RSA加密算法在物聯網數據安全傳輸中的應用

摘 要：由于現有的方法受到攻擊次數較多，數據包丟失數量超過40個，因此，本文研究RSA加密算法在物聯網數據安全傳輸中的應用。在物聯網環境中，SSL協議適用于輕量級高性能數據安全傳輸。在加密前對物聯網中的傳輸數據進行預處理，運用RSA算法來設定數據加密傳輸的子密鑰。根據認證報文獲取數字簽名交換的位置，通過加密并經過私鑰解密完成傳輸。試驗結果表明，第一組受到的攻擊次數保持在1次，為3個小組受到攻擊次數最少的小組；第一組的數據包丟失數量在0～10個，具有相對較好的加密能力，確保網絡始終保持在最佳狀態。

關鍵詞：RSA加密算法；物聯網；數據傳輸；安全；算法應用

中圖分類號：TP 309" " 文獻標志碼：A

在物聯網發展進程中，數據的安全傳輸比較重要。物聯網設備廣泛分布，數據的機密性直接關系到個人隱私及國家安全。因此，在物聯網環境中實現數據的安全傳輸成為亟待解決的問題。機密算法是物聯網數據安全的核心，通過復雜數學變換和加密，將明文轉為難以破解的密文，確保傳輸安全。它應用于物聯網設備通信與數據存儲，保障整體安全。結合理論與實際案例全面分析，促進物聯網技術健康發展。王鑫淼等[1]選擇2個大的質數，計算乘積生成公鑰和私鑰。傳發者使用收到者的公鑰對要傳輸的數據進行加密。加密后的數據只有持有對應私鑰的收到者才能解密。加密后的數據長度可能會發生變化，在某些對數據包大小有嚴格要求的網絡環境中，可能會成為限制因素。楊裴裴等[2]采用RSA算法對分組中的關鍵信息進行加密，MD5簽名機制可以對數據進行快速摘要處理，從而在不降低安全性的前提下提高處理速度。如果私鑰泄露，那么加密數據的安全性將無法得到保障。

在物聯網數據安全傳輸中，本研究以RSA加密算法作為研究對象，結合實際情況進行試驗和分析。

1 RSA加密算法數據傳輸

1.1 物聯網下數據傳輸

在物聯網環境下，數據傳輸呈現海量數據的顯著特點。物聯網中節點數量龐大且常以集群形式存在，當處理海量數據傳輸時，如果核心網絡擁塞，可能引發拒絕服務的問題[3]。在物聯網環境中，適用于輕量級、高性能數據安全傳輸的是經過優化和簡化的SSL/TLS協議版本或變種。SSL/TLS協議通過2種主要機制來保護數據傳輸：SSL記錄協議和SSL握手協議。SSL記錄協議負責在應用程序之間傳輸加密的數據。它使用加密算法（例如AES）和消息認證碼（MAC）來確保數據的機密性和完整性。在數據傳輸之前，SSL記錄協議會先對數據進行加密和MAC計算，然后將加密后的數據和MAC附加在一起傳輸。SSL握手協議則用于在通信雙方之間建立安全連接。它涉及多個步驟，包括交換證書、驗證身份、生成會話密鑰等。通過這些步驟，雙方可以確保對方的身份是真實的，并且共享一個秘密的會話密鑰，該密鑰將用于后續的數據加密和解密。

在物聯網環境中，實施SSL/TLS協議需要考慮設備的資源限制（例如計算能力、存儲空間、功耗等）。因此，通常會采用輕量級的SSL/TLS庫或變種，這些庫或變種在保持安全性的同時，對資源消耗進行了優化。通過這些措施，不僅保障了數據安全，而且使通信更高效。具體流程如圖1所示。

在數據傳輸前，為了保障物聯網環境下數據傳輸的高效與安全，LSSL通過握手過程協商建立安全參數。由SSL客戶端在TCP連接建立后發起，通過發送一個包括其支持的安全參數列表及參數生成過程中所需的隨機數的消息來啟動握手。隨后，SSL服務器端響應該消息，發送傳輸數據請求給客戶端[4]?？蛻舳嗽诮邮盏竭@些信息后，生成一個秘密消息，并使用SSL服務器進行問候并收獲數據。SSL服務器端再獲取該消息，從而成功協商出最后數據，至此完成數據交換。此后，雙方即可使用這份共同的會話進行多次信息傳輸通信，既確保了數據傳輸的安全性，又通過優化握手過程減少了性能開銷，完美滿足了物聯網環境中對數據傳輸高效的需求。

1.2 RSA算法設定數據傳輸加密密鑰

為了實現數據的加密傳輸，并確保用戶在物聯網通信終端上的信息安全與隱私保護，在加密前對物聯網中的傳輸數據進行預處理[5]。在前端將原始完整的數據包細分為多個獨立的數據包單元，在物聯網通信中映射為待傳輸數據。在這一過程中，計算數據包的特征，如公式（1）所示。

在完成數據包的預處理后，在數據發送端生成一個數據代碼。該代碼需要根據待傳輸數據包的具體特征，在Logistic空間中進行映射。映射過程表示為s=R（32）（R為代碼生成標準）。在映射后，運用RSA算法來設定數據加密傳輸的子密鑰。通過隨機選擇2個不同的素數（a和b）作為數據包加密傳輸中核心信息的提取因子。在確保a=b的前提下，計算傳輸數據包中的核心數據提取結果，如公式（2）所示。

根據提取的核心信息，得到在數據傳輸過程中需要主要進行加密的關鍵內容。在RSA加密算法中，對α（f）進行數據聚攏處理，使數據量不超過200位。同時，獨立選擇的2個大素數ab，且它們的長度不超過100位。為了增強加密的安全性，要求（a-1）和（b-1）的公因子盡可能小。在確定了ab之后，基于RSA算法的標準流程來設定加密密鑰[6]。通過密鑰派生函數從RSA的主密鑰中派生出來。則設定子密鑰如公式（3）所示。

這樣完成了數據加密傳輸子密鑰的設定過程。RSA算法是一種基于非對稱加密技術的安全方法，采用一對密鑰確保數據的安全傳輸。發送方使用接收方的公鑰對數據進行加密，這樣只有持有相應私鑰的接收方才能解密并讀取數據內容。這種加密方式極大地增強了數據傳輸的安全性，因為即使公鑰被公開，也無法輕易推算出私鑰。

1.3 數據傳輸認證加密解密

在物聯網數據加密傳輸過程中，需要認證機制由發起認證、執行認證以及維護認證后，雙方通過信賴的安全通道進行身份認證，并相互交換密文信息與數字簽名，以此有效防止數據在傳輸過程中被竊聽。在加密傳輸過程中，根據認證報文獲取數字簽名交換的位置，通過加密并經過私鑰解密完成傳輸[7]。由于頻繁的身份認證過程可能會增加能源消耗，采用基站廣播IOA報文的方式，通知所有通信節點參與認證流程，從而優化認證效率，確保加密傳輸認證的有效性。在加密傳輸過程中，數據不確定性程度需要通過計算信息熵來進行判斷。信息熵反映數據的混亂程度和加密效果。明文信息熵越高，表明原始數據越難以預測，加密傳輸的安全性也提高。因此，計算信息熵如公式（4）所示。

是明文還是密文，其信息熵都能反映密文內容的復雜性和保護強度。因此，運用高密文信息熵使破解者難以從中獲取有價值的信息，確保數據的完整性，及時發現并應對潛在的數據篡改。同時，在加密過程中，利用對稱和非對稱加密技術維護數據的保密性，防止信息泄露。需要計算設定密鑰參數的破譯復雜度，如公式（5）所示。

當T（s）較高時，表示攻擊者需要投入更多的資源和時間才能破解密鑰，從而能夠提供更安全的數據安全轉移環境[8]。最后，利用數字簽名技術驗證數據的來源和完整性進行信息解密，同時防止數據抵賴問題。傳發者使用哈希函數對原始數據M進行哈希處理，得到數據的摘要H，經過私鑰d加密后生成數字簽名S。使用哈希函數處理原始數據，得到新的摘要H'。收到者使用傳發者的公鑰e對數字簽名進行解密，得到解密后的摘要H''，如公式（6）所示。

收到者比較H'和H''，如果兩者相等，就驗證通過，確認數據未被篡改且確實來自聲稱的傳發者。

2 試驗測試與分析

為檢測本文方法的應用效果，在計算機上集成了EW4145接口，并通過轉換技術將其輸出電平適配為RER14總線信號，以便高效傳輸。設置串口調試助手，當數據被發送到被測設備后，執行校驗以確認數據的完整性。同時，搭建試驗的測試環境。配置具體參數，見表1。

在實驗室環境中模擬了數據傳輸過程，設置3個小組，其中第一組運用本文方法，第二組和第三組運用傳統方法。通過對比在相同環境下的不同數據表現，判斷本文方法的應用效果。

2.1 攻擊次數

在網絡環境中，受到網絡攻擊導致數據在傳輸過程中被竊取，使傳輸中發生問題。為了評估不同加密方法在應對網絡攻擊方面的效果，模擬并檢測物聯網遭受網絡攻擊的次數，具體如圖2所示。

由圖2可知，第二組和第三組的受到攻擊次數較多，而第一組受到的攻擊次數保持在1次，為3個小組受到攻擊次數最少的小組。說明本文方法加密傳輸后，成功地降低了電力物聯網系統遭受攻擊的風險，顯著減少了實際發生的攻擊次數。不僅能夠有效識別網絡中的異常行為和潛在威脅，還能迅速做出響應，采取相應措施進行攔截，從而確保電力物聯網數據的安全傳輸。

2.2 數據包丟失

在網絡環境中，受到網絡攻擊導致數據在傳輸過程中被篡改，引發整個電力系統癱瘓。為了評估不同加密方法的應用效果，模擬并檢測物聯網在正常信號環境下遭受的網絡攻擊后的數據包丟失數量情況，具體如圖3所示。

由圖3可知，正常信號環境下，第二組和第三組的數據包丟失數量超過40個，體現網絡的脆弱性，網絡存在不穩定或擁塞等問題。而相對于這2個小組，第一組的數據包丟失數量在0～10個，具有較穩定的網絡條件和相對較好的加密能力。反映了網絡的高可靠性，從而優化網絡配置，確保網絡始終保持在最佳狀態。

綜上所述，在物聯網數據傳輸過程中，通過本文方法能夠加強網絡安全防護，確保物聯網數據在傳輸過程中的穩定性，為物聯網環境的安全、可靠運行提供有力保障。

3 結語

本文從數據安全傳輸入手，深入分析了RSA加密算法的相關問題，探究了RSA加密算法在物聯網數據安全傳輸中的應用。物聯網設備間傳輸的敏感數據可以使用RSA算法進行加密。但方法中還存在一些不足之處，例如選擇密鑰長度問題等。今后應更完善計算，RSA算法可用于安全地交換這些對稱密鑰。通過RSA算法加密的對稱密鑰可以在不安全的通道上安全地傳輸，只有擁有對應私鑰的設備才能解密并獲取對稱密鑰。RSA算法不僅可以用于數據加密，還可以用于數字簽名和密鑰交換等多種安全應用。這種靈活性使RSA算法在物聯網中具有廣泛的應用前景。

參考文獻

[1]王鑫淼，孫婷婷，馬晶軍.RSA算法在網絡數據傳輸中的研究進展[J].計算機科學，2023，50（增刊1）：703-709.

[2]楊裴裴，朱齊亮.網絡鏈路傳輸層數據分組加密算法仿真[J].計算機仿真，2023，40（10）：390-393，467.

[3]陳佟，黃文雯，夏小萌，等.基于RSA算法的電力通信工程環境安全監測方法[J].微電子學與計算機，2023，40（4）：63-71.

[4]梁韜文，王立斌.運用格規約分析RSA解密指數安全性[J].華南師范大學學報（自然科學版），2023，55（5）：121-128.

[5]劉海峰，汪麗華，梁星亮，等.一種基于圓錐曲線的RSA密碼體制改進方案[J].現代電子技術，2022，45（4）：144-148.

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[7]韋曉敏，彭燦華.基于Prim的物聯網安全數據融合信譽度模型[J].計算機仿真，2022，39（6）：421-424，443.

[8]劉佳瑩.基于物聯網技術的智能電網網絡信息安全分析[J].無線互聯科技，2024，21（16）：52-54.