CN105846993A - 一种工业监控浮点数据压缩加密算法 - Google Patents

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CN105846993A CN201610158400.4A CN201610158400A CN105846993A CN 105846993 A CN105846993 A CN 105846993A CN 201610158400 A CN201610158400 A CN 201610158400A CN 105846993 A CN105846993 A CN 105846993A
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Abstract

本发明公开了一种工业监控浮点数据压缩加密算法，所述算法主要包括浮点数的压缩与加密两大模块；所述算法是通过对监控数据一般形式的数据域进行压缩加密操作；所述算法中压缩算法改进自FPC(科学计算浮点数压缩算法)，使其更加适应工业监控数据的特点；所述算法中加密算法改进自AES加密算法，对其轮函数进行改进使其能够二次压缩并实现加密；所述算法中压缩算法只对数据值部分进行压缩操作，而加密算法只对压缩后的部分重要数据以及数据类型+数据地址部分(下面称为定义部分)进行加密操作；所述算法的应用场景是易造成传输延迟及极易监听的GPRS传输网络。整个压缩加密的算法流程图如图1所示。

Description

一种工业监控浮点数据压缩加密算法
技术领域
本发明涉及一种压缩加密算法，特别是一种工业监控浮点数据压缩加密算法。
背景技术
近年来，随着工业规模的不断扩大，工业技术的不断发展以及自动化水平的不断提高，工业监控从传统的现场监控发展到了远程监控模式。对于工业远程监控系统而言，其数据传输的可靠性、实时性和网络覆盖范围的灵活性是评价其性能的主要指标。GPRS无线网络以其覆盖范围广、实时在线、按量计算等优点，在工业远程监控中比其他有线和无线方式的传输网络应用更加广泛。但GPRS的网络存在传输速率不高且安全性差等缺陷，传输大量数据时会造成系统传输延迟，明文传输易被监听。
在各行业远程监控系统中，为高效利用GPRS网络有限的通讯通道完成数据的传输，研究人员提出了适用于多种数据形式通用无损压缩方法及有损压缩方法，通用无损压缩方法有基于Huffman编码技术的方法，解决了如GPS数据、记录数据等数据的压缩传输问题；基于LZW的数据压缩算法，通过建立快速字典查找方法，减少文本数据及电能数据的压缩时间，提升传输效率。有损压缩方法有基于小波变换与LZW等算法的结合方法，能够快速压缩监测的电能和震动数据的波形文件。工业监控数据的精度要求使得有损压缩是不适合的，只能以无损压缩实现压缩传输，然而通用的无损压缩算法由于忽略浮点数本身的特性及监控数据间的关系，在工业监控数据的无损压缩上无法取得很好的效果。
为避免明文传输所带来的安全问题，研究人员在结合无线网络传输的环境下，提出了各种解决方法，最流行的是使用对称密码算法与非对称密码算法相结合的形式来对传输数据进行加密，具体而言就是使用对称加密算法对传输数据进行加密，而对称加密算法的密钥由非对称加密算法加密传输，既避免了数据的明文传输又避免了密钥的明文传输，且对称加密算法的加密速度远比非对称加密算法要快，所以这种加密方式兼顾了加密的安全与效率。但是这种方式往往没有将所加密数据的特点运用起来，只是一味地全部加密，造成时间和空间上的浪费。
发明内容
本发明的主要目的在于，解决工业监控数据在GPRS网络传输时所存在的延迟及安全问题。在研究了工业浮点数据本身的特性以及在传输时的组织形式(数据定义+数据值)，通过改进科学计算浮点数压缩算法(下面称为FPC)作为工业监控浮点数据中数据值的压缩算法， 通过改进AES算法作为一部分重要压缩结果与数据定义部分的加密算法，提出一种工业监控浮点数据压缩加密算法，该算法可以完成一次加密及两次压缩，且二次压缩是融合在加密算法中，使得保证传输安全的前提下大大减少了传输时间。
本发明的另一目的在于，提供一种针对工业监控浮点数据一般传输数据域的压缩后进行加密时依然可以进行二次加密的方法，该方法不会增加加密的额外时间与空间的花销并可以无形中提高了压缩率。
本发明的实现步骤为：
S1：解析原工业监控浮点数据的传输数据组织形式，将数据域找出并分为数据定义及浮
点数据值部分存储。
S2：取出数据值部分进行数据压缩操作。具体步骤包括：
S201：判断是否为初次压缩，若是则进行S202步骤，否则进行S203步骤；
S202：初始化各预测器后直接作为传输数据；
S203：依次取出数据值部分工业监控浮点数据；
S204：取出各预测器的预测值；
S205：对比各预测器值与原值的异或值大小；
S206：取出异或值最小的预测器编号以及异或值进行编码，编码规则为预测器编号+
异或值先导0的个数作为一个字节(n-c串)编码，异或值中的剩余字节作为另一部分
存储；
S207：将编码值放入缓存；
S208：判断是否为最后一个数据，若是则进行步骤S301，否则进行步骤S203；
S3：将待加密的数据进行加密操作。具体步骤包括：
S301：使用AES的扩展密钥算法进行密钥扩展；
S302：原密钥的前4字节右移一位后作为区间编码的区间上限；
S303：取出需加密的数据：n-c串部分与数据定义部分；
S304：使用区间编码作为轮函数进行第一轮AES加密；
S305：将一轮加密后的数据进行16字节分组；
S306：进行6轮AES轮函数加密；
S307：更新数据域后作为传输数据；
如图1所示，压缩算法针对的是数据域中的数据值部分，其定义部分依然放在原处，所提到的预测器有FCM(有限上下文预测器)、DFCM(有限差分上下文预测器)、时间序列预测器及一阶指数平滑预测器，其中对首值运用时间序列预测其他值使用一阶指数平滑预测器。图中改进FPC算法的结构变化如图2所示，考虑时间线上的规律，在原有预测器的基础上加入时间序列预测器，由于时间线上的值变化幅度较小，这里的时间序列预测器直接使用前一采样点的真实值作为下一采样点的预测值；为避免规律覆盖问题，将待压缩数据按物理意义分块，使用不同的预测表存储预测规律；为避免逆过程预测，各块首值不通过FPC预测而使用一阶指数平滑法预测，其公式如式1所示，st表示对t+1时刻的预测值，yt表示t时刻的真实值，a表示平滑系数，本文取a为0.7。
st＝ayt+(1-a)st-1 (1)
压缩完成后需要进行加密操作，加密算法针对的是压缩后产生的n-c(预测器编号-剩余字节个数)串部分与原数据域的定义部分，改进的AES算法结构如图3所示，可以看出不同点有两点：第一点是原来的第一次轮密钥加变为对整个明文数据的区间编码，密钥用来改变区间编码的初始区间的上限；第二点是轮数由原来的10轮变为6轮，这样做的好处是降低加密时间，但缺陷也很明显，就是安全程度降低，但是运用两种轮函数在一定程度上缓解了此缺陷。本发明算法的解压缩与解密过程均为压缩与加密过程的逆过程。
本发明具有明显的有益效果。借由上述技术方案，本发明一种工业监控浮点数据压缩加密算法的优点是，能够解决工业监控数据在GPRS网络传输时所存在的延迟及安全问题。且提供一种针对工业监控浮点数据一般传输数据域的压缩后进行加密时依然可以进行二次压缩的方法，该方法在不增加加密的额外时间与空间的花销并无形中提高了压缩率。在使用的实用性及成本效益上，确实完全符合产业发展所需，相当具有产业利用价值。
附图说明
图1压缩加密算法流程图。
图2 FPC算法改进结构图。
图3 AES算法改进结构图。
图4具体实施案例说明图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本方面的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
实施例
请参阅图4所示，图中显示的是该算法的一个应用场景，即数据采集设备在采集完以PLC为控制器的工业现场的工业监控浮点数据后通过GPRS网络上传至远程服务器，然后相关人员可以通过网页来访问服务器以查看监控的数据。本发明在该实施例的具体实施步骤为：
(1)解析原工业监控浮点数据的传输数据组织形式，将数据域找出并分为数据定义及浮点数据值部分存储，且对数据值部分根据物理意义进行分块存储。
(2)取出数据值部分进行数据压缩操作。具体步骤包括：
步骤1：判断是否为初次压缩，若是则进行步骤2，否则进行步骤3；
步骤2：初始化各预测器后直接作为传输数据，对FCM以及DFCM预测器的初始化是运用HASH索引值生成方法依次用真实值填充各预测器的预测表，对时间序列预测器的初始化是用各真实值作为时间预测器的各预测值的初始值，对一阶指数平滑预测器的初始化是将分块后的每块首值用真实值得块首值赋值。可以看出因为是用真实值来初始化的各预测器，所以不能有预测器再预测现在的真实值，所以该真实值只能用于初始化而不能压缩；
步骤3：依次取出数据值部分的工业监控浮点数据；
步骤4：取出各预测器的预测值；
步骤5：将各预测值与原值进行异或操作，对比各预测器值与原值的异或值大小；
步骤6：取出异或值最小的预测器编号以及异或值进行编码，编码规则为预测器编号+异或值先导0的个数作为一个字节(n-c串)编码，异或值中的剩余字节作为另一部分存储；
步骤7：将编码值放入缓存；
步骤8：判断是否为最后一个数据，若是则进行加密操作，否则进行步骤3；
(3)将待加密的数据进行加密操作。具体步骤包括：
步骤1：使用AES的扩展密钥算法进行密钥扩展；
步骤2：原密钥的前4字节右移一位后作为区间编码的区间上限；
步骤3：取出需加密的数据：n-c串部分与数据定义部分；
步骤4：使用区间编码作为轮函数进行第一轮AES加密；
步骤5：将一轮加密后的数据进行16字节分组；
步骤6：进行6轮AES轮函数加密；
步骤7：更新数据域后作为传输数据；
在具体实施时还需要注意第一次压缩时初始化数据以及AES算法密钥的传输安全问题，在实施时需要使用公钥密码算法对这些数据进行加密传输，既保证了压缩加密传输的效率，又保证了整个加密系统的安全。
通过上述具体实施例，本发明的一种工业监控浮点数据压缩加密算法，在保证了压缩率的前提下使得数据传输更加安全，并且压缩与加密的时间的数量级相比于数据传输时间的数量级而言可以忽略不计，即大大提高了传输效率。该算法较好的解决了GPRS网络传输的延迟与安全问题。
上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于所述具体实施方式。

Claims (5)

1.本发明旨在解决大数量的工业浮点监控数据在GPRS网络上传输时出现的传输延迟及安全问题。在研究了工业浮点数据本身的特性以及在传输时的组织形式(数据定义+数据值)，通过改进科学计算浮点数压缩算法(下面称为FPC)作为工业监控浮点数据中数据值的压缩算法，通过改进AES算法作为一部分重要压缩结果与数据定义部分的加密算法，提出一种工业监控浮点数据压缩加密算法，该算法可以完成一次加密及两次压缩，且二次压缩是融合在加密算法中，使得保证传输安全的前提下大大减少了传输时间。
2.根据权利要求1所述的一种工业监控浮点数据压缩加密算法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：解析原工业监控浮点数据的传输数据组织形式，将数据域找出并分为数据定义及浮点数据值部分存储。
S2：取出数据值部分进行数据压缩操作。具体步骤包括：
S201：判断是否为初次压缩，若是则进行S202步骤，否则进行S203步骤；
S202：初始化各预测器后直接作为传输数据；
S203：依次取出数据值部分工业监控浮点数据；
S204：取出各预测器的预测值；
S205：对比各预测器值与原值的异或值大小；
S206：取出异或值最小的预测器编号以及异或值进行编码；
S207：将编码值放入缓存；
S208：判断是否为最后一个数据，若是则进行步骤S301，否则进行步骤S203；
S3：将待加密的数据进行加密操作。具体步骤包括：
S301：使用AES的扩展密钥算法进行密钥扩展；
S302：原密钥的前4字节右移一位后作为区间编码的区间上限；
S303：取出需加密的数据；
S304：使用区间编码作为轮函数进行第一轮AES加密；
S305：将一轮加密后的数据进行16字节分组；
S306：进行6轮AES轮函数加密；
S307：更新数据域后作为传输数据。
3.根据权利要求1所述工业监控浮点数据压缩加密算法，其特征在于压缩加密算法中压 缩算法改进自FPC算法，主要对FPC算法的预测器结构进行了改进，使其能够适应工业监控数据的特点，从而大大提高了压缩率且降低了压缩时间。
4.根据权利要求1所述工业监控浮点数据压缩加密算法，其特征在于压缩加密算法中加密算法改进自AES加密算法，主要对其轮函数结构进行改进，使其在完成加密的同时实现二次压缩功能。
5.根据权利要求1所述工业监控浮点数据压缩加密算法，其特征在于压缩算法只对数据域中浮点数数据值部分进行压缩操作，加密算法只对压缩后的关键数据以及定义部分进行加密，加密算法同时完成二次压缩操作，使得压缩与加密有机融合，即提高了压缩效率、压缩率又增加了传输的安全性。
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