CN104660615A

CN104660615A - 一种高效数据压缩加密系统

Info

Publication number: CN104660615A
Application number: CN201510116201.2A
Authority: CN
Inventors: 李冰; 杜清; 陈帅; 董乾; 赵霞; 刘勇; 王凡; 张余; 王超凡; 程鹏; 顾巍
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2015-03-17
Filing date: 2015-03-17
Publication date: 2015-05-27

Abstract

本发明公开了一种高效数据压缩加密系统，包括数据输入控制模块、数据缓存模块、压缩加密模块以及数据输出控制模块，所述数据输入控制模块控制接收的数据以及控制信号存储至数据缓存模块中，所述压缩加密模块包括压缩方式控制模块、通用Gzip压缩模块、专用Gzip压缩模块、加密模块以及专用Gzip压缩加密模块。本发明提供了一种将无损压缩和加密有机结合的方法，对普通Gzip压缩算法进行了针对性改进得到专用的Gzip压缩算法；同时，压缩方式控制模块可以根据控制信号在通用Gzip压缩与专用Gzip压缩以及压缩与加密的松耦合模式与紧耦合模式之间的进行选择，有效提高了数据压缩率和数据传输的安全性。

Description

一种高效数据压缩加密系统

技术领域

本发明属于计算机信息安全领域，具体涉及一种高效数据压缩加密系统。

背景技术

随着互联网技术、云计算技术的发展，越来越多的数据需要存储和传输，而这些海量数据的存储和传输成本都非常高，同时在传输时还面临数据被窃取的风险，为了缓解这个问题，通常在数据进行存储和传输前会对数据进行压缩加密处理，经过压缩后的数据不但可以大幅度提高磁盘的有效容量，降低互联网数据中心的成本，同时保证了压缩数据的安全性。

根据现今的密码分析学知识，ECC加密算法被公认是目前已知的公钥密码体制中每bit提供加密强度最高的一种，这就意味着越小的密钥尺寸能产生等价的安全性。与传统的RSA加密算法相比，ECC具有安全性更高、计算量小、处理速度快、寸储空间占用少、带宽要求低等优点。所以在考虑如何压缩后数据传输的安全性问题上，选用了ECC加密算法。

当前，压缩技术可以简单的分为有损压缩和无损压缩，有损压缩多用于视频、音频等领域，无损压缩则具有通用性，可以运用到各个领域。无损压缩是指压缩后的数据进行重构，重构后的数据与原来的数据完全相同。经调研发现，典型的无损压缩算法有LZ77压缩算法、Huffman编码、算术编码等等。Gzip压缩原理则同时应用了LZ77压缩算法和Huffman编码。经过研究发现，由于软件串行执行的特点，Gzip压缩算法的优越性很难发挥出来，因此，有针对性的设计出一种高效数据加密硬件系统可以很好的解决这个问题，为Gzip算法如何在大数据处理环境中兼顾压缩效率和数据安全的问题提供解决方案。

发明内容

本发明针对上述技术问题提出了一种高效数据压缩加密系统。本发明将高效数据压缩与ECC加密算法有机结合起来，可以根据实际情况选择不同的压缩及加密方法来实现数据的压缩与保护，能够应对复杂场合下对大数据的压缩及加密需求。

本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种高效硬件数据加密系统，包括数据输入控制模块、数据缓存模块、压缩加密模块以及数据输出控制模块，所述数据输入控制模块输入数据以及控制信号，并存储在数据缓存模块中，其特征在于：所述压缩加密模块包括压缩方式控制模块、通用Gzip压缩模块、专用Gzip压缩模块、加密模块以及专用Gzip压缩加密模块；

所述压缩方式控制模块从数据缓存模块中读取数据以及控制信号，根据控制信号确定压缩及加密方式并将数据传输给相应的压缩及加密模块；

所述通用Gzip压缩模块接收压缩方式控制模块传输过来的数据，对数据进行通用Gzip压缩后，根据压缩方式控制模块选择的压缩及加密方式输出至加密模块或者数据输出控制模块；

所述专用Gzip压缩模块对通用Gzip压缩模块中的LZ77匹配压缩模块采用3个32k的blockram构成字典，将文件连续读入压缩核，设置了12次或16次回溯次数；所述专用Gzip压缩模块接收压缩方式控制模块传输过来的数据，对数据进行专用Gzip压缩后，输出至加密模块；

所述专用Gzip压缩加密模块，将专用Gzip压缩算法和加密算法进行整合，对压缩方式控制模块传输过来的数据进行专用Gzip压缩，在压缩过程中将敏感数据输出至加密模块并取回加密后的数据；

所述加密模块，用于对压缩后的数据采用加密算法进行加密，将不同压缩模块传输过来的数据进行加密后输出至数据输出控制模块。

所述数据缓存模块，包括3个随机存取存储器(RAM)，每个随机存取存储器的宽度为8字节(Byte)，用于缓存接口传输过来的特定长度的数据同时为压缩模块提供待压缩数据源。

所述压缩方式控制模块，根据输入的控制信号在多种压缩及加密模式之间进行选择，包括通用Gzip压缩无加密模式、通用Gzip压缩松耦合加密模式、专用Gzip压缩松耦合加密模式和专用Gzip压缩紧耦合加密模式。

所述通用Gzip压缩模块包括匹配预处理模块、LZ77匹配压缩模块和Huffman编码模块；匹配预处理模块的控制信号和数据总线与压缩方式控制模块相连，LZ77匹配压缩模块的控制信号和数据总线与匹配预处理模块相连，Huffman编码模块的控制信号和数据总线与LZ77匹配压缩模块相连；

所述匹配预处理模块根据所述数据缓存模块提供的数据来计算哈希值，并将哈希值和匹配后的结果提供给所述LZ77匹配压缩模块；

所述LZ77匹配压缩模块根据哈希值判断是否匹配，并对待压缩的数据采用LZ77方法进行压缩后提供给Huffman编码模块；

所述Huffman编码模块对LZ77匹配压缩模块提供的数据进行编码。所述专用Gzip压缩加密模块包括专用Gzip压缩模块和专用ECC加密模块；专用Gzip压缩模块的控制信号和数据总线与压缩方式控制模块相连，专用ECC加密模块的控制信号和数据总线与专用Gzip压缩模块相连。

所述ECC加密模块包括加密状态机模块和ECC点乘模块；加密状态机模块的控制信号与压缩方式控制模块相连，数据总线与通用/专用Gzip压缩模块相连，ECC点乘模块的控制信号和数据总线与加密状态机相连；

所述加密状态机模块，用于控制ECC点乘模块504对压缩后的数据进行加密处理；所述ECC点乘模块，包括点加倍点状态机模块，坐标逆变换模块，模加、模乘、模平方、模逆模块，按照Montgomery算法用于计算椭圆曲线上点的坐标。

所述数据输出控制模块的数据总线与ECC加密模块/通用Gzip压缩模块相连，将压缩及加密后的数据和压缩方式信号输出至存储端或接收端。

所述ECC解密模块，通用Gzip解压缩模块、专用Gzip解压缩模块和专用Gzip解压缩解密模块，在解压缩系统中的位置安排和控制可根据压缩方式信号呈镜像对称进行布置，为简洁起见，这里不再赘述其技术内容。

本发明提供了一种高效数据压缩加密系统，采用可编程逻辑器件(FPGA)实现Gzip压缩算法和ECC加密算法，对Gzip压缩算法进行了针对性改进，结合ECC加密算法对压缩后的数据进行加密，提供了多种压缩以及加密方式进行选择，系统根据输入信号选择压缩以及加密方式，从而有效提高了大数据压缩的处理效率并确保了存储及传输时的数据安全性。

附图说明

图1示出本发明提供的一种高效数据压缩加密系统中各子模块的连接示意图；

图2示出本发明提供的数据缓存模块的具体实施方式的结构示意图；

图3示出本发明提供的通用Gzip压缩模块的具体实施方式的结构示意图；

图4示出本发明提供的专用Gzip压缩模块的具体实施方式的结构示意图；

图5示出本发明提供的ECC加密模块的具体实施方式的结构示意图；

图6示出本发明提供的一种高效数据压缩加密系统的压缩加密流程图；

图7示出本发明提供的一种高效数据压缩加密系统的解密解压缩流程图；

具体实施方式

下面参照附图用本发明的示例性实施例对本发明进行更全面的描述和说明。

图1示出本发明提供的一种高效数据压缩加密系统的结构示意图。如图1所示，一种高效数据压缩加密系统100包括：数据输入控制模块102、数据缓存模块104、压缩方式控制模块106、通用Gzip压缩模块108、专用Gzip压缩模块110、专用Gzip压缩加密模块112、ECC加密模块114、数据输出控制模块116，压缩方式控制模块、通用Gzip压缩模块、专用Gzip压缩模块、加密模块以及专用Gzip压缩加密模块共同构成压缩加密模块。

其中，数据输入控制模块102，用于控制接口传输过来的数据以及控制信号以数据组包方式分别缓存到数据缓存模块。其中控制信号和需压缩的数据，两者是相互独立的。例如，将接口传输过来的数据以及控制信号组包成8字节，然后将组包后的数据缓存到数据缓存模块。

数据缓存模块104，用于缓存接口传输过来的数据以及控制信号同时为压缩模块提供待压缩数据源。例如，将数据输入控制模块传输过来的8字节数据以及控制信号存储在缓存模块中，当通用/专用Gzip压缩模块发起读请求时将数据传输给通用/专用Gzip压缩模块。

压缩方式控制模块106，用于控制压缩及加密方式的切换选择。从数据缓存模块中读取数据以及控制信号，根据控制信号确定压缩及加密方式并将数据传输给相应的压缩及加密模块。例如，根据使用需求确定该模块的控制信号，选择通用Gzip压缩模式进行压缩。

通用Gzip压缩模块108，接收压缩方式控制模块传输过来的数据，用于对待压缩的数据采用符合协议的Gzip压缩方法进行压缩；例如，采用通用Gzip压缩方法对读取的数据进行压缩。然后将压缩结果根据压缩方式控制模块选择的压缩及加密方式传输至ECC加密模块或数据输出控制模块。

专用Gzip压缩模块110对通用Gzip压缩模块中的LZ77匹配压缩模块采用3个32k的blockram构成字典，将文件连续读入压缩核，设置了12次或16次回溯次数；用于对待压缩的数据采用专用Gzip压缩方法进行压缩；例如，针对通用Gzip压缩方法中的LZ77压缩部分进行改进，然后使用改进后的Gzip压缩方法压缩数据；在进行专用压缩之后，将数据输入到ECC加密模块中进行加密；这两步构成了专用Gzip压缩松耦合ECC加密模式。

专用Gzip压缩加密模块112，将专用Gzip压缩算法和加密算法进行整合，对数据的处理为专用Gzip压缩紧耦合ECC加密模式。其用于对待压缩的数据采用Gzip压缩与ECC加密紧密结合的方法进行压缩加密。例如，在Gzip压缩的步骤中加入ECC加密的处理，在压缩过程中将敏感数据输出至加密模块并取回加密后的数据。专用Gzip压缩紧耦合ECC加密模式与专用Gzip压缩松耦合ECC加密模式相比，因为将压缩加密模块糅合在一起，其安全性能更高，被破解的几率大大减小。

ECC加密模块112，用于对压缩后的数据采用ECC方法进行加密。例如，对经过不同压缩模块处理后的数据采用ECC算法进行加密，然后将加密结果输出至数据输出控制模块。

数据输出控制模块114，用于控制压缩加密后的数据传输至接口，以便接口读取压缩后的数据。例如，控制压缩后的数据以8字节组包的方式传输至接口，方便接口处理数据。

图2示出本发明提供的数据缓存模块的具体实施方式的结构示意图。

如图2所示，数据缓存模块200包括数据包处理模块202、3个宽度为8字节的RAM 2042、RAM 2044、RAM 2046和RAM控制处理模块206。

其中，数据包处理模块202对接收到的数据进行分块处理，处理后依次存储到RAM 2042、RAM 2044和RAM 2046中。

RAM控制处理模块206根据3级流水线的设计，对3个RAM中的数据进行处理。RAM 2042、RAM 2044和RAM 2046按照轮询的方式进行不同操作。

图3示出本发明提供的通用Gzip压缩模块的具体实施方式的结构示意图。

如图3所示，通用Gzip压缩模块300包括匹配预处理模块302、LZ77匹配压缩模块304和Huffman编码模块306。

其中，匹配预处理模块302，用于对待压缩的数据进行匹配处理。例如，根据数据缓存模块提供200的数据来计算哈希值，并将哈希值和匹配后的结果提供给LZ77匹配压缩模块。

LZ77匹配压缩模块304，用于对待压缩的数据采用LZ77算法进行压缩。例如，判断匹配预处理模块302提供的哈希值是否匹配，再对数据进行压缩。

Huffman编码模块306，用于对数据进行Huffman编码及压缩。例如，通过对LZ77匹配压缩模块提供的数据进行编码，并对数据进行进一步的压缩。

图4示出本发明提供的专用Gzip压缩模块的具体实施方式的结构示意图。

如图4所示，专用Gzip压缩模块400包括专用匹配预处理模块402、改进的LZ77匹配压缩模块404和改进的Huffman编码模块406。

对通用Gzip压缩模块中的LZ77匹配压缩模块采用3个32k的blockram构成字典，将文件连续读入压缩核，设置了12次或16次回溯次数。

专用Gzip压缩模块400的内部结构与通用Gzip压缩模块300一致，为简洁起见，这里不再赘述其内部结构。

图5示出本发明提供的ECC加密模块的具体实施方式的结构示意图。

如图5所示，ECC加密模块500包括加密状态机模块502和ECC点乘模块504。

其中，加密状态机模块502，用于控制ECC点乘模块504对压缩后的数据进行加密处理。例如，按照ECC加密算法ECES的步骤向ECC点乘模块504发出点乘计算开始或结束的信号，同时在计算完成后获取点乘运算的结果。

ECC点乘模块504，包括点加倍点状态机模块，坐标逆变换模块，模加、模乘、模平方、模逆模块，按照Montgomery算法用于计算椭圆曲线上点的坐标。例如，已知P点的坐标采用Montgomery算法计算出Q(Q＝kP)点的坐标。

图6示出本发明提供的一种高效数据压缩加密系统的压缩加密流程图。

如图6所示，本发明的高效数据压缩加密系统的压缩加密流程600包括：

步骤602，控制接口传输过来的数据以及控制信号N以特定的方式缓存到数据缓存模块，其中N＝0、1、2、3。例如，将输入的数据组包成8字节长度。

步骤604，数据缓存模块缓存接口传输过来的数据同时为压缩模块提供待压缩数据源。例如，将数据输入控制模块传输过来的8字节存储在缓存模块中，当压缩模块发起读请求时将数据传输给压缩模块。

步骤606，根据输入的控制信号N判定压缩及加密模式，N的四个不同取值分别对应四种不同的压缩及加密方式。例如，N＝0时表示当前选择的是通用Gzip压缩无加密模式，N＝1时表示当前选择的是通用Gzip压缩及加密模式，N＝2时表示当前选择的是专用Gzip压缩并加密模式，即专用Gzip压缩松耦合ECC加密模式，N＝3时则表示当前选择的是专用Gzip压缩紧耦合ECC加密模式。

步骤6082，通用Gzip压缩无加密模式，即对待压缩数据采用通用Gzip压缩方式进行压缩，压缩后不作加密处理，直接输入至数据输出控制模块。

步骤6084，通用Gzip压缩松耦合ECC加密模式，即对待压缩数据采用通用Gzip压缩方式进行压缩，压缩后再作ECC加密处理，并将处理后的数据输入至数据输出控制模块。

步骤6086，专用Gzip压缩松耦合ECC加密模式，即对待压缩数据采用专用Gzip压缩方式进行压缩，压缩后再作ECC加密处理，并将处理后的数据输入至数据输出控制模块。

步骤6088，专用Gzip压缩紧耦合ECC加密模式，即将ECC压缩算法结合到专用Gzip压缩算法中，对待压缩数据进行压缩并加密处理，并将处理后的数据输入至数据输出控制模块。

步骤6010，控制压缩加密后的数据传输至接口，以便接口读取。例如，控制压缩加密后的数据以8字节组包的方式传输至接口，方便接口处理数据。

图7示出本发明提供的一种高效数据压缩加密系统的解密解压缩流程图。

如图7所示，经过本发明高效数据压缩加密系统压缩加密的数据的解密解压缩流程700包括：

步骤702，控制接口传输过来的数据以特定的方式缓存到数据缓存模块。例如，将输入的数据组包成N(N＝8)字节长度。

步骤704，缓存接口传输过来的数据同时为解密模块/解压缩模块提供待解密/解压缩数据源。例如，将数据输入控制模块传输过来的8字节存储在缓存模块中，当解密模块发起读请求时将数据传输给解密模块。

步骤706，根据输入的控制信号N判定解密及解压缩模式。例如，输入的控制信号N＝0时，将数据传输至通用Gzip解压缩模块。

步骤7082，无解密通用Gzip解压缩模式，即不作解密处理，直接对数据采用通用Gzip解压缩方式进行解压。

步骤7084，ECC解密松耦合通用Gzip解压缩模式，即对数据进行ECC算法解密后再采用通用Gzip解压缩方式进行解压。

步骤7086，ECC解密松耦合专用Gzip解压缩模式，即对数据进行ECC算法解密后再采用专用Gzip解压缩方式进行解压。

步骤7088，ECC解密紧耦合专用Gzip解压缩模式，即采用与专用Gzip压缩紧耦合ECC加密相对应的解密解压缩算法对数据进行处理。

步骤7010，控制解密解压缩后的数据传输至接口，以便接口读取。例如，控制压缩加密后的数据以8字节组包的方式传输至接口，方便接口处理数据。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种高效数据压缩加密系统，包括数据输入控制模块、数据缓存模块、压缩加密模块以及数据输出控制模块，所述数据输入控制模块控制接收的数据以及控制信号存储至数据缓存模块中，其特征在于：所述压缩加密模块包括压缩方式控制模块、通用Gzip压缩模块、专用Gzip压缩模块、加密模块以及专用Gzip压缩加密模块；

2.根据权利要求1所述的高效数据压缩加密系统，其特征在于：所述的数据缓存模块包括3个随机存取存储器，每个随机存取存储器的宽度为8字节，所述的数据缓存模块用于缓存接口传输过来的特定长度的数据同时为压缩模块提供待压缩数据源。

3.根据权利要求1所述的高效数据压缩加密系统，其特征在于：所述通用Gzip压缩模块包括匹配预处理模块、LZ77匹配压缩模块和Huffman编码模块；

所述Huffman编码模块对LZ77匹配压缩模块提供的数据进行编码。

4.根据权利要求1所述的高效数据压缩加密系统，其特征在于：所述加密模块为ECC加密模块。

5.根据权利要求4所述的高效数据压缩加密系统，其特征在于：所述ECC加密模块包括加密状态机模块和ECC点乘模块；所述加密状态机模块，用于控制ECC点乘模块504对压缩后的数据进行加密处理；所述ECC点乘模块，包括点加倍点状态机模块，坐标逆变换模块，模加、模乘、模平方、模逆模块，按照Montgomery算法用于计算椭圆曲线上点的坐标。