CN114938272A - 基于sm2加密算法的船岸数据通信加密装置及方法 - Google Patents

基于sm2加密算法的船岸数据通信加密装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于SM2加密算法的船岸数据通信加密装置及方法，包括船舶信息采集系统、主控MCU、加密模块、通信模块、岸端服务器、和电源模块，通过船舶信息采集系统采集船舶数据并通过加密模块，采用SM2加密算法对船舶数据进行签名并加密；将加密后的数据传输给岸端服务器；岸端服务器对加密后的数据进行验签并解密，完成船岸数据通信的加密。提升数据防篡改性能，保证数据在传输过程中无法被非法篡改，提升了船岸数据通信的安全性与稳定性；确保加密硬件中的密钥和关键参数的安全，预防常见的攻击，实现船岸间安全通信。本发明对软硬件要求不高，成本较低，便于与已有各传输设备结合升级；本发明应用参数可根据实际调整，应用场景广泛。

Description

基于SM2加密算法的船岸数据通信加密装置及方法
技术领域
本发明涉及船岸通信技术领域，具体涉及一种基于SM2加密算法的船岸数据通信加密装置及方法。
技术背景
当前智能船实船运营过程中船岸之间的数据传输越来越大，安全性要求越来越高，为保证舰船网络用户通信访问的安全性，在船岸信息数据传输过程中对其安全性进行控制，保证其传输安全的机密性、完整性。
现有的船岸通信加密算法通常使用AES加密算法，使用AES加密同一个明文得到的密文通常是固定的，以至可以得到一张明文-密文相对应的表，只要明文-密文表足够全面，非法破解者即可以通过明文-密文表破解推算出想要破解的明文，存在明文数据信息泄漏的风险。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提出了一种基于SM2加密算法的船岸数据通信加密装置，用以解决当前的船岸两端数据传输过程中存在精度低、速度慢、安全性能较差以及不能保证很好的防止数据的丢失、防止外部网络安全攻击的问题。
为了实现上述目的，本发明提出了一种基于SM2加密算法的船岸数据通信加密装置，所述船岸数据通信加密装置包括：船舶信息采集系统，用于采集船舶数据并打包传输给主控MCU；主控MCU，用于接收船舶数据，并传输给加密模块；加密模块，用于对船舶数据进行加密，并将加密后的数据传输给所述主控MCU；通信模块，用于连通所述主控MCU和岸端服务器；岸端服务器，用于接收通过所述通信模块传输的主控MCU中的加密数据，并对数据进行解密；电源模块，用于给所述船岸数据通信加密装置供电。
进一步地，所述加密模块采用SM2加密算法对数据进行加密。
更进一步地，所述船岸数据通信加密装置包括北斗定位模块，用于获取船舶的定位信息。
本发明还提出了一种基于SM2加密算法的船岸数据通信加密方法，该通信加密方法采用上述基于SM2加密算法的船岸数据通信加密装置进行。
进一步地，所述一种基于SM2加密算法的船岸数据通信加密方法，包括以下步骤：
步骤S1：船舶信息采集系统采集船舶数据并传输给主控MCU；
步骤S2：所述主控MCU将所述船舶数据传输给加密模块，所述加密模块通过SM2加密算法对所述船舶数据进行签名并加密；
步骤S3：所述加密模块将加密后的数据传输给主控MCU，所述主控MCU通过通信模块将加密后的数据传输给岸端服务器；
步骤S4：所述岸端服务器对加密后的数据进行验签并解密。
更进一步地，步骤S2的具体步骤为
步骤S21：船舶主控MCU与岸端服务器通过通信模块进行通信，按照SM2加密算法，均分别生成公私钥，并交换公钥；
步骤S22：所述加密模块采用所述主控MCU的私钥对船舶数据进行签名；
步骤S23：所述加密模块采用岸端服务器的公钥，按照SM2加密算法对船舶数据进行加密。
更进一步地，步骤S22对船舶数据进行签名的具体步骤为：
步骤S221：对于待签名数据S，计算
Figure BDA0003642893530000021
其中ZA表示用户的杂凑值；
步骤S222：对
Figure BDA0003642893530000031
求取哈希值
Figure BDA0003642893530000032
步骤S223：生成随机数k∈[1,n-1]；
步骤S224：计算椭圆曲线点(x1,y1)＝[k]G，并将x1的数据类型转换为整数，其中[k]G表示椭圆曲线点；
步骤S225：计算r＝(e+x1)mod n，若r＝0或r+k＝n，则返回步骤S223，重新生成随机数k；
步骤S226：计算签名值s＝((1+dA)-1*(k-r*dA))mod n，若s＝0，则返回步骤S223，重新生成随机数k，其中dA为主控MCU的私钥。
更进一步的，步骤S3在数据传输过程中，加入状态码检测，在传输的数据前加上两个字节表示数据的长度。
本发明提出一种基于SM2加密算法的船岸数据通信加密装置及方法，通过SM2加密算法提升数据传输过程中数据安全性，外部难以通过非法手段获取、破解传输数据，防止因为数据泄露造成的船舶安全问题及经济损失；提升数据防篡改性能，保证数据在传输过程中无法被非法篡改，提升了船岸数据通信的安全性与稳定性；采用主控MCU内嵌加密芯片加密的方式，可确保加密硬件中的密钥和关键参数的安全，预防常见的攻击，如冷启动攻击、恶意代码、暴力破解攻击，实现船岸间安全通信。本发明对软硬件要求不高，成本较低，便于与已有各传输设备结合升级；本发明应用参数可根据实际调整，应用场景广泛。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明主控MCU与岸端服务器通信流程示意图。
图3为本发明自拟定周期上传的数据信息协议格式。
图4为本发明签名生成过程。
图5为本发明加密数据传输过程。
图6为本发明主控MCU与岸端服务器网关切换示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本实施例提出一种基于SM2加密算法的船岸数据通信加密装置，其组成如图1所示，包括船舶信息采集系统，用于采集船舶数据打包汇总，并传输主控MCU；主控MCU，接收船舶数据，并通过SPI将船舶数据传输给加密模块。在数据传输前，主控MCU与岸端服务器，通过通信模块进行通信，按照SM2加密算法，分别均生成公私钥，并交换公钥，加密模块采用岸端服务器的公钥进行加密，并采用主控MCU生成的私钥进行签名；数据加密完成后，加密模块通过SPI将加密数据传输给主控MCU，主控MCU通过通信模块将加密数据传输给岸端服务器，岸端服务器对加密数据进行验签，确保数据来源，当数据来源正确后，对数据完成解密，即可对船舶数据进行查看。
上述基于SM2加密算法的船岸数据通信加密装置，还包括北斗定位模块，用于获取船舶的定位信息，并将定位信息传输给岸端服务器，提高通信的精确性。
本实施例还提出了一种基于SM2加密算法的船岸数据通信加密方法，括以下步骤：
步骤S1：船舶信息采集系统采集船舶数据并传输给主控MCU；
步骤S2：所述主控MCU将所述船舶数据传输给加密模块，所述加密模块通过SM2加密算法对所述船舶数据进行签名并加密；
如图2所示，主控MCU与岸端服务器进行通信，通信模块采用EC20模块，通信过程实现如下：MCU通过串口向通信模块发送AT指令，完成对4G网络的配置，首先进行串口初始化，发送指令AT+CPIN，检查SIM状态，当接收到成功指令反馈后，发送AT+CGREG进行注册网络，接入运营商服务，注网成功后发送指令AT+QIOPEN＝<IP_address>，<port>，其中IP_address，port为接收平台服务器的IP地址及端口号，通过IP地址及开设的端口号，连接到所使用的服务器，成功后即可进行无线数据传输，发送传输指令AT+QISEND＝<data_tmp>，其中data_tmp为发送数组，数据形式也可以为字符，随后北斗定位模块开始进行定位，并将定位信息传至服务器，如其中任一环节等待时长超过20s，则判断联网失败，进行重启。
通信建立后，船舶主控MCU和岸端服务器，按照SM2加密算法均分别生成公私钥，并交换公钥。
加密模块首先采用主控MCU的私钥对船舶数据进行签名，如图4所示，船舶数据的签名生成流程如下：
步骤S221：对于待签名数据S，计算
Figure BDA0003642893530000051
其中ZA表示用户的杂凑值；
步骤S222：对
Figure BDA0003642893530000052
求取哈希值
Figure BDA0003642893530000053
步骤S223：生成随机数k∈[1,n-1]；
步骤S224：计算椭圆曲线点(x1,y1)＝[k]G，并将x1的数据类型转换为整数，其中[k]G表示椭圆曲线点；
步骤S225：计算r＝(e+x1)mod n，若r＝0或r+k＝n，则返回步骤S223，重新生成随机数k；
步骤S226：计算签名值s＝((1+dA)-1*(k-r*dA))mod n，若s＝0，则返回步骤S223，重新生成随机数k，其中dA为主控MCU的私钥。
步骤S3：所述加密模块将加密后的数据传输给所述主控MCU，所述主控MCU通过通信模块将加密后的数据传输给岸端服务器；
如图3所示，为本实施例自拟定的上传数据信息的协议格式，在数据传输过程中，加入状态码监测，在输入的命令数据前加两个字节表示命令的长度body_length，如数据在传输的过程中遭受数据截取或数据篡改，将导致岸端服务器制定的Socket协议校验过程不通过，通信模块自动停止发送数据。
如图5所示，将加密后的数据和签名保存后，在应用层采用HTTPS协议封装并对格式进行了定义，通过套接字，端口号为8012,发送到传输层，传输层识别到数据报文后将数据发送给网络层，网络层对数据报文打包时定义了源IP和目标IP，形成数据包后发送到数据链路层，数据链路层定义了源MAC和目的MAC，形成数据帧后在物理层以二进制编码的形式发送出去。
如图6所示，当主控MCU与岸端服务器不处于同一网络时，目的MAC并不是目标MAC，两者之间需要网关进行过渡。此时目的MAC则为当地网络的网关MAC。当数据以广播的形式传输时，所有的岸端服务器都会查看目的MAC地址是否与自己匹配。当本地路由器发现MAC地址匹配时，会在链路层查看目标IP与自己的IP是否相同，如不同，会在路由表中查询是否存在到该IP的路由。如相同，就会重新定义源MAC和目的MAC，并进行封装后发出。若没有匹配成功则发送到接近的网关，继续传输，直到传输到目标岸端服务器。
步骤S4：所述岸端服务器对加密后的数据进行验签并解密，即完成一次加密数据的传输。
最后应说明的是：以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种基于SM2加密算法的船岸数据通信加密装置，其特征在于，所述船岸数据通信加密装置包括：
船舶信息采集系统，用于采集船舶数据并打包传输给主控MCU；
主控MCU，用于接收船舶数据，并传输给加密模块；
加密模块，用于对船舶数据采用SM2加密算法进行加密，并将加密后的数据传输给所述主控MCU；
通信模块，用于连通所述主控MCU和岸端服务器；
岸端服务器，用于接收通过所述通信模块传输的主控MCU中的加密数据，并对数据进行解密；
电源模块，用于给所述船岸数据通信加密装置供电。
2.根据权利要求1所述的一种基于SM2加密算法的船岸数据通信加密装置，其特征在于：所述船岸数据通信加密装置包括北斗定位模块，用于获取船舶的定位信息。
3.一种基于SM2加密算法的船岸数据通信加密方法，其特征在于，所述船岸数据通信加密方法采用如权利要求1或2所述基于SM2加密算法的船岸数据通信加密装置进行。
4.根据权利要求3所述的一种基于SM2加密算法的船岸数据通信加密方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：船舶信息采集系统采集船舶数据并传输给主控MCU；
步骤S2：所述主控MCU将所述船舶数据传输给加密模块，所述加密模块通过SM2加密算法对所述船舶数据进行签名并加密；
步骤S3：所述加密模块将加密后的数据传输给所述主控MCU，所述主控MCU通过通信模块将加密后的数据传输给岸端服务器；
步骤S4：所述岸端服务器对加密后的数据进行验签并解密。
5.根据权利要求4所述的一种基于SM2加密算法的船岸数据通信加密方法，其特征在于：步骤S2的具体步骤为
步骤S21：船舶主控MCU与岸端服务器通过通信模块进行通信，按照SM2加密算法，均分别生成公私钥，并交换公钥；
步骤S23：所述加密模块采用所述主控MCU的私钥对船舶数据进行签名；
步骤S23：所述加密模块采用岸端服务器的公钥，按照SM2加密算法对船舶数据进行加密。
6.根据权利要求5所述的一种基于SM2加密算法的船岸数据通信加密方法，其特征在于：步骤S22对船舶数据进行签名的具体步骤为：
步骤S221：对于待签名数据S，计算
Figure FDA0003642893520000021
其中ZA表示用户的杂凑值；
步骤S222：对
Figure FDA0003642893520000022
求取哈希值
Figure FDA0003642893520000023
步骤S223：生成随机数k∈[1,n-1]；
步骤S224：计算椭圆曲线点(x1,y1)＝[k]G，并将x1的数据类型转换为整数，其中[k]G表示椭圆曲线点；
步骤S225：计算r＝(e+x1)mod n，若r＝0或r+k＝n，则返回步骤S223，重新生成随机数k；
步骤S226：计算签名值s＝((1+dA)-1*(k-r*dA))mod n，若s＝0，则返回步骤S223，重新生成随机数k，其中dA为主控MCU的私钥。
7.根据权利要求4所述的一种基于SM2加密算法的船岸数据通信加密方法，其特征在于：步骤S3在数据传输过程中，加入状态码检测，在传输的数据前加上两个字节表示数据的长度。
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