基于XML 的作战数据安全交换策略研究

摘要：在指挥控制与作战仿真等军事信息系统中，存在大量的异构平台，为实现作战数据这些平台间的安全交换，提出了一种基于XML的数据交换方案。分析了基于XML的作战数据交换机制，数据安全交换的业务流程，以及XML数字签名与数据加密的基本原理，并给出了一种基于C#语言数据加密与解密模块的实现方法。实践表明，所提方案是实现作战数据安全交换的一种有效方案。

关键词：XML；作战数据；安全交换；数据加密

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）28-6271-03

XML（Extensible Markup Language， XML）是W3C （world Wide Web Consortium，W3C）于1998年2月发布的一种标准，是SGML（Standard Generalized Markup Language，SGML）的一个简化子集。XML遵循严格语法规范，实现了数据存储格式结构化，具有扩展性好，数据共享与重用简单和网络传输方便等优点，已成为一种通用的数据交换标准[1-2]。在C4ISR和基于HLA的作战仿真等军事信息系统中，存在大量的异构平台，只有整合这些应用平台，才能实现作战数据的交换共享。XML具有跨系统跨平台的优良特性，只要将作战数据按定义好的模式（Schema）进行封装，便可在异构系统中转换和集成，因而在军事领域得到了广泛应用。

王振[3]等在分析作战方案组成要素的基础上，提出了基于XML的作战方案的形式化描述；樊延平[4]等研究了想定数据存储模型，基于XML实现了作战想定的结构化描述；杨乐平[5]等设计了基于Agent的HLA仿真联邦，采用XML来实现系统中的数据交互，增强和扩展HLA应用；陈春永[6]等定义了基于XML的C4ISR系统作战信息表达模式，实现了各类作战数据跨系统跨平台的实时传输等。这些研究将XML应用于作战数据的规范表达与实时交换，拓展了指挥控制与仿真训练与系统的功能，但并未考虑数据交互的安全性问题，而作战数据安全性将直接影响作战行动与仿真训练的进程。该文在分析基于XML作战数据交换机制的基础上，研究基于数字签名和数据加密技术的作战数据安全交换方法。

1 基于XML的作战数据交换

XML是一种严格遵守语法要求、规范信息描述的底层语言，易于实现异构系统中数据的转换和集成，可有效实现作战数据的交换与共享。下面主要通过C4ISR系统和基于HLA框架的仿真系统，分析基于XML的作战数据的交换机制。

1.1 C4ISR系统的数据交换[6]

C4ISR系统是一个集战场感知、信息融合、智能识别、信息处理和武器控制等核心技术为一体、旨在实现军事指挥自动化的复杂军事信息系统。C4ISR由多个分系统有机组成，是各指挥层次、各军兵种、各作战平台之间不间断通信和交换信息的枢纽，只有实现数据的交换共享，这样才能实现各种作战平台的优势互补，发挥最大作战效益。但其分系统由不同部门开发，且运行在不同的硬软件平台，造成各分系统之间、各作战平台之间的信息共享和数据交换困难，制约了整体作战效能的发挥。XML能较好地解决指挥系统中各作战平台软件兼容难度大、信息表达复杂和容易形成信息孤岛的缺陷，其数据交换机制如图1所示。

数据交换过程可描述为：首先将各种战场信息进行基于XML 的封装，实现来自各异构系统的数据的快速集成，然后将封装好的XML文档通过C4ISR系统网络平台进行传输；在应用系统接收到XML文档后，通访问接口提取有用信息，同时利用XSL（eXtensible Style sheet Language）将其转换为内部系统可用的数据格式，即实现了数据的交换与处理。

1.2 HLA仿真系统的数据交换[5，7]

在HLA仿真联邦中，联邦成员间的交互分三种形式：对象类、交互类和Agent消息。对象类和交互类的交互形式遵循HLA框架所的标准交互方式，对象类属性用于在成员间交换实体的属性值，交互类实现联邦成员之间共享离散事件信息，而Agent消息用于在 Agent之间进行协同，通过将Agent消息封装为XML格式化数据，包装在HLA交互类参数当中，即可实现信息的发送和接收，如图2所示。

数据交换流程可描述为：在信息发布方，首先将数据信息封装为XML格式化数据，通过API接口打包处理，封装为联邦成员模型中的交互类参数，然后按照RTI规则进行发布；在信息订购方，其联邦成员对所需交互类参数申明订购，通过数据实时更新，接收交互类参数，然后将接收到的交互类参数传递到相应的API接口，通过解析函数进行解析，即实现了仿真系统中信息的发布与定购。

2 XML数据交互的安全策略

由上文分析可知，对于控制节点多、系统结构复杂、数据交换频繁的C4ISR与作战仿真系统，XML技术的引入可有效规范数据格式，实现异构系统中数据的转换和集成，增强系统数据交换的能力并拓展系统应用范围。而对于这些系统来说，如何确保数据的正确性、完整性及不可否认性，是系统安全运行的基础，因此需采取数字签名技术与数据加密技术等安全技术，以确保XML数据的安全性。

2.1 XML数据安全交互的流程

基于XML的作战数据的存储与传输以原作战指挥和仿真系统为基础，其数据存储与传输也是在原有的网络和硬、软件平台的基础上实现的，仅增加了XML数据封装及安全处理模块，其业务流程如图3所示。

该流程可描述为：在用户存储和发送作战数据前，先采用XML Schema 将作战数据封装为规范的XML格式文档，然后利用安全模块对XML 数据进行数字签名和加密处理，再对加密后的文件进行存储和传输；在数据接收方接收到加密数据文件后，可将加密文件存至本地磁盘，在使用前需利用安全模块对数据进行解密和数字签名验证处理，然后通过解析，即可得到原始作战数据。由于在数据传输和存储介质和传递过程中均为经数字签名和加密的Xml文件，从而确保了数据交换的通用性与安全性。

2.2 XML数据加密的基本原理

XML数字鉴名是W3C和IETF共同制定的安全标准，可对XML数据提供完整性、不可否认性及身份鉴别，文献[8-9]对XML数字鉴名技术进行了深入的研究，该文不再赘述，这里主要介绍XML数据加密原理及其实现方法。XML加密引入了加密粒度的概念，不仅可文档的整体信息进行加密，还支持对文档的部分信息甚至某个元素进行加密。

EncryptedData元素为加密文档的主要语法组件，其结构简要说明如下：（1）EncryptedData：为最外层元素，用于标示所加密的数据，包括4个可选属性：Id、 Type、MimeType、Encoding。其中Id用于标识元素的唯一性、Type定义加密类型、MimeType定义内容的MIME 类型、Encoding指定所采用的编码方式。（2）EncryptionMethod：表示所采用的加密算法，主要包括TripleDES、AES-128、AES-256和AES-192。（3）ds：KeyInfo：提供用于加密和解密数据的对称会话密钥，包括了子元素密钥会话（EncryptedKey）、建立会话密钥的方法（Agreement-Method）、密钥名称（ds：KeyName） 和用于提供URI链接ds：ReaievalMethod。（4）CipherData：用于指定已加密的数据，使用子元素CipherValue或CipherReference指定已加密的值。（5）EncryptionProperties：用于提供加密数据和密钥的附加信息。

2.3 XML数据加密的实现方法

在某仿真训练系统中，我们利用XNL文件存储和交换作战数据，通过XML Schema定义作战数据交换的规范格式，实现了作战数据在异构平台上传输与交换，为确保数据作战数据的安全性，系统使用了XML数字签名和加密技术。下面主要通过该系统的XML数据加密与解密模块，介绍基于Xml的数据交换的安全方法。

Xml数据的加密和解密模块在Visual Studio 2010环境下，利用C#编程语言开发。其中，加密和解密模块均引用了System.Security.Cryptography和System.Security.Cryptography.Xml命名空间，加密模块的核心代码如下：

public static void ImplementEncrypt（XmlDocument XmlDoc， XmlElement EleToEncrypt， SymmetricAlgorithm Key ）

{ CheckEncryptArg（XmlDoc， EleToEncrypt， Key ）； //参数的有效性校验

EncryptedXml EnXml = new EncryptedXml（）； //实例化一个EncryptedXml对象

byte[] ErtedElemData = EnXml.EncryptData（EleToEncrypt， Key， false）； //对指定元素进行加密

EncryptedData EnedElem = new EncryptedData（）； //已加密的Xml元素

EnedElem.Type = EncryptedXml.XmlEncElementUrl； //统一资源标识符

EnedElem.EncryptionMethod = GetEncryptionMethod（Key）； //由Key读取加密方法

EnedElem.CipherData.CipherValue = ErtedElemData； //将加密数据写至Clipher元素

EncryptedXml.ReplaceElement（EleToEncrypt， EnedElem， false）； //加密后的元素替换相应元素

}

其中，XmlDoc为需进行加密的文档，EleToEncrypt为待加密的数据元素，Key是为该元素加密对应的密钥。CheckEncryptArg （...） 方法用于对传入参数的有效性进行检查，方法GetEncryptionMethod（Key） 用于通过密钥获取加密方法，这里不再详细介绍。数据加密的实现步骤可描述为：对待加密的文件XmlDoc，针对各待加密元素XmlElement，分别分配密钥（也可使用同一密钥，根据需要确定），然后依次调用ImplementEncrypt（...）方法，对待加密的元素进行加密，再用加密后的数据替换原Xml元素，即实现了数据加密。

数据解密模块的核心代码如下：

public static void ImplementDecrypt（XmlDocument XmlDoc， XmlElement EnedElement， SymmetricAlgorithm Key）

{CheckDecryptArg （XmlDoc， EnedElement， Key） // 参数的有效性校验

EncryptedData EnedData = new EncryptedData（）； // 实例化一个EncryptedData对象

EnedData.LoadXml（EnedElement）； //读取加密元素

EncryptedXml enXml = new EncryptedXml（）； // 新建一个EncryptedXml对象

byte[]DecryptResult = enXml.DecryptData（EnedData， Key）； //用密钥解密数据

enXml.ReplaceData（EnedElement， DecryptResult） ； //元素替换为解密的数据序列

}

其中，XmlDoc 为待解密的Xml文档，EnedElement 为待解密的数据元素，Key为对应的密钥，CheckDecryptArg （...）用于对传入参数的有效性进行检查。数据解密的实现步骤可描述为：对待解密的文件XmlDoc，针对各加密元素EnedElement和对应的密钥，依次调用ImplementDecrypt（...）方法，对加密元素进行解密，然后将解密后的数据序列替换原加密的Xml元素，即实现了数据解密。

3 结束语

在C4ISR和基于HLA的作战仿真系统中存在大量的异构平台，如何实现作战数据的实时交换，并其在存储与交换过程中的安全性是不容忽视的一个问题。在分析作战数据交换机制的基础上，提出了一种基于XML的作战数据的安全交换方案，利用XML的语法规范与跨平台特性实现异构平台间的数据交换，并通过采用数字签名和加密技术为数据交换提供安全保障，可提高作战数据的通用性、规范性与安全性。

参考文献：

[1] 胡宁.XML在高校数据资源库共享平台的应用[J].现代电子技术， 2011，34（9）：99-101.

[2] 徐享中，王精业，刘朔.XML在层次建模上的应用研究[J].系统仿真学报， 2009，21（6）：1511-1513.

[3] 樊青云，刘东波，阮启明，等.基于XML的作战计划形式化描述[J]. 计算机技术与发展，19（10）：204-206.

[4] 赵邵蕾，魏石川.演习计划仿真想定的规范化表述方法研究[J]系统仿真技术[J].2011，7（1）：1-5.

[5] 杨乐平，陈钦，朱彦伟. HLA框架下的Agent与XML应用研究[J].系统仿真学报，2007，19（5）1045-1048.

[6] 陈春咏，史金飞. 基于XML的C4ISR系统信息表达模式[J].火力与指挥控制，2007，32（10）：22-26.

[7] 李凌鹏，刘毅，范勇. 基于HLA的地空对抗仿真系统方案设计[J]系统仿真技术，2006，2（2）：69-73.

[6] 陈春咏，史金飞. 基于XML的C4ISR系统信息表达模式[J].火力与指挥控制，2007，32（10）：22-26.

[7] 樊青云，刘东波，阮启明，等.基于XML的作战计划形式化描述[J]. 计算机技术与发展，19（10）：204-206.

[8] 范洁，尚增光. XML安全技术在电子公文交换系统中的应用[J].计算机工程与设计，2009，30（18）4214-4216.

[9] 杨灵，邹娟.XML 安全体系研究[J]计算机技术与发展，2010，20（8）：137-141.