頭，存儲整個節點中傳輸的數據[9，10]。根據節點信息選定進行數據聚類處理主站，判定數據集合是否滿足聚類條件。當符合條件的數據集收斂，將處理的數據放入數據庫中。

2" 實驗測試與分析

搭建無線通信網絡用于測試設計的存儲加密方法。設置2個對照組，運用本文方法的小組為實驗組，運用傳統方法的小組為對照1～2組。通過不同存儲加密方法應用后，計算相應的數據密鑰代價，比較在數據量達到14萬個的時候，密鑰空間代價的高低，同時進行加密解密輔助驗證測試，對存儲數據的機密性進行比較與分析。

2.1" 搭建實驗環境

選取32G的無線通信網絡數據作為存儲數據樣本，設置訓練次數為20次。搭建實驗所用的無線通信網絡環境，實驗所使用的載頻個數為5個，通信信道數量為30個。平均信道利用率為0.674，通信業務的阻塞程度為0.45。搭建的通信環境中，通信頻段為D-TRF、C-UTY，其通信頻率為120～180 MHz。設置實驗對參數中行為懲罰權重為0.5，通信可疑行為實際累積量為3個周期，通信數據總數量為14萬個。在無線通信網絡下，根據可信行為累積1.5個時隙周期，設計本文算法的源代碼，帶入CAERE軟件作為實驗操作平臺，通過Graphics對設計的無線通信網絡數據存儲加密方法進行測試。

2.2" 結果與分析

運用本文的方法對加密數據進行劃分，降低加密成本。劃分過程如圖1所示。

通過圖1可以看出，本文方法的數據劃分下，可以大幅縮減加密數據規模，提高加密算法效率。對鏈路的可靠性進行分析，結果如圖2所示。

可得到如圖2所示的鏈路的可靠性變化趨勢圖。從圖中可以看出，當可靠性增加時，加密鏈路的數量逐漸減少，符合算法預期。

運用不同方法對3個小組的無線通信網絡數據進行存儲機密性測試，通過計算得到3個小組的存儲數據密鑰空間大小隨數據總量變化的趨勢圖，具體如圖3所示。

通過實驗結果可知，運用本文存儲加密方法實驗組的空間代價最低，在數據總量為14萬個的時候，所付出的通信數據空間代價在1 000 bit以下，說明運用本文方法能夠在加密過程中獲得更高的存儲加密效率，具有了更高級別的加密存儲效果，使得在不同通信網絡節點中的數據存儲加密過程變得更加高效。針對本文存儲加密方法的可用性進行判斷，需要對存儲的數據進行加解密測試，在實驗中的存儲加密—解密過程如表1、表2所示。

通過表中的數據結果可以發現，通過將存儲加密樣本數據進行數據轉換后聚類處理，無線通信數據樣本能夠完整地進行加密后解密，傳輸過程中的數據完整，能夠有效防止數據被非法獲取，從本質上提升了無線通信數據的安全性，達到了良好的應用效果。

在上述加密數據的基礎上，改變密鑰任意一位，此時會引起密文變化，密文變化越大，說明算法的計算越復雜，加密效果越好，不同組別的密文變化率如圖4所示。

分析圖4可知，在本文方法的應用下，密鑰改變引起的數據密文平均變化率達到95%以上；而其他方法的數據密文平均變化率分別為89%和91.8%，低于本文方法的結果。這是因為本文方法結合了對稱加密算法和非對稱加密算法的優點，提高了加密和解密過程的效率和安全性。通過使用本文算法，能夠更好地保護數據的機密性和完整性，可以表明本文方法具備較高的密文安全性與混淆性。在達到同樣安全等級的情況下，相同迭代計算次數下，對比密鑰的加密長度，如圖5所示。

由圖5橫軸可以看出，所提方法在達到同樣安全級別時，迭代次數均少于文獻[6]方法和文獻[7]方法，說明所提方法加密效率高于文獻[6]方法和文獻[7]方法，更符合實時性要求；由縱軸可以看出，在迭代達到穩定后，所提方法的密碼加密長度較文獻[6]方法和文獻[7]方法更短，能夠在一定程度上提升加密效率。

綜上所述，運用本文設計的存儲加密方法能夠讓存儲數據能夠隨時更新，通過分布存儲使得數據按照特定的存儲機制進行存放。同時為了保護無線通信網絡接收不能受到攻擊，需要對存儲數據進行加密，通過授權后方能解密。這樣才能更好地對存儲的網絡數據進行訪問，防止大多數節點失效的情況產生。通過加密和聚合數據的存儲方式將節點存儲的數據全部還原出來，增加無線通信網絡壽命，使得存儲加密方法能夠更好地應用。

3" 結" 論

本文從無線通信網絡數據存儲加密問題入手，深入分析了加密效率的相關問題，探究了基于數據簡化與關鍵鏈路選擇的無線通信網絡存儲加密過程。對加密數據源的數據和加密關鍵鏈路進行精簡計算，提高了無線通信網絡中數據加密問題和數據存儲問題的效率。但方法中還存在一些不足之處，例如加密中心聚合問題，網絡數據流量交互問題，密鑰的安全性問題等。今后應更加完善計算，通過進一步研究，調動無線通信網絡數據的性能，實現網絡數據在傳輸過程中的安全性與實時性。通過對算法的計算和改善，實現無線通信網絡數據存儲加密方法的良好應用。

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作者簡介：舒蕾（1978—），女，漢族，云南普洱人，副教授，碩士，研究方向：計算機網絡安全；蔣文豪（1982—），女，漢族，四川大竹人，副教授，碩士，研究方向：大數據和大數據安全。