基于區塊鏈技術的港口通信數據加密傳輸方法

肖恒一，陳昭義，李明杰

（湖北郵電規劃設計有限公司，湖北 武漢 430023）

0 引 言

隨著大數據時代的到來，傳輸數據的總量在不斷增加，海量數據在云端的頻繁交流使得數據傳輸鏈路的荷載不斷加重。在此環境下，數據傳輸的安全問題仍存在進一步研討的空間[1]。數據的海量交互對數據傳輸過程中的響應和調度能力都提出了更高要求[2]。現有的數據傳輸系統利用PID元件記錄信息的傳輸速率，再借助逆變器和載波器等綜合約束各級信息傳輸模塊，但這種方法需要的響應時間較長，傳輸效率受限較大[3,4]。針對這一問題，區塊鏈技術是一種有效且可行的措施[5]。其對數據傳輸的約束較小，且不會對傳輸鏈路造成額外負擔，是保障數據傳輸安全的重要方式[6]。

基于此，本文提出基于區塊鏈技術的港口通信數據加密傳輸方法，通過區塊鏈技術控制數據傳輸，提高數據的安全性。

1 基于區塊鏈技術的數據加密傳輸方法

1.1 構建數據通信網絡模型

在傳輸港口通信數據前，先采用區塊鏈技術建立區塊鏈，對數據加密傳輸的整體網絡進行全面管理，使港口數據在獨立的服務器中呈廣泛分布狀態，隨后在此基礎上完成數據的上傳、下載或更新任務[7]。實際網絡的拓撲結構主要有星型、樹形以及網狀等，本文利用Overlay結構建立數據通信網絡模型，連接區塊鏈中的各個區塊，保留區塊鏈一的般性[8]。設Overlay結構下的區塊鏈寬度為D，則有：

式中，i(x, y)表示數據通信網絡傳輸鏈中的主區塊，x與y分別表示主區塊中的橫、縱坐標，I表示所有區塊的集合，I1表示存活區塊的集合，Is表示空閑區塊的集合。

在實際數據傳輸過程中，區塊間歇性地向主區塊發送信息。假設Ic表示數據通信網絡模型，以傳輸鏈路的中心為節點，區塊之間的連接為：

式中，λ表示鄰居區塊。設λ值為n，此時其鄰居區塊為n+1和n-1，將n與n+1或n-1與n代入式（2）可得到連續存在的兩個區塊信息，從而實現多個數據傳輸區塊的連接[9]。

1.2 區塊加密

基于上述模型，在區塊鏈技術的支持下為數據傳輸區塊鏈的連接添加密鑰，實現安全的數據傳輸。根據區塊鏈的組成，本文采用RSA非對稱加密算法完成加密，以此增加解密密鑰的長度，提高破解密鑰的難度，確保加密的可靠性。

基于港口通信數據傳輸區塊鏈建立算法基礎，適應區塊鏈中待傳輸數據可能存在的所有正確傳輸路徑，且傳輸數據每次經過不同區塊時，其內容都保持高度的獨立性和不可逆性，每個數據只能從發送端指向接收端，這樣不但可以避免數據交叉，有效降低發生信息擁堵行為的概率，還能縮短網絡相鄰區塊之間的距離，降低傳輸時間，間接提高傳輸安全性[10]。設f0為待傳輸數據信息的暗文，f1為待傳輸數據信息的明文，a表示數據傳輸經過的區塊下限，b表示數據傳輸經過的區塊上限，綜合上述參數可建立單向數據傳輸區塊加密函數：

式中，Δf表示單位時間內傳輸密鑰區塊的信息變化量，e表示數據轉化量。以此實現基于統一密鑰的區塊加密，確保數據傳輸的安全性。

1.3 通信數據加密傳輸

在數據傳輸區塊鏈中，由于各接口之間的精確度不同，信號的接收與發送之間容易發生頻差，導致數據在傳輸過程中出現泄漏或丟失，影響數據傳輸的安全性。因此，本文在數據傳輸過程中同步發送端與接收端的數據，并以此作為數據傳輸的基礎。

利用相對運動時間內數據傳輸信號在區塊之間的相位差對頻差進行估計。在港口通信數據加密傳輸時統一發送端和接收端的數據信號，以數據信號的頻差為基礎，輸出頻率補償，從而保障傳輸過程的安全性。數據傳輸過程中相鄰的兩個區塊存在相對運動，設Q表示通信數據在區塊間傳遞時的頻率補償值，則有：

式中，g表示中心區塊的載波頻點，t表示數據信號在多個區塊間相對運動的時間，α表示信號在區塊間的入射夾角。以此計算出港口通信數據加密傳輸過程的頻率補償值，實現信號載波同步條件下的通信數據加密傳輸。數據加密整體傳輸流程如圖1所示。

圖1 港口通信數據加密傳輸流程

2 對比實驗分析

為驗證本文提出的基于區塊鏈技術的港口通信數據加密傳輸方法的性能，設計對比試驗。將本文研究方法設置為試驗組，將文獻[5]提出的結合時間戳的指紋密鑰數據加解密傳輸方案和文獻[6]提出的基于RAHRM的電表數據安全采集傳輸方法作為對照組，驗證3種方法下通信網絡數據加密傳輸的安全性。

2.1 實驗準備

試驗設備包括1個主機箱、1個射頻通道板、1頻譜儀個、1個數字信號處理板、1個射頻功放以及若干連接天線，信息傳輸通道包括3個發送通道和5個接收通道。通過頻譜儀標定接收端信號，通過功率示波器測量同步時延情況。

2.2 實驗結果

2.2.1 鏈路誤比特率測試

將射頻功放發送的信號通過射頻通道板和數字信號處理板傳輸至通信網絡數據傳輸模型，對比發送信號和接收到的信號，完成3種方法的誤比特率測試，測試結果如圖2所示。

圖2 不同傳輸方法下的誤比特率

由圖2可知，隨著信噪比的增加，3種方法的誤比特率均呈下降趨勢，但基于區塊鏈技術的港口通信數據加密傳輸方法的誤比特率下降趨勢明顯大于文獻[5]和文獻[6]方法。在信噪比為10 dB時停止試驗，文獻[5]和文獻[6]方法的誤比特率均為0.000 72%，本文方法的誤比特率為0.000 027%，明顯低于另外兩種方法。本文方法通過加密數據傳輸區塊，并在傳輸過程中進行傳輸頻率補償，有效提高了數據包傳輸的可靠性。

2.2.2 丟包率測試

基于上述試驗環境分別測試不同信噪比下3種數據傳輸方法的丟包率，結果如表1所示。

表1 數據丟包率對比表

由表1可知，本文方法的丟包率始終低于另外兩種方法，基本穩定在0.010%以內，具有較強的穩定性。該方法通過區塊鏈技術對數據傳輸過程進行連接，降低外界攻擊和干擾的影響，提高了數據傳輸的可靠性和完整性。

3 結 論

隨著大數據時代的到來，互聯網數據傳輸已經成為一種主要的信息傳輸方式，其不受空間限制，在港口通信中具有重要的應用價值。在此環境下，保證通信數據的安全傳輸成為計算機領域研究的重點。本文將區塊鏈技術引入到數據傳輸過程中，保障了數據傳輸的安全性，有效降低了數據傳輸過程中的誤比特率和丟包率，具有一定的參考價值。在之后的研究中，相關人員可深入研究數據傳輸的鏈路選擇，在提高數據安全性的同時提高傳輸效率。