CN102148798A - 大容量数据包的高效并行安全加解密方法 - Google Patents

大容量数据包的高效并行安全加解密方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大容量数据包的高效并行安全加解密方法，包括步骤：1、服务器获得大容量数据包后，将该数据包切分为固定数量的分块；再将所有数据分块分解为固定体积的数据分片；2、对每个不同的数据分块使用随机生成的对称加密密钥进行加密，加密后一个数据分片时需用到前一个数据分片的加密结果；3、加密完毕后，把所有对称加密密钥和每个数据块的第一个数据分片密文共同存放(称为关键数据)，把每个数据块从第二个数据分片开始的密文共同存放(称为非关键数据)；4、客户端请求大容量数据包时，服务器通过公开信道下发非关键数据，通过安全信道下发关键数据；5、客户端按与加密相反的顺序进行解密。本发明安全性高且传输效率高。

Description

大容量数据包的高效并行安全加解密方法
技术领域
本发明属于计算机应用系统安全领域，尤其涉及一种大容量数据包的高效并行安全加解密方法。
背景技术
现在有越来越多的数据需要在网络上进行安全的传输，特别是一些分布式加解密系统，服务器需要针对每个不同的客户做单独的加密，以便达到“一秘一钥”。众所周知加解密是非常耗费资源的一种计算，如果在一段相对比较短的时间内，大量不同的客户一起向服务器申请大型的加密数据包，这会对服务器造成巨大的压力。
现在流行的对称加密算法，效率较高，但是由于在分布式加解密系统中需要通过网络传递密匙，所以安全性不高。而非对称加解密算法，只需要在网络上传递只能进行加密的公钥，不需要传递可以进行解密的私钥，其安全性相对较高，但是其运算效率非常差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种大容量数据包的高效并行安全加解密方法，该方法既能够利用带宽高的信道传输大量的数据，又能够利用安全性高的信道传输关键数据，分块的加密方法也使得服务器能够以并行的方式提高大容量数据的加密速度。
为解决上述技术问题，本发明一种大容量数据包的高效并行安全加解密方法，包括如下步骤：
(1)服务器获得大容量数据包之后，将该数据包切分为固定数量的分块，除最后一块稍小之外，其它各块体积相同；然后，将所有数据分块分解为固定体积的数据分片，除最后一块之外，其它各块的体积为数据分片体积的整数倍；
(2)对每个不同的数据分块使用随机生成的对称加密密钥进行加密，每个数据分片是对称加密的最小加密单位，对同一个数据块中的数据分片加密时，加密后一个数据分片时需用到前一个数据分片的加密结果；
(3)加密完毕后，把所有对称加密密钥和每个数据块的第一个数据分片密文共同存放，称为关键数据，把每个数据块中除第一个数据分片之外的所有数据分片的密文共同存放，称为非关键数据；
(4)客户端请求大容量数据包时，服务器通过公开的、安全性较低的、传输速度较高的信道下发非关键数据；服务器通过非公开的、安全性较高的信道下发关键数据；
(5)客户端通过不同信道获得关键数据和非关键数据后，按照与加密相反的顺序获得解密后的明文，最终得到完整的解密原始数据。
本发明的有益效果在于：本发明在通过区分关键数据、非关键数据的方法，既能够利用带宽高的信道传输大量的数据，又能够利用安全性高的信道传输关键数据。分块的加密方法也使得服务器能够以并行的方式提高大容量数据的加密速度。
附图说明
图1是本发明原始数据的切分及组合为关键数据和非关键数据的示意图；
图2是本发明大容量数据包的高效并行安全加解密方法的流程示意图。
具体实施方式
如图2所示，本发明大容量数据包的高效并行安全加解密方法，具体包括如下步骤：
(1)服务器获得大容量数据包之后，将该数据包切分为固定数量的分块(见图1，切分为N块数据分块)，除最后一块稍小之外，其它各块体积相同；然后，将所有数据分块分解为固定体积的数据分片(见图1，切分为M片数据分片)，除最后一块之外，其它各块的体积为数据分片体积的整数倍。
对原始数据(大容量数据包)，即明文的划分分为两个层次，较高的层次为数据块，较低的层次为数据片。数据块的数量固定，体积基本相同(除最后一块稍小之外，其它各块体积相同)。数据片的体积总是相同的，具体的体积由对称加密算法决定，该较低层次分片是在较高层次分块之后的再次分片。
(2)对每个不同的数据分块使用随机生成的不同的对称加密密钥进行对称加密，每个数据分片是对称加密的最小加密单位，对同一个数据块中的数据分片加密时，加密后一个数据分片时需用到前一个数据分片的加密结果；
服务器会为每一数据分块单独生成一个彼此无关的对称加密密钥，并用对应的密钥去加密这一数据块内的所有内容。即不同的数据块使用不同的对称加密密钥加密；同一数据块内的数据片，使用相同的对称加密密钥加密，但后一片的加密需参考前一片的加密结果，以确保在同一数据片中丢失任意一片即无法解密随后的数据片。
而较低层次的数据分片，每一片的体积是固定的，具体的体积由对称加密算法决定，例如采用AES加密算法，其加密/解密的最小单位总是16个字节。较低层次的分片，实际上是在较高层次的分块之后的再次分片。按照较低层次进行分片之后逐片加密。本发明使用的加密模式是CBC模式，也就是说数据片链接加密模式。使用AES对称加密算法对数据块内每一个128位的数据分片进行对称加密并生成过程密码对下面的128位明文进行加密。最后128位明文加密之后形成的密钥，为下一个数据分片的初始密钥。这种模式的特点是，只要前一数据片密文数据丢失，那么随后的数据就都无法解密。所以，较低层次的所有数据分片中的第一个数据分片是最重要的，一旦丢失就无法解密所有其他数据分片。如上所述，较高层次分块的数量(块数N)固定，低级层次分片的单位体积固定。所以较高层次分块的块数N乘以较低层次分片的单片体积，就得到了固定体积的关键密文片段。关键密文片段再用对称加密算法加密并通过不同的信道传输，这就是本发明的核心。
(3)加密完毕后，把所有对称加密密钥(见图1中密钥1、密钥2至密钥N)和每个数据块的第一个数据分片(见图1中的数据分片1)密文共同存放，称为关键数据，把每个数据块中除第一个数据分片之外的所有数据分片(见图1中的数据分片2至数据分片M)的密文共同存放，称为非关键数据，见图1；关键数据的体积固定，由于密钥体积、数据块数量、数据片体积都是固定的，不随被加密原始数据的体积变化而变化。每一个数据片都是由AES对称加密的一个加密链构成的，链条的前一节生成后一节的密钥，如果丢掉其中的一个节点，则节点之后的内容将无法解密还原。这个地方将每一个数据分块的第一个AES数据段(第一个数据分片)密文抽出，与所有对称加密密钥共同存放形成独立的关键数据。非关键数据在没有这些节点还原的情况下，是无法被破解的，这样就达到了提高整体数据包安全性的目的。
(4)客户端请求大容量数据包时，服务器通过公开的、安全性较低的、传输速度较高的信道(包括但不限于：HTTP、FTP、bittorrent、讯雷等等)下发非关键数据；服务器通过非公开的、安全性较高的信道(采用HTTPS或其他安全信道)下发关键数据；关键数据通过安全信道传输以提高安全性，非关键数据通过宽带公开信道传输以提高传输效率。例如，非关键数据可以使用HTTP(即超文本传输协议，是HyperText TransferProtocol的缩写)或FTP(FTP是File Transfer Protocol的缩写，即文件传输协议)方式传输，而关键数据则可以采用安全性更高的HTTPS(全称：Hypertext Transfer Protocol over Secure Socket Layer，是以安全为目标的HTTP通道，简单讲是HTTP的安全版)方式传输。特定的客户端只能解开特定的关键数据，还是“一秘一钥”，在安全性上并没有降低。
(5)客户端通过不同信道获得关键数据和非关键数据后，按照与加密相反的顺序获得解密后的明文，最终得到完整的解密原始数据。
解密步骤具体为：将关键数据中每个数据块的第一个数据分片密文组合到非关键数据的各个数据分块中，形成完整的大数据包；然后，使用对称加密密钥对第一个数据分片进行解密，并得到动态密码，依次使用上一个数据分片解密时所得到的动态密码，将所有数据分片解密，得到完整的解密原始数据包。
本方法已经用于大容量，有安全需要的数据分布式传输应用，以及硬件产品的固件版本升级，还可以用于云存储本地客户端的同步。本发明中，加密完全发生于客户端发起请求之前，与客户端无关；所有数据是使用对称加密算法进行加密的，不使用非对称加密算法，这样可以极大的降低服务器的运算负荷。每一个客户端申请到的数据皆不相同。对称加密的部分即使有个别数据片被破解，整体数据包也还是安全的。

Claims (9)

1.一种大容量数据包的高效并行安全加解密方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)服务器获得大容量数据包之后，将该数据包切分为固定数量的分块，除最后一块稍小之外，其它各块体积相同；然后，将所有数据分块分解为固定体积的数据分片，除最后一块之外，其它各块的体积为数据分片体积的整数倍；
(2)对每个不同的数据分块使用随机生成的对称加密密钥进行加密，每个数据分片是对称加密的最小加密单位，对同一个数据块中的数据分片加密时，加密后一个数据分片时需用到前一个数据分片的加密结果；
(3)加密完毕后，把所有对称加密密钥和每个数据块的第一个数据分片密文共同存放，称为关键数据，把每个数据块中除第一个数据分片之外的所有数据分片的密文共同存放，称为非关键数据；
(4)客户端请求大容量数据包时，服务器通过公开的、安全性较低的、传输速度较高的信道下发非关键数据；服务器通过非公开的、安全性较高的信道下发关键数据；
(5)客户端通过不同信道获得关键数据和非关键数据后，按照与加密相反的顺序获得解密后的明文，最终得到完整的解密原始数据。
2.如权利要求1所述的大容量数据包的高效并行安全加解密方法，其特征在于，步骤(1)中，所述数据分片每一片的体积是固定的，具体的体积由对称加密算法决定。
3.如权利要求1所述的大容量数据包的高效并行安全加解密方法，其特征在于，步骤(2)中，所述不同的数据分块使用不同的对称加密密钥进行加密，同一数据块内的数据分片，使用相同的对称加密密钥进行加密。
4.如权利要求1所述的大容量数据包的高效并行安全加解密方法，其特征在于，步骤(2)中，使用AES对称加密算法对数据块内每一个128位的数据分片进行对称加密并生成过程密码对下面的128位明文进行加密，最后128位明文加密之后形成的密钥，为下一个数据分片的初始密钥。
5.如权利要求1或4所述的大容量数据包的高效并行安全加解密方法，其特征在于，步骤(2)中，所述对称加密采用数据片链接加密模式，每一个数据片都是由对称加密的一个加密链构成的，链条的前一节生成后一节的密钥。
6.如权利要求1所述的大容量数据包的高效并行安全加解密方法，其特征在于，步骤(3)中，所述关键数据的体积固定，由于对称加密密钥体积、数据块数量、数据片体积都是固定的，该关键数据的体积不随被加密原始数据的体积变化而变化。
7.如权利要求1所述的大容量数据包的高效并行安全加解密方法，其特征在于，步骤(3)中，所述每个数据块的第一个数据分片密文指每个数据块的第一个AES数据段。
8.如权利要求1所述的大容量数据包的高效并行安全加解密方法，其特征在于，步骤(4)中，所述非关键数据采用的传输信道包括HTTP、FTP、bittorrent和讯雷；所述关键数据采用的传输信道包括HTTPS和其他安全信道；特定的客户端只能解开特定的关键数据。
9.如权利要求1所述的大容量数据包的高效并行安全加解密方法，其特征在于，步骤(5)中，解密步骤具体为：将关键数据中每个数据块的第一个数据分片密文组合到非关键数据的各个数据分块中，形成完整的大数据包；然后，使用对称加密密钥对第一个数据分片进行解密，并得到动态密码，依次使用上一个数据分片解密时所得到的动态密码，将所有数据分片解密，得到完整的解密原始数据包。
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