CN110098937A - 一种基于时间戳的数据块关联加密算法 - Google Patents

一种基于时间戳的数据块关联加密算法 Download PDF

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Abstract

本发明属于数据通讯技术领域，具体涉及一种基于时间戳的数据块关联加密算法，通过在数据的发送端和接收端增加硬件编解码器件，采用地址映射技术对发送数据块进行变换，采用计算CRC和时间戳的方式对数据和时间戳特征进行隐藏，采用秘钥的方法对数据添加加密字段，然后发送。该数据流在接收端被解码，利用时间戳的连续特征，判断数据通讯的安全性。本发明采用的替换，计算CRC，秘钥和时间戳相结合的方法，计算简单，系统资源消耗少，计算方法非常适合采用可编程器件(FPGA)实现，计算速度快，插入延迟小，适合于大数据量连续实时通信场景的数据安全传输。

Description

一种基于时间戳的数据块关联加密算法
技术领域
本发明属于数据通讯技术领域，具体涉及一种基于时间戳的数据块关联加密算法。
背景技术
目前在进行数据传输时，通行的数据认证方法是针对数据块的部分或全部内容，采用数据变换或附加信息的方法对数据进行处理和标记，使其必须通过某种规则进行还原来实现。而区块链技术的出现，则给出了一种数据块之间基于时间顺序关联的认证方法。
上述两种数据认证方法的优点是保证了数据传输的真实性和安全性，然而他们又各有自身的局限性。前者只针对某一个数据块本身，缺少对数据块之间关联关系的关注；后者由于数据块关系算法的复杂，致使数据处理时间过长，难以在实时通讯过程中应用。实时视频通讯具有数据流量大、关联度高、实时性强的特点，传统加密算法难以对其进行实时加密和关联，考虑传输数据的真实性和安全性问题，急需一种对于传输大量连续视频数据的关联加密算法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于时间戳的数据块关联加密算法，用以解决现有技术中的实时视频通讯过程中视频数据的真实性和安全性等问题。
为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案，一种基于时间戳的数据块关联加密算法，包括以下步骤：
步骤1：数据发送端和数据接收端进行共同约定，数据发送端根据共同约定计算解密秘钥计算算子M并将M传递给数据接收端，数据接收端根据共同约定计算加密秘钥计算算子N并将N传递给数据发送端；
步骤2：数据发送端接收到N后计算加密秘钥，数据接收端接收到M后计算解密秘钥；
步骤3：数据发送端对数据区中的一个数据块添加发送时间戳T，并计算该数据块和时间戳的CRC得到S-CRC，将加密秘钥和S-CRC相加组成加密字段E；
步骤4：数据发送端根据收发双方共同约定的替换表对数据区中的数据块进行替换，将替换后的数据块和加密字段E组合成当前加密数据帧发送至数据接收端；
步骤5：数据接收端接收当前加密数据帧，得到当前加密数据帧的加密字段E和替换后的数据块，根据收发双方共同约定的替换表对当前加密数据帧中替换后的数据块进行还原；
步骤6：数据接收端将还原后的数据块分别和当前S-CRC对应的时间戳以及当前最大允许丢包范围内的时间戳组进行CRC计算，得到R-CRC字段池，将R-CRC字段池中的所有R-CRC与解密秘钥Q相加得到解密字段组；
步骤7：数据接收端令当前加密数据帧的加密字段E分别与步骤6得到的解密字段组进行比较，若解密字段组存在一个解密字段与当前加密数据帧的加密字段E结果相等，则更新当前加密数据帧的时间戳为结果相等的解密字段的R-CRC对应的时间戳，然后返回步骤3，对数据发送端的数据区进行判断，若数据区中数据块不为空，则处理数据区中的下一个数据块，并对S- CRC+1，若数据区中数据块为空，则停止发送，结束；
若解密字段组不存在任何一个解密字段与当前加密数据帧的加密字段E 结果相等，则报通信异常，停止接收，结束。
进一步的，步骤1中所述共同约定表示为：
数据加密方和解密方共同约定素数A和自然数B，A和B均满足大于28-1，且A<B2，加密方生成一个随机自然数X且X＞1，解密方生成一个随机自然数 Y且Y＞1。
进一步的，步骤2中所述加密秘钥Q＝NX％A，所述解密秘钥Q’＝MY％A，且Q＝Q’。
进一步的，步骤3中计算CRC时，计算方法包括如下步骤：
a.预置一个16位的寄存器，初始值为0xffff；
b.将待发送的数据与16位寄存器的低8位进行异或操作，得到的结果替换原寄存器低8位，高8位不变；
c.将16位寄存器的值右移，最高位补0，如果移出位为1，则将16位寄存器与特征值为0x8021的多项式X16+X15+X5+1对应值进行异或，异或时多项式的值需要进行倒向，即0x8401，如果移出位为0，不进行操作；重复步骤c直到低8位全部处理完成，最终的寄存器中值就是计算得到的CRC值。
进一步的，步骤6中时间戳为T，当前时间戳的最大允许丢包范围内的时间戳组为T+1、T+2….T+i-1，得到包括i个R-CRC的字段池为R-CRCT,R- CRCT+1…R-CRCT+i-1。
本发明与现有技术相比具有以下技术特点:
(1)本发明通过在数据的发送端和接收端增加硬件编解码器件，采用地址映射技术对发送数据块进行变换，采用计算CRC和时间戳的方式对数据和时间戳特征进行隐藏，采用秘钥的方法对数据添加加密字段，然后发送。该数据流在接收端被解码，利用时间戳的连续特征，判断数据通讯的安全性。本发明解决的核心技术问题是大数据量实时数据通讯过程中数据块之间的相互认证问题。
(2)相对于传统加密方法，本发明采用的替换，计算CRC，秘钥和时间戳相结合的方法，计算简单，系统资源消耗少，计算方法非常适合采用可编程器件(FPGA)实现，计算速度快，插入延迟小，适合于大数据量连续实时通信场景的数据安全传输。
(3)相比较于常用加密算法，只是对单个数据通信内容进行加密，各数据帧之间独立，无法反映数据之间的关联关系，无法保证数据的完整性，本发明中对于每个数据帧添加相互关联的时间戳，保证数据传输的可靠性和完整性。
附图说明
图1表示本发明中加密和解密流程图；
图2表示公安监控系统应用示意图。
具体实施方式
一种基于时间戳的数据块关联加密算法，所述时间戳即为计数值的一种形式，用于数据间的关联，包括以下步骤：
步骤1：数据发送端和数据接收端进行共同约定，数据发送端根据共同约定计算解密秘钥计算算子M并将M传递给数据接收端，数据接收端根据共同约定计算加密秘钥计算算子N并将N传递给数据发送端；
步骤2：数据发送端接收到N后计算加密秘钥，数据接收端接收到M后计算解密秘钥；
步骤3：数据发送端对数据区中的数据块添加发送时间戳T，并计算该数据块和时间戳的CRC得到S-CRC，将加密秘钥和S-CRC相加组成加密字段E；
步骤4：数据发送端根据收发双方共同约定的替换表对数据区中的数据块进行替换，将替换后的数据块和加密字段E组合成当前加密数据帧发送至数据接收端；
步骤5：数据接收端接收当前加密数据帧，得到当前加密数据帧的加密字段E和替换后的数据块，根据收发双方共同约定的替换表对当前加密数据帧中替换后的数据块进行还原；
步骤6：数据接收端将还原后的数据块分别和当前S-CRC对应的时间戳以及当前最大允许丢包范围内的时间戳组进行CRC计算，得到R-CRC字段池，将R-CRC字段池中的所有R-CRC与解密秘钥Q相加得到解密字段组；
步骤7：数据接收端令当前加密数据帧的加密字段E分别与步骤6得到的解密字段组进行比较，若解密字段组存在一个解密字段与当前加密数据帧的加密字段E结果相等，则更新当前加密数据帧的时间戳为结果相等的解密字段的R-CRC对应的时间戳，然后返回步骤3，对数据发送端的数据区进行判断，若数据区中数据块不为空，则处理数据区中的下一个数据块，并对S- CRC+1，若数据区中数据块为空，则停止发送，结束；
若解密字段组不存在任何一个解密字段与当前加密数据帧的加密字段E 结果相等，则报通信异常，停止接收，结束。
安全通信的要求有三个，机密性，完整性，身份验证性。本发明适用于大数据量实时传输的应用环境，如公安视频监控系统。
机密性是指传输的数据不能被不合法的截取，或者截取的数据无法使用。在公安视频监控系统中，分布在城市各个角落的视频采集前端采集的数据通过网络进行回传，在前端很容易被不法分子截取，造成视频数据泄露。本发明中，通信原始数据以字节为单位进行替换，并且在原始数据后加上加密字段，破坏原有数据的内容和特征，使不法分子即使获取传输的数据也难以破解和还原。
完整性是指系统能够防止或者检测出对数据内容的改变。在公安视频监控系统中，视频按照标准格式进行传输，该格式往往是公开的，如H265或者 H264，如果不对视频进行加密，则可以通过篡改数据的方式对内容进行修改。采用本算法对视频数据进行替换，如果加入没有加密的数据帧，在解密时按照替换矩阵进行替换后，数据将变得不可用。其次，在加密字段中增加时间戳，保证了数据帧之间的关联关系，违法插入的数据帧将会被检测出并被丢弃。
身份验证性是指传输双方的身份是明晰的，用以保证信息来源的真实性。监控视频数据通过替换和秘钥加时间戳加密，在传输的数据块之间产生关联关系，使觊觎者无法插入非法数据。
本发明中所采用的三种加密方法：替换，计算CRC，秘钥加时间戳实现简单，对软硬件的要求低，软件或者硬件实现不要增加过多的处理延时，并且经济成本较低，在大数据量通信场景下优势明显。
在本发明中，秘钥的传递采取暗码的方式进行传送，加密方和解密方在通信通道上传递的是解密秘钥计算算子M和加密秘钥计算算子N，要生成最终的加密和解密秘钥需要经过较为复杂的计算，在仅知道M和N的情况下要破解出秘钥Q困难极大。再者，在通信过程中通过周期性的改变M和N，定期的更换秘钥，使破解更为困难。
具体的，步骤1中所述共同约定是指在设备设计和生产过程中固化在程序中，不可以改变，或者通信双方按照相同的规则改变。为了提高破解难度， A和B不能取的过小；共同约定表示为，数据加密方和解密方共同约定一个素数A和自然数B，A和B均满足大于28-1，且A<B2，加密方生成一个随机自然数X且X＞1，解密方生成一个随机自然数Y且Y＞1。
具体的，所述加密秘钥Q＝NX％A，所述解密秘钥Q’＝MY％A，且 Q＝Q’，％为求余运算。加密方通过解密方传送的加密秘钥计算算子M结合本地的随机自然数X计算出加密秘钥Q，解密方通过加密方传送的解密秘钥计算算子N计算出解密秘钥Q’，加密和解密秘钥的计算需要对方发送的算子才可以得到。这样做的目的是加密和解密方的秘钥可以改变，而且秘钥是以暗码的形式传递，增加安全性。
具体的，所述时间戳T为32位，且能用来表示加密数据帧之间的顺序关系。
优选的，步骤3中计算CRC时，采用以字节为单位按照特征值为0x8021 的多项式X16+X15+X5+1的计算方法，步骤如下：
a.预置一个16位的寄存器，初始值为0xffff。
b.将待发送的数据与16位寄存器的低8位进行异或操作，得到的结果替换原寄存器低8位，高8位不变。
c.将16位寄存器的值右移，最高位补0，如果移出位为1，则将16位寄存器与多项式对应值进行异或，异或时多项式的值需要进行倒向，即0x8401，如果移出位为0，不进行操作。重复步骤c直到低8位全部处理完成。最终的寄存器中值就是CRC值。
优选的，以数据0x9c为例，计算过程如下：
CRC寄存器1111111111111111
发送数据0000000010011100
相异或
CRC寄存器1111111101100011
右移一位01111111101100011
移出位为1，与多项式对应值异或
CRC寄存器1111101110110000
右移五位0000011111011101 1
与多项式值异或
CRC寄存器1000001111011100
右移两位0010000011110111
0x20f7即为0x9c的计算结果。
重复b，c步骤，直到所有字节数据全部计算完成。
优选的，数据替换表应当随机生成，如下表所示，若使用有规律的矩阵则存在被破解的风险，替换表在设备设计和生产时固化在设备中。
为了防止破解，替换表格随机生成，没有规律。
具体的，步骤6中时间戳为T，当前时间戳的最大允许丢包范围内的时间戳组为T+1、T+2….T+i-1，得到包括i个R-CRC的字段池为R-CRCT,R- CRCT+1…R-CRCT+i-1，收到数据块时间戳在这个范围内的都认为是正常数据，否则报通讯故障。
实施例
公安视频监控系统中，视频采集前端和控制中心之间采用公用或者专用网络传输，为方便描述，靠近视频发送端的加密解密器称为加密器，靠近视频接收端的加密解密器称为解密器。加密器与视频源连接的网络端口称为端口A，与公共网络连接的端口称为端口B，解密器与公共网络连接的端口称为端口B，与局域网连接的端口称为端口A。
视频采集前端采集的数据经过UDP包的方式传送给服务器端，UDP包格式如表1所示。在本应用例中，加密/解密设备采用本发明中的算法进行加密和解密。为了不影响数据包在网络中的正常传输，加密和解密只针对UDP数据包的数据部分进行，如表1所示。
源端口号 目的端口号 总长度 校验和 数据
表1UDP数据包格式
网络初始化时，网络两端的加密器和解密器通过UDP数据包传送秘钥算子M和N，双方加密解密器经过运算得到秘钥Q。加密器的端口A接收来自视频采集前端的数据，对其数据部分和当前时间戳T合并进行CRC计算，同时对数据以字节为单位进行替换。CRC计算完成后与秘钥Q进行求和运算(舍掉进位)，得到加密字段E(32bit)。由于对数据部分进行了改变，因此需要重新计算原UDP数据包中的总长度和校验和字段。计算完成后组成新的UDP 数据包通过端口B发送到网络上。
经过加密的数据包经过网络传输后到达解密器的B端口，B端口接收到数据帧后，截取数据部分并对其除最后32bit外进行替换还原，并计算CRC，该CRC计算完成后继续与当前时间戳T，T+1…T+9(设最大允许丢包数量为9) 计算出10个CRC值，CRC多项式为X16+X15+X5+1。CRC结果分别加上秘钥Q，然后与数据帧末尾32bit进行比较。如果与其中某一个相等，则数据帧有效，将替换完成的帧内容重新计算UDP字段中的长度和CRC，组成新的UDP包并通过A端口发送。

Claims (5)

1.一种基于时间戳的数据块关联加密算法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：数据发送端和数据接收端进行共同约定，数据发送端根据共同约定计算解密秘钥计算算子M并将M传递给数据接收端，数据接收端根据共同约定计算加密秘钥计算算子N并将N传递给数据发送端；
步骤2：数据发送端接收到N后计算加密秘钥，数据接收端接收到M后计算解密秘钥；
步骤3：数据发送端对数据区中的一个数据块添加发送时间戳T，并计算该数据块和时间戳的CRC得到S-CRC，将加密秘钥和S-CRC相加组成加密字段E；
步骤4：数据发送端根据收发双方共同约定的替换表对数据区中的数据块进行替换，将替换后的数据块和加密字段E组合成当前加密数据帧发送至数据接收端；
步骤5：数据接收端接收当前加密数据帧，得到当前加密数据帧的加密字段E和替换后的数据块，根据收发双方共同约定的替换表对当前加密数据帧中替换后的数据块进行还原；
步骤6：数据接收端将还原后的数据块分别和当前S-CRC对应的时间戳以及当前最大允许丢包范围内的时间戳组进行CRC计算，得到R-CRC字段池，将R-CRC字段池中的所有R-CRC与解密秘钥Q相加得到解密字段组；
步骤7：数据接收端令当前加密数据帧的加密字段E分别与步骤6得到的解密字段组进行比较，若解密字段组存在一个解密字段与当前加密数据帧的加密字段E结果相等，则更新当前加密数据帧的时间戳为结果相等的解密字段的R-CRC对应的时间戳，然后返回步骤3，对数据发送端的数据区进行判断，若数据区中数据块不为空，则处理数据区中的下一个数据块，并对S-CRC+1，若数据区中数据块为空，则停止发送，结束；
若解密字段组不存在任何一个解密字段与当前加密数据帧的加密字段E结果相等，则报通信异常，停止接收，结束。
2.如权利要求1所述的基于时间戳的数据块关联加密算法，其特征在于，步骤1中所述共同约定表示为：
数据加密方和解密方共同约定素数A和自然数B，A和B均满足大于28-1，且A<B2，加密方生成一个随机自然数X且X＞1，解密方生成一个随机自然数Y且Y＞1。
3.如权利要求2所述的基于时间戳的数据块关联加密算法，其特征在于，步骤2中所述加密秘钥Q＝NX％A，所述解密秘钥Q’＝MY％A，且Q＝Q’。
4.如权利要求1所述的基于时间戳的数据块关联加密算法，其特征在于，步骤3中计算CRC时，计算方法包括如下步骤：
a.预置一个16位的寄存器，初始值为0xffff；
b.将待发送的数据与16位寄存器的低8位进行异或操作，得到的结果替换原寄存器低8位，高8位不变；
c.将16位寄存器的值右移，最高位补0，如果移出位为1，则将16位寄存器与特征值为0x8021的多项式X16+X15+X5+1对应值进行异或，异或时多项式的值需要进行倒向，即0x8401，如果移出位为0，不进行操作；重复步骤c直到低8位全部处理完成，最终的寄存器中值就是计算得到的CRC值。
5.如权利要求1所述的基于时间戳的数据块关联加密算法，其特征在于，步骤6中时间戳为T，当前时间戳的最大允许丢包范围内的时间戳组为T+1、T+2….T+i-1，得到包括i个R-CRC的字段池为R-CRCT,R-CRCT+1…R-CRCT+i-1。
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