基于云計算技術的通信信道數據加密技術研究

劉 瑜，秦 月，申乃芝，曹曉微，張 玉

（國網天津市電力公司城東供電分公司，天津 300250）

0 引 言

隨著云計算的廣泛應用，越來越多的關鍵數據被上傳到云端存儲和處理，這使得云計算環境的數據安全問題日益突出。特別是通信信道中的數據安全問題更為嚴峻，因為這些數據極易受到中間人攻擊，導致數據泄露。為保障云計算環境通信數據的機密性和完整性，通信信道數據加密技術的研究顯得尤為重要。文章在分析云計算技術和通信信道數據加密技術的基礎上，提出一種基于云計算環境的通信信道數據加密技術方案。該方案主要從加密算法選擇、密鑰管理、云環境安全加固以及加密性能平衡等多個層面展開技術研究與分析。通過實驗分析和結果討論，論證所提出方案的有效性，為云環境通信信道的數據安全保障提供切實可行的技術手段。

1 技術基礎

1.1 云計算技術

云計算技術的核心構筑于先進的虛擬化技術基礎之上，它巧妙地集成了廣泛分布且多樣的計算資源，實現了對這些資源的動態、靈活配置與按需供給。這一理念的關鍵在于將原本獨立的計算能力、存儲容量以及網絡帶寬這3 個信息技術（Information Technology，IT）基礎設施支柱轉化為一種彈性、高可用的服務模式，使得用戶能夠隨需所取，便捷高效地調動所需資源。云計算服務平臺運用精巧的資源調度算法，在極短的時間內能夠在成千上萬臺物理服務器集群中管理和遷移數十萬個虛擬機實例，從而確保整體服務性能表現卓越[1]。不僅如此，平臺還結合了智能的負載預測模型，預先設計并優化虛擬機部署方案，能夠針對業務高峰期主動出擊，通過任務拆分和資源無縫擴展策略來應對瞬時增長的需求，確保服務連續穩定，不受峰值流量影響。同時，為了強化系統的堅韌性與可靠性，云計算技術采用了多重冗余機制和先進的容錯技術。例如，采用的數據保護措施，即使在單個硬件節點失效的情況下也能保障數據的完整無損；而虛擬機快照功能則賦予了系統回滾至特定狀態的能力，能迅速從異常狀況中恢復常態運作。綜上所述，云計算技術不僅體現在其對計算與存儲功能的高度虛擬化，還包括了智能化與自動化管理、強大的橫向與縱向擴展性，以及卓越的高可靠性設計等多個層面。這些特質共同構成了一個堅實的基礎架構，有力支撐起諸如通信信道數據加密與解密等復雜運算任務的安全高效執行。

1.2 通信信道數據加密技術

通信信道數據加密技術通過數學算法，將明文轉換為密文，防止無授權的第三方獲得通信數據。其中，對稱加密算法利用單鑰加密和解密，運算效率高但密鑰分發和管理復雜；公開密鑰加密算法使用雙鑰，公鑰用于加密，私鑰用于解密，簡化密鑰分發但運算復雜度較高。為平衡效率與安全性，通常將對稱加密與公開密鑰加密相結合，例如使用高級加密標準（Advanced Encryption Standard，AES）對會話密鑰加密，再用會話密鑰加密通信數據[2]。除算法外，其他安全機制也至關重要，如散列函數保證數據完整性，數字簽名防止身份偽造。總體而言，通信信道數據加密技術需要考量加密強度、性能開銷、可管理性等指標，在云計算環境中，還需考慮虛擬化層網絡的安全性、多租戶資源隔離等問題。只有正確配置和優化這些技術，才能構建高效安全的云上加密通信系統。

2 基于云計算技術的通信信道數據加密技術

2.1 加密算法選擇與優化

鑒于AES 算法的高安全性與性能，選擇AES 作為通信數據對稱加密算法。但由于云計算環境并發請求量大，AES 直接加密無法滿足性能需求。此外，采用流加密模式，即密碼反饋模式，其通過前一個密文塊反饋來隱藏當前明文模式，即使單塊被破解也難以破譯后續數據。同時，采納AES-NI 指令集擴展來提高運算效率，并通過AVX2 指令實現256 位數據的并行處理能力。在編譯過程中，優化級別被設定為O3（高級優化），以全面激活所有速度優化功能，確保加密運算的快速執行[3]。實驗結果顯示，優化后的AES在2.4 GHz 處理器上可達到8.5 GB/s 的吞吐率，滿足千兆網卡飽和傳輸的加密需求。該技術還通過密鑰更新與輪換技術增強算法抗破解能力，并構建基于AES算法的混合加密機制，即數據包頭與重要控制信息采用RSA 算法加密，數據體采用AES 算法加密，實現安全性與效率的最佳平衡。

2.2 密鑰管理與分發

本研究構建了一套面向云環境的分層密鑰管理體系。在公有云上，架設可信第三方密鑰管理平臺，通過硬件安全模塊存儲根密鑰，并動態生成RSA 公私鑰對。公鑰下發至租戶管理平臺，而私鑰存儲于硬件安全模塊中。租戶管理平臺根據訪問控制策略，下發會話密鑰與用戶。具體而言，采用2 048 位RSA 算法對128 位會話密鑰加密，配送至在線用戶，有效期為當前會話。用戶取得會話密鑰后，通信雙方利用AES 對話密鑰協商與更新協議建立安全通道。此外，本體系引入區塊鏈技術去中心化保存密鑰版本管理與關鍵操作日志，保證不可篡改。多方計算技術用于斷電前密鑰分片摧毀，避免密鑰泄露。整體上看，該分層密鑰體系充分利用云計算的可擴展與分布特性，協同硬件安全模塊構建高強度密鑰保護網，適應云計算環境的通信安全與性能需求。

2.3 云計算環境的安全性加固

為增強云計算環境通信數據傳輸的保密性與完整性，本研究從云平臺和虛擬化層兩個方面進行架構優化與安全加固。在物理服務器端，采用可信平臺模塊（Trusted Platform Module，TPM）與基本輸入/輸出系統（Basic Input/Output System，BIOS）級Root of Trust 技術，檢測虛擬機監控程序、虛擬機監視器（Virtual Machine Monitor，VMM）與硬件固件的完整性，阻止非授權修改與運行。在虛擬機內部，嵌入高速硬件密碼模塊，為通信應用提供硬件輔助的加密與解密、會話密鑰保護與用戶身份鑒別功能。同時，引入ARM Trust Zone 技術在物理服務器上構建可信執行環境，使云管理組件運行其中，增強對虛擬層活動的監控與控制能力[4]。此外，本方案設計實時態勢感知模型被動監測虛擬機與物理機運行狀態，有效檢測潛在的旁路攻擊，其數學表達為

式中：MencryptedFlow和MdecryptedFlow分別表示入站和出站流量的實時監控值；MTSSL和MRPMC分別表示密文傳輸鏈路狀態和敏感資源使用狀況的監測指標；α、β、γ和δ表示權重系數。該模型全面反映云平臺運行安全狀態，為保障云上安全通信奠定堅實基礎。

2.4 加密性能與效率的平衡

為實現云計算環境大規模并發加密通信所面臨的高性能與高效率雙重需求，本研究著眼于算法優化與虛擬化層優化2 個關鍵方面展開技術攻關。在算法方面，通過引入512 位單指令多數據（Single Instruction Multiple Data，SIMD）向量處理器與基于ThreeFish 分組密碼結構的優化思路，成功將AES-256 位算法的并行解密吞吐率提高至16.2 Gb/s，滿足100 GE 網絡接口的實時編碼需求；同時，針對RSA 算法中計算瓶頸的快速冪取余運算，采用隨機抽樣、預計算、存儲中間變量的方式，提高了2 048 位密鑰模指數運算的效率，降低加密解密的響應時延。通過將零拷貝技術與會話邊界硬件虛擬化技術相結合，虛擬化環境中可以避免在虛擬機與虛擬化層之間進行上下文切換的耗時操作。這種方法直接創建了用戶空間應用程序與底層物理網絡接口卡之間的數據通道，從而顯著加快網絡數據包的加解密處理速度，并大幅減少數據在網絡協議棧中的往返延遲。此外，這一技術還能提升云主機內核對加密任務的有效調度與執行性能。綜上所述，本研究從算法、網絡、虛擬化等不同層面采取并行化、流水線、零拷貝等手段，為基于云計算基礎設施構建高吞吐、低延時的通信數據加密體系奠定基礎，使之能適應大規模商業部署的需求。本研究所提出的優化策略充分兼顧安全性、功能性以及效率性，有效平衡了云端加密處理的性能與開銷，為下一步量化仿真實驗驗證與優化提供堅實的技術基礎[5]。

3 實驗分析與實證研究

3.1 實驗設計

為評估所設計通信信道數據加密方案的有效性，本研究搭建了實際的測試平臺。測試環境采用了開源的OpenStack 云操作系統作為管理基礎設施，并參考了可信計算組的分布式集成可信計算環境（Distributed Integrated Computing Environment，DICE）體系結構規范進行加固，從而增強了測試云平臺的安全防護能力。實驗平臺包含4 臺物理服務器節點，每臺服務器運行雙路12 核Intel Xeon Gold 6226R 處理器，配置了512 GB內存及100 Gb/s 高速網卡，服務器之間通過總帶寬達400 Gb/s 的高端交換機相連。另外定制了4 核vCPU、16 GB 內存、50 Gb/s 網卡帶寬的虛擬機，以容納測試程序并生成網絡通信流量。測試用例覆蓋小文件傳輸與大文件傳輸場景，文件類型包含結構化數據與非結構化數據，傳輸協議使用傳輸控制協議（Transmission Control Protocol，TCP）與用戶數據報協議（User Datagram Protocol，UDP）。測試工具在客戶端虛擬機內部署，以10 s 為一個周期進行數據采集，自動化框架保證長期穩定性。監控指標主要包括吞吐量、延遲、中央處理器（Central Processing Unit，CPU）開銷、內存開銷分布情況。為全面驗證方案健壯性，測試腳本將在不同時間段啟動不同數量的虛擬機進行數據傳輸，設置不同帶寬限制和丟包參數，對通信信道的加解密操作產生不同負載壓力。預計測試周期為1 個月，最終采用吞吐量提升比、性能開銷降低比等指標評估優化效果。

3.2 結果分析與討論

經過為期一個月的多場景測試，所設計的面向云環境的通信數據加密方案展現了出色的性能和安全保障能力，測試結果如表1 所示。在保證高加密強度和數據完整性檢驗的前提下，該方案實現的加解密吞吐量相比原始云計算環境整體提高了約22.4%。這主要歸因于高效AES 并行算法的引入，以及虛擬化和網絡層面的優化，使得數據在云上加密、傳輸、解密等鏈路上的并發處理能力顯著增強。此外，傳輸時延降低19.6%的同時，僅增加4.5%的CPU 資源開銷和6.2%的內存資源開銷，資源消耗極為適度。該成果可以歸因于流水線運算與零拷貝傳輸等策略的優化，充分發揮了云計算的并行分布特性，高效整合了計算與網絡資源。綜上可見，該方案不僅可靠保障了數據安全，還大幅提升了云環境下的加密通信性能，實現了高標準安全性與高實用性的最佳平衡，完全滿足了大規模商業化部署對并發與效率的需求，成果突出。

表1 測試結果匯總

4 結 論

基于云計算環境的通信信道數據加密面臨效率與安全性的雙重挑戰。為解決這個問題，本研究深入分析了云計算和加密技術的發展現狀，設計了一整套通信數據的端到端加密方案。該方案從算法優化、密鑰管理、云平臺安全加固等多個層面入手，采取各種手段減少加密操作的性能開銷。通過搭建測試環境并開展長期試驗，對所設計方案進行全面驗證，結果表明充分證明了該技術方案能夠滿足大規模商用環境下的性能、安全與管理要求，實現高效率與高安全性的最佳平衡。總體上看，本研究為基于云計算平臺構建高性能、可管理、安全保障的通信系統奠定了堅實基礎。后續工作將致力于進一步提升加密通信的性能，并加強實際業務中的技術應用。