基于同步脈沖的數(shù)字通信加密傳輸系統(tǒng)

陳 赫

（長治學院，山西 長治 046000）

0 引 言

數(shù)字通信加密傳輸系統(tǒng)融合了信息技術、通信技術、加密技術以及數(shù)字處理技術等多種現(xiàn)代網(wǎng)絡技術，將多種技術有效結合在一起，保證數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)陌踩院陀行訹1]。該系統(tǒng)是在普通的數(shù)字通信傳輸系統(tǒng)的基礎上，為了確保數(shù)據(jù)信息的安全，加入了加密技術設計而成的新一代通信系統(tǒng)，為網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸營造一個良好的網(wǎng)絡環(huán)境[2]。隨著各種網(wǎng)絡技術的不斷完善與更新，為互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了良好的技術動力，也為其他行業(yè)的發(fā)展起到了一定的推動作用，但是互聯(lián)網(wǎng)安全問題也成為了當下必須面對的挑戰(zhàn)[3]。越來越多的網(wǎng)絡攻擊和網(wǎng)絡入侵事件發(fā)生，網(wǎng)絡中的通信信息已經(jīng)成為了網(wǎng)絡黑客最主要的攻擊對象，雖然現(xiàn)有的數(shù)字通信加密傳輸系統(tǒng)能夠起到一定的作用，但是由于傳統(tǒng)系統(tǒng)中數(shù)字通信加密機制設計不夠合理，并且系統(tǒng)安全架構設計不夠完善，對于網(wǎng)絡入侵的抵抗力明顯不足，抵抗網(wǎng)絡攻擊的成功率較低，因此提出基于同步脈沖的數(shù)字通信加密傳輸系統(tǒng)研究[4,5]。

1 基于同步脈沖的數(shù)字通信加密傳輸系統(tǒng)硬件設計

結合數(shù)字通信加密傳輸系統(tǒng)功能需求，此次在傳統(tǒng)系統(tǒng)硬件結構的基礎上增加了通信網(wǎng)絡控制器硬件設備[5]。該硬件設備的主要作用是對系統(tǒng)網(wǎng)絡節(jié)點的控制，將系統(tǒng)網(wǎng)絡中所有網(wǎng)絡節(jié)點統(tǒng)一管理和資源匹配，確保系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?。系統(tǒng)硬件結構如圖1所示。

圖1 基于同步脈沖的數(shù)字通信加密傳輸系統(tǒng)硬件結構圖

由于通信網(wǎng)絡數(shù)據(jù)量比較多，且網(wǎng)絡多為以太網(wǎng)，因此此次選取HIDSH/3265S5D型號通信網(wǎng)絡控制器作為系統(tǒng)的核心設備。根據(jù)圖1，通信網(wǎng)絡控制器通過GUSLPO接口與路由器連接，并進行聯(lián)網(wǎng)[6]。HIDSH/3265S5D型號通信網(wǎng)絡控制器內(nèi)置USOAOAB解碼芯片，該芯片具有一個單獨的電路，由控制器搭載的ISH存儲器啟動，通過TCP/IP協(xié)議棧向系統(tǒng)服務器發(fā)出控制指令，將網(wǎng)絡中資源進行分配，并且將數(shù)據(jù)傳輸任務根據(jù)就近原則發(fā)配到網(wǎng)絡節(jié)點上，輔助系統(tǒng)數(shù)字通信數(shù)據(jù)傳輸。

2 基于同步脈沖的數(shù)字通信加密傳輸系統(tǒng)軟件設計

2.1 系統(tǒng)安全架構設計

數(shù)字通信加密系統(tǒng)最核心的需求就是安全性，為了保證系統(tǒng)能夠有效完成數(shù)字通信加密傳輸，對系統(tǒng)的安全架構進行了設計，其架構如圖2所示。

圖2 基于同步脈沖的數(shù)字通信加密傳輸系統(tǒng)安全架構

由圖2可知，網(wǎng)絡安全架構包含了網(wǎng)絡接入安全、網(wǎng)絡域安全、首次認證、二次認證、應用安全、流程域安全以及SBA域安全。其中網(wǎng)絡接入安全域是防止網(wǎng)絡攻擊從系統(tǒng)網(wǎng)絡接口中進入；網(wǎng)絡域安全的作用是保護系統(tǒng)網(wǎng)絡節(jié)點之間信息交互的安全，是系統(tǒng)的第二道安全防護；首次認證是面向系統(tǒng)用戶的，用戶在進入到系統(tǒng)后需要進行首次身份認證，驗證用戶是否為系統(tǒng)安全用戶；二次認證是面向用戶業(yè)務的，對用戶的業(yè)務請求進行認證；應用安全域是用于保護系統(tǒng)用戶與業(yè)務請求提供之間的通信安全；流程域安全是確保系統(tǒng)數(shù)字通信傳輸流程的安全性；SBA域安全是用于保護數(shù)字通信傳輸?shù)酵ㄐ旁O備過程中的安全以及對于通信設備接口的保護[7]。通過以上7道防護組成系統(tǒng)安全架構，保證系統(tǒng)所有業(yè)務流程的安全。

2.2 數(shù)字通信加密機制設計

為了進一步保證數(shù)字通信傳輸?shù)陌踩?，設計了系統(tǒng)的數(shù)字通信加密機制，此次加密機制采用了RSA加密技術，其數(shù)字通信加密流程如下。

系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)組建成數(shù)據(jù)包，用M表示，RSA加密技術隨機從數(shù)據(jù)包M中抽取兩個值比較大的素數(shù)，記為n和m，將其作為數(shù)據(jù)包M密鑰的前兩位。再從數(shù)據(jù)包M中選擇一個正整數(shù)數(shù)據(jù)，記為k，將其作為數(shù)據(jù)包M密鑰的第三位。由以上3位數(shù)據(jù)組成數(shù)據(jù)包的加密密鑰。再從數(shù)據(jù)包M中隨機產(chǎn)生一個正整數(shù)，記為v，將其作為數(shù)據(jù)包M的解密密鑰，并且對該解密密鑰進行數(shù)字化處理，由此構建成系統(tǒng)數(shù)字通信加密密鑰和解密密鑰[8]。此外，將數(shù)據(jù)包M中的數(shù)據(jù)按照長度進行分類，利用設計的加密密鑰對數(shù)據(jù)包中的每一級數(shù)據(jù)進行加密操作[9]。通信數(shù)據(jù)接收者收到密文后，根據(jù)解密規(guī)則并利用解密密鑰對密文進行解密，從而得到數(shù)據(jù)包M中的數(shù)據(jù)，以此完成數(shù)字通信加密機制的設計。

2.3 基于同步脈沖的數(shù)字通信傳輸

由于數(shù)字通信傳輸量比較大，但是通信信道有限，基于這個問題此次采用同步脈沖技術完成系統(tǒng)數(shù)字通信傳輸過程。在系統(tǒng)中構建一個同步脈沖單元，系統(tǒng)產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)傳輸任務時，同步脈沖單元向系統(tǒng)主板傳輸一個100 MHz的時鐘信號以及10 kHz的同步信號。信號傳輸之前由同步脈沖單元對信號進行解碼，在第99 999個脈沖的位置輸出連續(xù)“1”，并在信號第19 999個脈沖的位置輸出連續(xù)“0”，將其作為脈沖信號上升沿的幀頭識別[10]。脈沖單元將解碼后的信號返回給系統(tǒng)主板，系統(tǒng)接收到解碼信號后將其傳輸?shù)叫盘柦邮斩?，接收端會對信號幀頭進行識別，將信號的第一個上升沿作為10 kHz脈沖的上升沿輸出，此時信號的寬度為15 ns。接收端通過同步脈沖單元傳輸一個100 MHz的時鐘信號識別到信號幀頭，便可接收到數(shù)字通信信號，以此完成了基于同步脈沖的數(shù)字通信加密傳輸系統(tǒng)設計。

3 實驗論證分析

實驗環(huán)境中，以Windows 2010作為操作系統(tǒng)，硬盤為 8 GB，內(nèi)存為 56 GB，BOKL CPU 服務器。實驗準備100個數(shù)字通信數(shù)據(jù)包，1臺HIDSH/3265S5D型號通信網(wǎng)絡控制器，將控制器重復精度設定為±0.5%F.S，耐壓強度設定為2.56 MPa，線性度參數(shù)設定為2.64 F.S，顯示精度參數(shù)設定為0.01 sxxm，輸出信號模式設定為數(shù)字協(xié)議帶電氣隔離。將系統(tǒng)所有硬件設備進行組裝和連接，實驗前對各項設備功能進行檢驗。實驗流程為將準備好的通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)中，由系統(tǒng)對各個數(shù)據(jù)包進行加密處理，并向通信終端傳輸，傳輸距離每次增加100 m。在系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸過程中對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行各種攻擊，在多種攻擊下系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信加密傳輸數(shù)據(jù)亂序情況如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信加密傳輸數(shù)據(jù)亂序情況

數(shù)據(jù)包RD值越趨于平緩表示數(shù)據(jù)傳輸過程越穩(wěn)定，系統(tǒng)的抵抗效果越好。為了進一步證實此次設計系統(tǒng)對網(wǎng)絡攻擊的抵抗效果，在系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸過程中逐漸增加網(wǎng)絡攻擊數(shù)量，總計攻擊10 000次。隨機抽取6次數(shù)字通信傳輸實驗數(shù)據(jù)，記錄兩種系統(tǒng)每次數(shù)據(jù)傳輸過程中抵抗網(wǎng)絡攻擊的數(shù)量，并計算出抵抗網(wǎng)絡攻擊的成功率，將其作為實驗結果，對兩種系統(tǒng)進行對比分析，結果如表1所示。

表1 兩種系統(tǒng)抵抗網(wǎng)絡攻擊的成功率對比（%）

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，此次設計系統(tǒng)抵抗網(wǎng)絡攻擊的成功率比較高，基本在99%以上，明顯高于傳統(tǒng)系統(tǒng)，說明設計系統(tǒng)可以有效保證數(shù)據(jù)通信加密傳輸?shù)陌踩?，能夠有效確保數(shù)據(jù)順利傳輸。

4 結 論

數(shù)字通信加密系統(tǒng)對于通信工程來說具有非常重要的作用，此次在傳統(tǒng)系統(tǒng)基礎上對其軟硬件進行了創(chuàng)新與優(yōu)化，設計了一款新的傳輸系統(tǒng)，引用了同步脈沖技術，確保通信安全，具有良好的應用前景。