基于HMAC 算法的網(wǎng)絡(luò)通信安全數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

艾雪瑞，許 放，張 濤，程方圓，曹 瑾

（北京中電飛華通信有限公司，北京 100000）

網(wǎng)絡(luò)通信作為一種不受限的、開放的通信工具，能夠有效提高人們?nèi)粘９ぷ魃罱涣鞯男?。由于電子信息不能像傳統(tǒng)文件信息那樣進(jìn)行安全防護(hù)，在傳輸、處理、存儲的過程中存在一定的泄露風(fēng)險。為了保證網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)安全，通過對傳輸過程進(jìn)行加密來確保信息的接收者能夠確定信息的來源和完整性，只有接收者可以獲得并且解密，進(jìn)而保障信息不會被泄露。

文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)具有實(shí)時嵌入型缺陷的遠(yuǎn)程監(jiān)控通信系統(tǒng)，通過HMAC 算法保證內(nèi)外部安全性，進(jìn)一步保證信息來源的安全性和完整性，但應(yīng)用范圍較局限。文獻(xiàn)[2]結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通信特點(diǎn)，在Windows 系統(tǒng)下構(gòu)建數(shù)據(jù)加密系統(tǒng)，結(jié)合RSA 與三重DES，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)加密，但這種方法的傳輸穩(wěn)定性不高。

目前的網(wǎng)絡(luò)通信安全數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致通信質(zhì)量下降。因此，采用HMAC 算法設(shè)計(jì)一種新的網(wǎng)絡(luò)通信安全數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

1 網(wǎng)絡(luò)通信安全數(shù)據(jù)傳輸模塊

1.1 加密模塊

由于公用密鑰與私用密鑰算法相比更加便于傳遞與保管，而私用密鑰算法比公用密鑰算法的加密速度更快。因此，在對網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸加密時，可利用公用密鑰算法和私用密鑰算法相結(jié)合的混合算法進(jìn)行加密處理。加密過程如下：

發(fā)送方用其私人密鑰對網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行密鑰簽名后，接收方從中介方獲得由發(fā)送方傳遞的公開密鑰，同時發(fā)送方獲得接收方的公開密鑰對需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行簽名加密，將數(shù)據(jù)傳輸給接收方。接收方通過對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行解密，同時通過獲得的公開密鑰進(jìn)行驗(yàn)證，最終獲得私人密鑰[3-4]。

在上述過程中，為防止因數(shù)據(jù)重新發(fā)送從而降低安全性，所以需要加上時間標(biāo)記。如此，接收方通過加密模塊精準(zhǔn)安全獲得三重密鑰，可對接收到的網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，匹配接收方與發(fā)送方的身份認(rèn)證結(jié)果并分析發(fā)送方的簽名信息，進(jìn)一步增強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸安全性[5-6]。

1.2 解密模塊

在完成網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)的加密模塊設(shè)計(jì)后，接收方使用其私人密鑰將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行解密。為了提升數(shù)據(jù)安全等級，接收方使用密鑰進(jìn)行加密。一次密鑰長度約56 位，調(diào)整密鑰次數(shù)，進(jìn)行三次密鑰加工后，密鑰長度約112 位，匹配接收方與發(fā)送方的加密-解密-加密模式，對比傳統(tǒng)加密解密模式的速率和強(qiáng)度，進(jìn)一步判斷新型的加密-解密-加密模式下的信息安全性，將上述模塊應(yīng)用至實(shí)際中，接收方與雙方還可定時地交換彼此的加密密鑰，對雙方授權(quán)進(jìn)行相關(guān)檢查，保證在加密-解密-加密模式下的信息安全[7-8]。

1.3 身份認(rèn)證模塊

在上述加密模塊和解密模塊中，增加了角色與用戶ID、管理密鑰ID 確保數(shù)據(jù)安全高效地被傳輸。按照各個ID 在傳統(tǒng)通信模塊上的定義，通過HMAC算法及時對該類型字段的含義進(jìn)行延伸，以此保證數(shù)據(jù)安全性。設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)通信安全數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的字段含義可表示如下：

1）角色I(xiàn)D：只能讀不能寫的監(jiān)視員用0j01 表示；既可以寫也可以讀的操作員用0j02表示；維修管理系統(tǒng)用戶的密碼信息的管理員用0j03表示；監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)安全、修正網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的安全管理員用0j04 表示。只有將該字段填寫為0 后才能進(jìn)行身份驗(yàn)證[9-10]。

2）用戶ID：類似于設(shè)計(jì)系統(tǒng)的工作人員ID，唯一可識別系統(tǒng)用戶的真實(shí)信息。只有將該字段填寫為1 后才能進(jìn)行身份驗(yàn)證。

3）臨時密鑰ID：利用HMAC 算法獲取新的認(rèn)證碼，將臨時密鑰ID 轉(zhuǎn)化為HMAC 認(rèn)證碼，調(diào)節(jié)該字段的ID 號，確保新生成的HMAC 認(rèn)證碼的臨時密鑰ID 能夠包含原始數(shù)據(jù)與管理密鑰ID。即新生成的HMAC 認(rèn)證碼=MD5（管理密鑰ID+原始數(shù)據(jù)）。

4）管理密鑰ID：利用管理密鑰ID 對身份認(rèn)證進(jìn)行識別，或?qū)εR時密鑰ID 進(jìn)行更新，分析傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是否為101 規(guī)約數(shù)據(jù)，是則就將管理密鑰ID 字段自動填寫為0，否則為1[11-12]。

5）同步碼：根據(jù)發(fā)送方將所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包大小以及生成時間轉(zhuǎn)化為同步碼，結(jié)合臨時密鑰ID 與管理密鑰ID 對數(shù)據(jù)訪問進(jìn)行認(rèn)證，有效降低數(shù)據(jù)受到攻擊的概率。

1.4 邏輯發(fā)生器

在完成加密模塊、解密模塊以及通信模塊設(shè)計(jì)后，將需傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行HMAC 計(jì)算處理。為了有效提高數(shù)據(jù)傳輸過程中的安全性，引入Logistic 映射和Chebyshev 映射，避免數(shù)據(jù)傳輸過程中受到偽造消息的攻擊，在混沌映射過程中構(gòu)建仍能隨機(jī)產(chǎn)生序列的邏輯發(fā)生器，處理攻擊者發(fā)出的偽造數(shù)據(jù)，加強(qiáng)邏輯發(fā)生器對攻擊的監(jiān)測和處理力度，達(dá)到保證數(shù)據(jù)傳輸安全性的目的[13-14]。Logistic映射用下述公式表示：

當(dāng)0 ＜Ln＜1 時，構(gòu)建的隨機(jī)數(shù)列邏輯發(fā)生器處于混沌狀態(tài)。而Chebyshev 映射用下述公式表示：

當(dāng)-1 ＜Cn＜1 且y＞2 時，構(gòu)建的隨機(jī)數(shù)列邏輯發(fā)生器處于混沌狀態(tài)，其中y為Chebyshev 映射函數(shù)的階數(shù)。

根據(jù)Logistic 映射和Chebyshev 映射后，構(gòu)建隨機(jī)產(chǎn)生序列的邏輯發(fā)生器，集中處理偽造信息攻擊的參數(shù)，按照不同用戶使用的參數(shù)令HMAC 算法處理不同類型的數(shù)據(jù)，并及時記錄邏輯發(fā)生器處理之后輸出的數(shù)據(jù)。其中邏輯發(fā)生器如圖1 所示。

圖1 邏輯發(fā)生器

觀察圖1 可知，根據(jù)邏輯發(fā)生器處理傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以及加密模塊和解密模塊中使用的密鑰，將其轉(zhuǎn)化為混沌狀態(tài)下的映射參數(shù)，并將迭代之后的數(shù)值反饋到系統(tǒng)，Logistic 映射迭代后的數(shù)值錄入邏輯發(fā)生器中會轉(zhuǎn)化為初始運(yùn)算序列的循環(huán)移位。經(jīng)過一系列的混合運(yùn)算后，分析經(jīng)邏輯發(fā)生器處理后的輸出數(shù)據(jù)，將其作為兩種映射的迭代初值和控制參數(shù)，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)通信安全數(shù)據(jù)運(yùn)輸?shù)陌踩?，保證數(shù)據(jù)完整性，控制外來偽造消息攻擊系統(tǒng)以及避免數(shù)據(jù)在傳輸過程中出現(xiàn)混亂[15]。

2 網(wǎng)絡(luò)通信安全數(shù)據(jù)傳輸程序

基于HMAC 算法設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)通信安全數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，通過加密解密模塊加強(qiáng)信息的安全性，身份認(rèn)證模塊驗(yàn)證身份信息的完整性，邏輯發(fā)生器以及混沌映射擴(kuò)大消息的傳播安全性和不可逆轉(zhuǎn)性，有效防止外來偽造信息的攻擊。HMAC 算法的具體步驟如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)通信安全數(shù)據(jù)傳輸流程

步驟1：利用消息分塊，將任意長度的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為便于傳輸?shù)男畔K，以此實(shí)現(xiàn)信息長度的調(diào)節(jié)。獲取經(jīng)處理后的消息塊，將其劃分為字節(jié)更小的消息組。在分析邏輯函數(shù)過程中，將消息組變?yōu)楦∽止?jié)的二進(jìn)制序列，將Logistic 映射和Chebyshev 映射作為迭代函數(shù)，用于描述迭代算法中的更新過程，加大邏輯取值的靈活范圍。

迭代結(jié)果計(jì)算公式如下：

其中，t(v)為迭代初值；a表示數(shù)據(jù)初始值。

步驟2：利用上一步驟獲得的迭代初值和控制參數(shù)，使用邏輯處理器調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡螖?shù)以及消息塊數(shù)目，最終獲得相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。

監(jiān)測參數(shù)表達(dá)式如下：

式中，m表示傳輸規(guī)律參數(shù)；f表示監(jiān)測點(diǎn)與監(jiān)測線的差值；L表示傳輸參數(shù)；C表示數(shù)據(jù)最大值。

步驟3：輸出經(jīng)邏輯處理器迭代處理后的數(shù)據(jù)，截取其中的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)線性移位后的初始值，確保能令其參與下一次迭代。

步驟4：重復(fù)邏輯處理器中的迭代過程，獲取經(jīng)過幾輪迭代后的消息塊，截取輸出數(shù)據(jù)中的二進(jìn)制序列，計(jì)算二進(jìn)制序列中的兩位十進(jìn)制數(shù)，劃分不同的循環(huán)移位最終輸出兩組序列，即HMAC 算法的序列值，以此獲取消息塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信安全數(shù)據(jù)傳輸[16]。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證基于HMAC 算法的網(wǎng)絡(luò)通信安全數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果，選用傳統(tǒng)的基于數(shù)據(jù)加密的傳輸系統(tǒng)和基于遠(yuǎn)程分析的傳輸系統(tǒng)與所設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比。

設(shè)定傳輸信道如圖3 所示。

圖3 傳輸信道

將ARM 作為實(shí)驗(yàn)環(huán)境，以C 語言為開發(fā)語言，對三種傳輸系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比。將數(shù)據(jù)波動情況作為衡量傳輸過程數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，具體比較結(jié)果如圖4 所示。

圖4 通信數(shù)據(jù)波動情況

三種方法的通信數(shù)據(jù)樣本傳輸情況如表1所示。

表1 通信數(shù)據(jù)樣本傳輸情況

穩(wěn)定性等于成功傳輸過去的數(shù)據(jù)樣本數(shù)量與發(fā)送的數(shù)據(jù)樣本的比率，三種方法的傳輸穩(wěn)定性對比結(jié)果如表2 所示。

表2 傳輸穩(wěn)定性對比結(jié)果

根據(jù)圖4 和表2 可知，基于HMAC 算法的網(wǎng)絡(luò)通信安全數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的傳輸穩(wěn)定性在99%以上，傳輸質(zhì)量較高。該系統(tǒng)的加密模塊、解密模塊、身份認(rèn)證模塊、邏輯發(fā)生器具有獨(dú)立的、完整的功能，提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效率。

同時選用提出的傳輸系統(tǒng)與傳統(tǒng)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比，設(shè)定三次故障侵襲，故障狀態(tài)下傳輸效果如表3 所示。

表3 故障狀態(tài)下傳輸效果

根據(jù)表3 可知，在不同故障狀態(tài)下，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠保證正常通信，具有極好的通信質(zhì)量，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的順利傳輸。

4 結(jié)束語

利用HMAC 算法設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)通信安全數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，以期進(jìn)一步加強(qiáng)信息傳輸?shù)陌踩?。?shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中效果良好，但依舊存在一些不足之處，主要表現(xiàn)在傳統(tǒng)傳輸方式的基礎(chǔ)上加入了臨時密鑰ID 與管理密鑰ID 等，對工作人員的能力要求較高，未來將進(jìn)一步加強(qiáng)這一方面的研究。