基于AES和ECC融合技術(shù)的信息傳輸智慧加密研究

doi：10.3969/j.issn.1001-5922.2024.02.046

摘 要：目前常規(guī)的電子通信信息傳輸加密方法主要通過對數(shù)據(jù)序列進行編碼處理從而實現(xiàn)加密傳輸，由于所用的加密密鑰保密度較低，導(dǎo)致加密效果不佳，對此，提出基于AES和ECC混合的電子通信信息傳輸自動加密方法。結(jié)合直覺模糊集合，對通信環(huán)境進行判斷，通過構(gòu)建哈夫曼樹，對數(shù)據(jù)進行壓縮處理。基于預(yù)期吞吐描述反饋結(jié)果，選取最大吞吐量所對應(yīng)的傳輸路徑作為最優(yōu)路徑。并對AES算法中的密鑰進行編碼加密處理，采用圈變換操作對通信數(shù)據(jù)進行加密處理，并對提出的方法進行了加密效果的檢驗。結(jié)果表明，采用提出的方法對電子通信信息傳輸進行加密處理，密文差異較大，具備較為理想的加密效果。

關(guān)鍵詞：電子通信；加密算法；對稱加密

中圖分類號：TN918.4" " " "文獻標(biāo)志碼：A" " " "文章編號：1001-5922（2024）02-0175-04

Research on intelligent encryption of information transmission based on AES and ECC fusion technology

WANG Chenxi

（Jinshan College， Fujian A amp; F University， Fuzhou 461000，China）

Abstract：At present， the conventional encryption method of electronic communication information transmission mainly realizes encrypted transmission by encoding data sequences， which results in poor encryption effect due to the low density preservation of the encryption key used， in this regard， an automatic encryption method based on the mixture of AES and ECC was proposed for electronic communication information transmission. The communication environment was judged by combining the intuitionistic fuzzy set， and then the data was compressed by constructing the Huffman tree. Based on the expected throughput description feedback results， the transmission path corresponding to the maximum throughput was selected as the optimal path. And the key in the AES algorithm was encoded and encrypted， and then the circle transformation operation was used to encrypt the communication data，and the encryption effect of the proposed method was tested. The final test results showed that when the proposed method was used to encrypt the electronic communication information transmission， the ciphertext difference was large， and it possessed a more desirable encryption effect.

Key words：electronic communication; encryption algorithms; symmetric encryption

近年來，關(guān)于電子通信信息傳輸加密方法的研究取得了顯著的進展，在智能加密策略方面取得了重大突破。這些策略能夠根據(jù)數(shù)據(jù)類型、通信信道特性以及用戶身份驗證等動態(tài)調(diào)整加密算法和參數(shù)，從而提高加密的靈活性和適應(yīng)性。例如，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和數(shù)據(jù)特征動態(tài)生成密鑰，在接收端使用相同的密鑰對數(shù)據(jù)進行解密，恢復(fù)原始數(shù)據(jù)^[1]。將數(shù)據(jù)分成若干組，每組數(shù)據(jù)進行獨立加密后再傳輸，研究表明，該方法能夠有效地防止數(shù)據(jù)在傳輸過程中被竊取或篡改^[2]。將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)調(diào)制到光信號上，然后利用混沌光譜相位對光信號進行編碼，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)加密處理^[3]。利用SMS4-BSK算法對數(shù)據(jù)進行加密，通過驗證機制確保數(shù)據(jù)的完整性和真實性。常規(guī)的數(shù)據(jù)加密算法主要通過標(biāo)量乘運算對數(shù)據(jù)進行加密，而這種運算方式占據(jù)了加密算法80%以上的計算時間，從而導(dǎo)致加密效率不夠理想^[4]。

AES作為被廣泛應(yīng)用的對稱加密標(biāo)準(zhǔn)，其安全性已被多次驗證。然而，隨著計算能力的提升和密碼分析技術(shù)的發(fā)展，AES的安全性可能面臨新的挑戰(zhàn)。與此同時，橢圓曲線密碼學(xué)（ECC）作為一種非對稱加密方法，具有密鑰短、加密強度高等優(yōu)點，逐漸受到人們的關(guān)注。將AES和ECC結(jié)合，不僅可以利用AES在數(shù)據(jù)加密上的優(yōu)勢，還可以借助ECC在公鑰加密和數(shù)字簽名上的能力，為電子通信信息傳輸提供更加全面和高效的安全保障。

本文通過將AES以及ECC算法進行融合，對加密標(biāo)量乘的窗口大小進行計算，從而降低加密算法的復(fù)雜性，從而提高電子通信信息傳輸加密算法的運行速度，既能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C密性，又能增強數(shù)據(jù)的完整性和可驗證性^[5]。

1"基于AES和ECC融合的信息傳輸智慧加密

1.1"電子通信信息傳輸環(huán)境識別與信息壓縮處理

對于式（1）中任意的電子通信信息網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境的識別因素，均可以通過直覺模糊集合得到對應(yīng)的識別結(jié)果，從而對傳輸電子通信信息的傳輸環(huán)境進行有效判斷^[7]。常規(guī)的信息數(shù)據(jù)壓縮方式一般包括2種：無損壓縮和有損壓縮，二者的區(qū)別在于壓縮后能否還原原始的數(shù)據(jù)，其中有損壓縮在還原后存在一定的數(shù)據(jù)損耗。考慮到電子通信信息的傳輸質(zhì)量，本文選擇對電子信息數(shù)據(jù)進行無損壓縮處理^[8]。通過構(gòu)建哈夫曼樹，對信息節(jié)點對應(yīng)的權(quán)值參數(shù)Q進行編碼處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮。對此本文構(gòu)建出的哈夫曼樹表達式：

QLD=Q₁D₁+Q₂D₂+…+Q_nD_n（2）

式中：L代表符號概率參數(shù)；D代表在電子通信信息環(huán)境下，不同通信節(jié)點之間的距離參數(shù)。根據(jù)上述構(gòu)建出的哈夫曼樹，對樹中存儲的電子信息數(shù)據(jù)進行初始化處理，然后以符號概率為基礎(chǔ)，針對不同樹節(jié)點下的通信信息對應(yīng)的符號進行排序處理，并將排序結(jié)果作為編碼結(jié)果，對不同節(jié)點下的信息數(shù)據(jù)進行編碼，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮處理^[9]。

1.2"電子通信信息傳輸動態(tài)路徑選取

假設(shè)電子通信平臺中共存在n條外層信息傳輸路徑，這些傳輸路徑所對應(yīng)的信息傳輸時延以及丟包率分別為T_k和p_k，那么通過選取每條傳輸路徑中的擁塞窗口，可以對通信狀態(tài)集合S進行描述，具體表達式：

S={（cw₁，…，cw_n）|cw_k∈［1，W_k］}（3）

式中：cw_k代表傳輸路徑的擁塞窗口；W_k代表傳輸路徑的最大傳輸窗口^[10]。在n條外層信息傳輸路徑中，共存在2n-1種路徑選取策略a_m，假設(shè)每條路徑選取策略下所包含的通信路徑集合為R_m=1，2，…，2ⁿ-1，那么可以結(jié)合單條路徑通信吞吐量的需求，對傳輸路徑進行如下約束：

針對上述計算出的預(yù)期吞吐描述反饋結(jié)果，選取最大吞吐量所對應(yīng)的傳輸路徑作為最優(yōu)路徑，即可完成對于電子通信信息傳輸動態(tài)路徑的有效選取，為后續(xù)的傳輸自動加密方法提供可靠幫助^[12]。

1.3"基于AES和ECC融合的通信信息加密

本文通過采用AES算法對電子通信信息進行加密，并結(jié)合ECC算法對AES密鑰進行加密，從而提高通信信息傳輸?shù)陌踩砸约氨Ｃ苄浴Ｊ紫柔槍CC加密AES密鑰的步驟進行設(shè)計，假設(shè)ECC算法的公開密鑰為K，該密鑰會產(chǎn)生一個隨機的整數(shù)r，那么對橢圓曲線E_p（a，b）進行獲取，該橢圓曲線上的基點為G。在ECC加密算法中，明文m即可代表AES算法中的加密密鑰，那么通過對隨機整數(shù)r進行編碼，可以計算出加密標(biāo)量乘的窗口大小，具體編碼公式：

式中：C₁和C₂分別代表橢圓曲線上的2個點，通過這2個點可以對AES算法的密鑰進行加密以及解密處理；M代表明文m對應(yīng)的編碼結(jié)果。采用AES算法對電子信息數(shù)據(jù)進行加密處理，設(shè)定密鑰長度為16個字節(jié)長度，并采用圈變換對數(shù)據(jù)進行加密。圈變換主要包括ShiftRow變換以及MixColumn變換處理，本文采用MixColumn變換對電子通信信息數(shù)據(jù)進行加密處理，具體變換操作表達式：

b（x）=a（x）（modx_i）（11）

式中：b（x）代表變換加密狀態(tài)中的列元素；a（x）代表固定多項式；x_i代表AES算法的原始明文數(shù)據(jù)。本文設(shè)定圈變換的運算次數(shù)為10次，對電子通信信信息傳輸數(shù)據(jù)進行10次圈變換操作，得到加密后的密文數(shù)據(jù)^[14]。

采用ECC算法對加密標(biāo)量乘的窗口大小進行計算，對AES算法中的密鑰進行編碼加密處理，然后采用AES算法中的圈變換操作對通信數(shù)據(jù)進行加密處理，從而實現(xiàn)電子通信信息傳輸?shù)淖詣蛹用堋⒈竟?jié)方法與上述提到的傳輸環(huán)境識別以及傳輸路徑選取等相關(guān)內(nèi)容進行結(jié)合，至此，基于AES和ECC混合的電子通信信息傳輸自動加密方法設(shè)計完成^[15]。

2"實驗論證

2.1"實驗說明

為驗證本文提出的基于AES和ECC混合的電子通信信息傳輸自動加密方法在實際加密效果方面的優(yōu)越性，本次實驗選取了2組常規(guī)的電子通信信息傳輸加密方法作為對比對象，分別為基于特征選擇的電子通信信息傳輸加密方法以及基于遺傳編碼的電子通信信息傳輸加密方法。通過構(gòu)建實驗平臺，采用3種加密方法對同一組通信數(shù)據(jù)進行加密處理，對比不同方法的實際加密效果。

2.2"實驗對象

本實驗所用的電子通信信息數(shù)據(jù)庫采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，通過多張表格來存儲不同類型的數(shù)據(jù)。分別包括用戶信息表、通信記錄表、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)表、設(shè)備信息表以及用戶行為表等。該數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)來源于多個渠道，包括公開的政府?dāng)?shù)據(jù)、企業(yè)報告、學(xué)術(shù)研究、市場調(diào)查等。本文通過數(shù)據(jù)抓取、API接口以及合作伙伴提供等方式獲取原始數(shù)據(jù)。每個數(shù)據(jù)表包含不同的字段，如時間戳、通信雙方信息、通信內(nèi)容、通信時長等。數(shù)據(jù)庫采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（RDBMS），如MySQL、PostgreSQL等，確保數(shù)據(jù)存儲的穩(wěn)定性和安全性。數(shù)據(jù)表的設(shè)計遵循規(guī)范化原則，以減少數(shù)據(jù)冗余和提高數(shù)據(jù)一致性。數(shù)據(jù)庫表的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。

在實驗過程中，由于通信信息傳輸信號會存在不穩(wěn)定的情況，因此為減少外界因素對實驗結(jié)果產(chǎn)生的不利影響，本次實驗針對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行分類，并按照實驗要求對其賦予不同位數(shù)的密鑰，具體密鑰分配情況如表2所示。

在本文算法中，設(shè)信息節(jié)點對應(yīng)的權(quán)值參數(shù)Q值為0.25，傳輸路徑的最大傳輸窗口W_k為1.42，通信窗口尺寸cwⁱ_k為0.71，前導(dǎo)系數(shù)s_i為0.48，基數(shù)鏈尺寸為0.012，通過采用上述參數(shù)設(shè)定，結(jié)合本文算法對數(shù)據(jù)進行加密處理，并對比不同方法下的實際加密效果。

2.3"加密性能對比

采用本文方法對電子通信信息數(shù)據(jù)進行加密處理后，數(shù)據(jù)的ASCII分布圖如圖1所示。

由圖1可知，采用本文提出的方法對電子通信信息數(shù)據(jù)進行加密后，數(shù)據(jù)ASSCII分布較為平均，說明加密后的數(shù)據(jù)熵值較高，具備較好的加密效果。

為了提高實驗結(jié)果的可靠性，本次實驗以不同加密方法的密文差作為對比指標(biāo)，密文差異越大，代表算法的密鑰敏感性越高，具體實驗結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，在針對相同的電子通信信息數(shù)據(jù)進行加密處理時，不同加密方法的實際加密效果也有所不同。通過對比不同方法的密文差異可以看出，本文提出的基于AES和ECC混合的電子通信信息傳輸自動加密方法的密鑰敏感性更高，密文差異更大，由此證明本文方法的加密效果更好。

3"結(jié)語

通過結(jié)合AES對稱加密和ECC非對稱加密的優(yōu)點，本文方法能夠提供更高級別的安全性保障。同時，該方法還具有自動化程度高、兼容性強、性能優(yōu)化、動態(tài)調(diào)整等創(chuàng)新點，能夠根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)的類型和安全性需求，智能地進行加密和解密。盡管該方法已經(jīng)取得了顯著的研究進展，但仍存在一些挑戰(zhàn)和問題需要進一步研究和探索。例如，如何進一步提高加密算法的效率和安全性，如何實現(xiàn)更加智能化地動態(tài)調(diào)整，如何滿足不同場景下的多樣化需求等。

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收稿日期：2023-09-08；修回日期：2023-12-06

作者簡介：王晨溪（1999-），男，本科，研究方向：電子信息工程；E-mail：562030251@qq.com。

引文格式：王晨溪.基于AES和ECC融合技術(shù)的信息傳輸智慧加密研究[J].粘接，2024，51（2）：175-178.