基于區(qū)塊鏈技術(shù)的港口通信數(shù)據(jù)加密傳輸方法

肖恒一，陳昭義，李明杰

（湖北郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 430023）

0 引 言

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，傳輸數(shù)據(jù)的總量在不斷增加，海量數(shù)據(jù)在云端的頻繁交流使得數(shù)據(jù)傳輸鏈路的荷載不斷加重。在此環(huán)境下，數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩珕?wèn)題仍存在進(jìn)一步研討的空間[1]。數(shù)據(jù)的海量交互對(duì)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的響應(yīng)和調(diào)度能力都提出了更高要求[2]。現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)利用PID元件記錄信息的傳輸速率，再借助逆變器和載波器等綜合約束各級(jí)信息傳輸模塊，但這種方法需要的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，傳輸效率受限較大[3,4]。針對(duì)這一問(wèn)題，區(qū)塊鏈技術(shù)是一種有效且可行的措施[5]。其對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)募s束較小，且不會(huì)對(duì)傳輸鏈路造成額外負(fù)擔(dān)，是保障數(shù)據(jù)傳輸安全的重要方式[6]。

基于此，本文提出基于區(qū)塊鏈技術(shù)的港口通信數(shù)據(jù)加密傳輸方法，通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù)控制數(shù)據(jù)傳輸，提高數(shù)據(jù)的安全性。

1 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)據(jù)加密傳輸方法

1.1 構(gòu)建數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)模型

在傳輸港口通信數(shù)據(jù)前，先采用區(qū)塊鏈技術(shù)建立區(qū)塊鏈，對(duì)數(shù)據(jù)加密傳輸?shù)恼w網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全面管理，使港口數(shù)據(jù)在獨(dú)立的服務(wù)器中呈廣泛分布狀態(tài)，隨后在此基礎(chǔ)上完成數(shù)據(jù)的上傳、下載或更新任務(wù)[7]。實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有星型、樹形以及網(wǎng)狀等，本文利用Overlay結(jié)構(gòu)建立數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)模型，連接區(qū)塊鏈中的各個(gè)區(qū)塊，保留區(qū)塊鏈一的般性[8]。設(shè)Overlay結(jié)構(gòu)下的區(qū)塊鏈寬度為D，則有：

式中，i(x, y)表示數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈中的主區(qū)塊，x與y分別表示主區(qū)塊中的橫、縱坐標(biāo)，I表示所有區(qū)塊的集合，I1表示存活區(qū)塊的集合，Is表示空閑區(qū)塊的集合。

在實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，區(qū)塊間歇性地向主區(qū)塊發(fā)送信息。假設(shè)Ic表示數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)模型，以傳輸鏈路的中心為節(jié)點(diǎn)，區(qū)塊之間的連接為：

式中，λ表示鄰居區(qū)塊。設(shè)λ值為n，此時(shí)其鄰居區(qū)塊為n+1和n-1，將n與n+1或n-1與n代入式（2）可得到連續(xù)存在的兩個(gè)區(qū)塊信息，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)數(shù)據(jù)傳輸區(qū)塊的連接[9]。

1.2 區(qū)塊加密

基于上述模型，在區(qū)塊鏈技術(shù)的支持下為數(shù)據(jù)傳輸區(qū)塊鏈的連接添加密鑰，實(shí)現(xiàn)安全的數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)區(qū)塊鏈的組成，本文采用RSA非對(duì)稱加密算法完成加密，以此增加解密密鑰的長(zhǎng)度，提高破解密鑰的難度，確保加密的可靠性。

基于港口通信數(shù)據(jù)傳輸區(qū)塊鏈建立算法基礎(chǔ)，適應(yīng)區(qū)塊鏈中待傳輸數(shù)據(jù)可能存在的所有正確傳輸路徑，且傳輸數(shù)據(jù)每次經(jīng)過(guò)不同區(qū)塊時(shí)，其內(nèi)容都保持高度的獨(dú)立性和不可逆性，每個(gè)數(shù)據(jù)只能從發(fā)送端指向接收端，這樣不但可以避免數(shù)據(jù)交叉，有效降低發(fā)生信息擁堵行為的概率，還能縮短網(wǎng)絡(luò)相鄰區(qū)塊之間的距離，降低傳輸時(shí)間，間接提高傳輸安全性[10]。設(shè)f0為待傳輸數(shù)據(jù)信息的暗文，f1為待傳輸數(shù)據(jù)信息的明文，a表示數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)過(guò)的區(qū)塊下限，b表示數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)過(guò)的區(qū)塊上限，綜合上述參數(shù)可建立單向數(shù)據(jù)傳輸區(qū)塊加密函數(shù)：

式中，Δf表示單位時(shí)間內(nèi)傳輸密鑰區(qū)塊的信息變化量，e表示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化量。以此實(shí)現(xiàn)基于統(tǒng)一密鑰的區(qū)塊加密，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

1.3 通信數(shù)據(jù)加密傳輸

在數(shù)據(jù)傳輸區(qū)塊鏈中，由于各接口之間的精確度不同，信號(hào)的接收與發(fā)送之間容易發(fā)生頻差，導(dǎo)致數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)泄漏或丟失，影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。因此，本文在?shù)據(jù)傳輸過(guò)程中同步發(fā)送端與接收端的數(shù)據(jù)，并以此作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)。

利用相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)在區(qū)塊之間的相位差對(duì)頻差進(jìn)行估計(jì)。在港口通信數(shù)據(jù)加密傳輸時(shí)統(tǒng)一發(fā)送端和接收端的數(shù)據(jù)信號(hào)，以數(shù)據(jù)信號(hào)的頻差為基礎(chǔ)，輸出頻率補(bǔ)償，從而保障傳輸過(guò)程的安全性。數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中相鄰的兩個(gè)區(qū)塊存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，設(shè)Q表示通信數(shù)據(jù)在區(qū)塊間傳遞時(shí)的頻率補(bǔ)償值，則有：

式中，g表示中心區(qū)塊的載波頻點(diǎn)，t表示數(shù)據(jù)信號(hào)在多個(gè)區(qū)塊間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，α表示信號(hào)在區(qū)塊間的入射夾角。以此計(jì)算出港口通信數(shù)據(jù)加密傳輸過(guò)程的頻率補(bǔ)償值，實(shí)現(xiàn)信號(hào)載波同步條件下的通信數(shù)據(jù)加密傳輸。數(shù)據(jù)加密整體傳輸流程如圖1所示。

圖1 港口通信數(shù)據(jù)加密傳輸流程

2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證本文提出的基于區(qū)塊鏈技術(shù)的港口通信數(shù)據(jù)加密傳輸方法的性能，設(shè)計(jì)對(duì)比試驗(yàn)。將本文研究方法設(shè)置為試驗(yàn)組，將文獻(xiàn)[5]提出的結(jié)合時(shí)間戳的指紋密鑰數(shù)據(jù)加解密傳輸方案和文獻(xiàn)[6]提出的基于RAHRM的電表數(shù)據(jù)安全采集傳輸方法作為對(duì)照組，驗(yàn)證3種方法下通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)加密傳輸?shù)陌踩浴?/p>

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)設(shè)備包括1個(gè)主機(jī)箱、1個(gè)射頻通道板、1頻譜儀個(gè)、1個(gè)數(shù)字信號(hào)處理板、1個(gè)射頻功放以及若干連接天線，信息傳輸通道包括3個(gè)發(fā)送通道和5個(gè)接收通道。通過(guò)頻譜儀標(biāo)定接收端信號(hào)，通過(guò)功率示波器測(cè)量同步時(shí)延情況。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 鏈路誤比特率測(cè)試

將射頻功放發(fā)送的信號(hào)通過(guò)射頻通道板和數(shù)字信號(hào)處理板傳輸至通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模型，對(duì)比發(fā)送信號(hào)和接收到的信號(hào)，完成3種方法的誤比特率測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同傳輸方法下的誤比特率

由圖2可知，隨著信噪比的增加，3種方法的誤比特率均呈下降趨勢(shì)，但基于區(qū)塊鏈技術(shù)的港口通信數(shù)據(jù)加密傳輸方法的誤比特率下降趨勢(shì)明顯大于文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]方法。在信噪比為10 dB時(shí)停止試驗(yàn)，文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]方法的誤比特率均為0.000 72%，本文方法的誤比特率為0.000 027%，明顯低于另外兩種方法。本文方法通過(guò)加密數(shù)據(jù)傳輸區(qū)塊，并在傳輸過(guò)程中進(jìn)行傳輸頻率補(bǔ)償，有效提高了數(shù)據(jù)包傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2.2.2 丟包率測(cè)試

基于上述試驗(yàn)環(huán)境分別測(cè)試不同信噪比下3種數(shù)據(jù)傳輸方法的丟包率，結(jié)果如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)丟包率對(duì)比表

由表1可知，本文方法的丟包率始終低于另外兩種方法，基本穩(wěn)定在0.010%以內(nèi)，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。該方法通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程進(jìn)行連接，降低外界攻擊和干擾的影響，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院屯暾浴?/p>

3 結(jié) 論

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)成為一種主要的信息傳輸方式，其不受空間限制，在港口通信中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。在此環(huán)境下，保證通信數(shù)據(jù)的安全傳輸成為計(jì)算機(jī)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。本文將區(qū)塊鏈技術(shù)引入到數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，有效降低了?shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的誤比特率和丟包率，具有一定的參考價(jià)值。在之后的研究中，相關(guān)人員可深入研究數(shù)據(jù)傳輸?shù)逆溌愤x擇，在提高數(shù)據(jù)安全性的同時(shí)提高傳輸效率。