基于北斗短報(bào)文衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的海洋傾廢記錄儀數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)安全傳輸系統(tǒng)

黃亞飛 曲念東 張保學(xué) 錢飛

摘要：為保障海洋傾廢數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和安全性，有效遏制違法傾廢行為，文章設(shè)計(jì)海洋傾廢記錄儀數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)安全傳輸系統(tǒng)并模擬應(yīng)用。研究結(jié)果表明：該系統(tǒng)基于北斗短報(bào)文衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，采用AES與RSA相結(jié)合的加密算法，集成DTU模塊、北斗短報(bào)文衛(wèi)星通信模塊和Hellobeidou云平臺(tái)等，可在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)盲區(qū)實(shí)時(shí)傳輸海洋傾廢記錄儀采集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)加解密兼具快速性和安全性，與經(jīng)由中國(guó)聯(lián)通通信網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)相比更加持續(xù)和穩(wěn)定，可用于監(jiān)控傾廢船舶，便于執(zhí)法人員及時(shí)獲取違法傾廢信息并現(xiàn)場(chǎng)查證，保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境。

關(guān)鍵詞：海上執(zhí)法;海洋傾廢記錄儀;北斗短報(bào)文衛(wèi)星通信;加密算法;數(shù)據(jù)傳輸

中圖分類號(hào)：TN919;TN918.4 ???文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A???文章編號(hào)：1005-9857（2019）04-0083-04

Design of Real?time Secure Transmission System of Ocean Dumping Recorder′s Dumping Data Based on Beidou Short Message

HUANG Yafei，QU Niandong，ZHANG Baoxue，QIAN Fei

（South China Sea Standards and Metrology Center，SOA，Guangzhou 510700，China）

Abstract：In order to ensure the real?time and safety of marine wastes dumping data transmission and effectively curb illegal dumping behavior，this paper designed a real?time safe transmission system for marine wastes dumping recorder data and simulates the application.The research results showed that the system was based on Beidou short message satellite communication network，used AES and RSA combined encryption algorithm，with DTU module，Beidou short message satellite communication module and Hellobeidou cloud platform，etc.integrated，which can transmit the data collected by the marine wastes dumping recorder in real time in the blind area of mobile communication network.Its data encryption and decryption were fast and safe.It is more continuous and stable than the data transmitted through China Unicom′s communication network.It can be used to monitor wastes dumping ships and facilitate law enforcement personnel to obtain illegal dumping verify on?site in time，so as to protect the marine ecological environment.

Key words：Marine law enforcement，Marine wastes dumping recorder，Beidou short message，Encryption algorithm，Data transmission

海洋傾廢記錄儀采集、傳輸和存儲(chǔ)傾廢船舶的運(yùn)行航跡、吃水深度、傾倒時(shí)刻、視頻信號(hào)和泥門開啟狀態(tài)等多種數(shù)據(jù)，對(duì)傾廢活動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)和可視化監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的全自動(dòng)工作，是海洋行政執(zhí)法技術(shù)取證的重要手段。目前我國(guó)使用海洋傾廢記錄儀通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中可能被惡意篡改;此外，某些傾廢區(qū)距離海岸帶較遠(yuǎn)，傾廢船舶在航行途中存在網(wǎng)絡(luò)盲區(qū)，導(dǎo)致傾廢數(shù)據(jù)無(wú)法實(shí)時(shí)傳輸，執(zhí)法部門不能及時(shí)獲取違法傾廢信息和現(xiàn)場(chǎng)查證。因此，本研究設(shè)計(jì)海洋傾廢記錄儀數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)安全傳輸系統(tǒng)，采用北斗短報(bào)文衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)以及AES與RSA相結(jié)合的加密算法，分別解決傾廢數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性和安全性的問題，第一時(shí)間將違法傾廢行為通知執(zhí)法人員;系統(tǒng)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)查證照片可作為判定違法傾廢的直接證據(jù)，對(duì)于提高法律威懾力和行政執(zhí)法效率以及保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境具有重要意義[1-7]。

1?系統(tǒng)需求和工作原理

海洋傾廢記錄儀數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)安全傳輸系統(tǒng)應(yīng)滿足2項(xiàng)需求：①數(shù)據(jù)加密，即傾廢數(shù)據(jù)每分鐘加解密1次，解密準(zhǔn)確率不低于99%;②數(shù)據(jù)傳輸，即由北斗短報(bào)文衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸傾廢數(shù)據(jù)，傳輸數(shù)據(jù)量不低于理論數(shù)據(jù)量的95%。

海洋傾廢記錄儀采集的傾廢船舶的吃水深度和定位等數(shù)據(jù)，采用AES與RSA相結(jié)合的加密算法加密處理，通過(guò)北斗短報(bào)文衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)將加密數(shù)據(jù)傳輸至軟件平臺(tái);通過(guò)軟件平臺(tái)的解密模塊解密數(shù)據(jù)，并發(fā)送至數(shù)據(jù)庫(kù)中，由人-機(jī)交互界面展示。

2?加密算法

AES加密算法通過(guò)字節(jié)替代、行移位、列混淆和輪密鑰進(jìn)行加密，其中密鑰由接收方與發(fā)送方協(xié)商產(chǎn)生。AES加密算法加解密速度非?？?，適合發(fā)送數(shù)據(jù)頻率高的場(chǎng)合，但由于加解密用到的密鑰是相同的，密鑰直接通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸有可能被泄露，從而易被攻擊者還原密文和竊取數(shù)據(jù)。

RSA加密算法是非對(duì)稱加密算法，基于對(duì)2個(gè)大質(zhì)數(shù)的乘積結(jié)果進(jìn)行因式分解極其困難的數(shù)論事實(shí)。因此，可將乘積結(jié)果作為公鑰供任何人使用，而將2個(gè)大質(zhì)數(shù)作為私鑰供解密使用。RSA加密算法安全可靠，但其加解密是大數(shù)計(jì)算，無(wú)論通過(guò)軟件還是硬件實(shí)現(xiàn)都比AES加密算法慢很多，導(dǎo)致加解密效率較低。

綜上所述，可結(jié)合AES加密算法的快速性和RSA加密算法的安全性，設(shè)計(jì)新的數(shù)據(jù)加解密方案：發(fā)送方通過(guò)RSA公鑰加密AES密鑰，再使用加密后的AES密鑰加密明文;接收方通過(guò)RSA私鑰解密AES密鑰，再使用解密后的AES密鑰解密密文和得到明文[8-10]。具體流程如圖1所示。

3?系統(tǒng)組成

根據(jù)數(shù)據(jù)加密和傳輸?shù)男枨螅狙芯吭O(shè)計(jì)基于北斗短報(bào)文衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的海洋傾廢記錄儀數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)安全傳輸系統(tǒng)。其中，硬件平臺(tái)由現(xiàn)有海洋傾廢記錄儀、DTU模塊、北斗短報(bào)文衛(wèi)星通信模塊和供電模塊組成，衛(wèi)星接收站采用Hellobeidou云平臺(tái)，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)采用中國(guó)聯(lián)通通信網(wǎng)絡(luò)，軟件平臺(tái)由解密模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)和人-機(jī)交互界面組成（圖2）。

3.1?DTU模塊

為驗(yàn)證北斗短報(bào)文衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)盲區(qū)傳輸數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，同時(shí)采用北斗短報(bào)文衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)和中國(guó)聯(lián)通通信網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。Maestro M100 3G DTU模塊內(nèi)嵌ARM芯片和調(diào)制解調(diào)器：ARM芯片對(duì)海洋傾廢記錄儀實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密運(yùn)算，將加密數(shù)據(jù)傳輸至北斗短報(bào)文衛(wèi)星通信模塊和調(diào)制解調(diào)器，并對(duì)整個(gè)硬件部分進(jìn)行事務(wù)管理;調(diào)制解調(diào)器通過(guò)中國(guó)聯(lián)通通信網(wǎng)絡(luò)將加密數(shù)據(jù)傳輸至軟件平臺(tái)。

3.2?北斗短報(bào)文衛(wèi)星通信模塊

北斗短報(bào)文衛(wèi)星通信模塊可在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)盲區(qū)將傾廢數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至Hellobeidou云平臺(tái)，軟件平臺(tái)可實(shí)時(shí)從Hellobeidou云平臺(tái)獲取數(shù)據(jù)。

該模塊采用我國(guó)自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和具有短報(bào)文功能的TM8510型射頻基帶處理芯片，支持北斗衛(wèi)星無(wú)線電測(cè)定業(yè)務(wù)（RDSS）。其中，LNA芯片具有RDSS的S頻點(diǎn)濾波和低噪聲放大功能;Transceiver芯片將放大后的S頻點(diǎn)衛(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻信號(hào)，并經(jīng)基帶處理后通過(guò)UART接口輸出;基帶處理芯片接收UART接口命令后產(chǎn)生RDSS基帶數(shù)據(jù)，經(jīng)Transceiver芯片整形、濾波和調(diào)制至L頻段;PA芯片將調(diào)制后的L頻點(diǎn)信號(hào)放大后發(fā)送至外置無(wú)源天線（圖3）。

4?工作流程

系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

系統(tǒng)啟動(dòng)后，硬件平臺(tái)判別是否連接軟件平臺(tái)：若判別為否，則重新判別;若判別為是，則發(fā)送初始命令至軟件平臺(tái)，并設(shè)置北斗短報(bào)文衛(wèi)星通信模塊至RDSS模式。判別海洋傾廢記錄儀采集的數(shù)據(jù)包是否接收，若判別為否，則傳送“無(wú)數(shù)據(jù)”信息，并等待數(shù)據(jù)包;若判別為是，則組成傳輸數(shù)據(jù)字符串，分別通過(guò)中國(guó)聯(lián)通通信網(wǎng)絡(luò)和Hellobeidou云平臺(tái)接收的RSA公鑰對(duì)AES密鑰加密，并分別使用加密后的AES密鑰加密數(shù)據(jù)。加密數(shù)據(jù)分別通過(guò)中國(guó)聯(lián)通通信網(wǎng)絡(luò)和Hellobeidou云平臺(tái)傳輸至軟件平臺(tái)，軟件平臺(tái)對(duì)2種途徑接收數(shù)據(jù)的解密步驟相同，即獲取加密數(shù)據(jù)，并判別是否有新數(shù)據(jù)：若判別為否，則繼續(xù)獲取加密數(shù)據(jù);若判別為是，則使用RSA私鑰解密AES密鑰，再使用AES密鑰解密數(shù)據(jù)，并寫入數(shù)據(jù)庫(kù)。

5?系統(tǒng)應(yīng)用

將基于北斗短報(bào)文衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的海洋傾廢記錄儀數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)安全傳輸系統(tǒng)的硬件平臺(tái)安裝在漁船上，在我國(guó)南海某海域模擬應(yīng)用，其中存在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)盲區(qū)。軟件平臺(tái)設(shè)置數(shù)據(jù)接收頻率為1個(gè)/min，系統(tǒng)在7 h的測(cè)試時(shí)段接收數(shù)據(jù)的情況如表1所示。

由表1可以看出，加密數(shù)據(jù)經(jīng)由Hellobeidou云平臺(tái)傳輸更加穩(wěn)定，可解決海洋傾廢記錄儀在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)盲區(qū)無(wú)法實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的問題，有效提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院统掷m(xù)性，且解密準(zhǔn)確率高達(dá)100%。

6?結(jié)語(yǔ)

本研究針對(duì)傾廢數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性和安全性的問題，采用北斗短報(bào)文衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)以及AES與RSA相結(jié)合的加密算法，設(shè)計(jì)海洋傾廢記錄儀數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)安全傳輸系統(tǒng)。經(jīng)模擬應(yīng)用，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)傾廢數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、穩(wěn)定和安全傳輸，可應(yīng)用于監(jiān)控傾廢船舶，第一時(shí)間將違法傾廢行為通知執(zhí)法人員，便于及時(shí)現(xiàn)場(chǎng)查證，最大限度地減少海洋生態(tài)環(huán)境污染。

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