数据加密技术在计算机网络通信安全中的应用

吴丹丹 赵必刚

（1.武警安徽省总队通信大队 安徽省合肥市 230031）

（2.安徽省人力资源和社会保障信息中心 安徽省合肥市 230001）

随着网络安全在社会经济发展中的重要性日益增强，各行业、部门越来越重视计算机网络通讯的安全，对操作、存储以及信息获取传输等方面的要求更高。尤其技术类国企、事业单位以及重要机关部门，一旦出现信息安全漏洞，则会对产生较大威胁，因此，针对数据加密技术在计算机网络通信中安全应用的研究十分必要。

1 网络安全判断方式

（1）用户在进行常规性的计算机操作时，没有出现数据乱码情况；

（2）查看以往存储文件信息时，文件名称和格式未改变，信息内容完整，表达方式正确；

（3）在信息传输过程中应用通信保密技术，避免信息出现被篡改、盗取的风险，因此在对网络安全进行判断时可优先进行通信渠道查询，从而实现对保密性的判断。

2 计算机网络通信安全及加密技术分析

2.1 计算机网络层次

计算机网络安全技术所保障的是网络结构稳定、数据信息传输安全、信息可用性高以及信息完整性等，在计算机运行过程中存在着多种漏洞，例如一些非法访问、功能混乱，控制访问等。除了这类输入输出问题外，还包括服务漏洞，如匿名FTP、DNS域名、电子邮件以及网络协议漏洞等。

2.2 数字加密技术

数字加密技术是维护计算机网络通信安全的基本保障，在多种技术类别的支持下能够维护信息传入传输安全。具体的应用技术包括多节点加密、DES、RSA以及MD5等，其优缺点详见表1。针对计算机网络通信安全方面，务必采用科学方法提升计算机运行的安全等级，基于密码学研发原理实现科学运用，从而阻挡网络攻击和数据篡改。

表1：数据加密技术分析

3 计算机网络通信安全中数字加密技术应用

3.1 基于VPN技术实现多节点通信网络数据加密

3.1.1 数据拓扑模型

针对拓扑模型的构建需要应用通信技术，保证将VPN组网的适用范围扩大到整个网络，保证服务器中的文件能够在特定独立位置，再根据用户需求实现上传、下载等功能[1]。网络拓扑模型主要有树状、星状、网状等多种结构，能够保证将VPN组网的接口全部连接在一起，既能保证基本的常规化操作，又能展现其抽象性。假设在拓扑模型下的VPN网络宽带为E，则可以将其具象化处理，如下：

在（1）公式中，应用C（u，v）表示计算机网络数据的主节点部分，其中从左至右分别表示横向节点和纵向节点，应用V表示全部节点，VL则表示存活节点的集合，反之，VX则表示空闲节点的集合。

在进行数据存储时主要依靠服务器进行信息发送，发送形式为间歇式，假设集合VM为模型，则将宽带连接形式表现为公式（2）：

其中H表示邻居节点的集合，其取值范围为全部自然数，其邻居节点数值为“自然数+1”，将H值的“自然数+1”代入到公式中能够得到两个VM值，这一表现则说明VPN网络中节点数据具有两两相连性，从而得出数据拓扑模型。

3.1.2 应用VPN技术实现故障修复及加密传输

针对计算机网络数据环境安全的维护，需要应用VPN技术对通信数据进行修复，从而提升其运行效率，降低被入侵风险。当多节点通信中所应用的模型失效点数量占比较大甚至逐渐饱和时，则根据阈值情况进行处理，以达到多节点数据修复。假设VPN组网中，上文所提及的宽带网络为E，当E值固定时，需要保证瓶颈宽带能够更大，在修复过程中主要确定节点集合：

其中C（HVL，VM）为邻居节点，在进行节点确认后能够迅速锁定需要修复的部分，并根据模型特性实现修复，保证快速提升VPN组网的功能，实现持续性传输数据。

除此之外，当故障部分无法保证数据加密技术正常运行时，需要结合VPN组网结构进行检测，保证接收与发送之间信号的协调性。因此，在接收和发送端口需要建立数据同步，根据时间实现对频差的估算，保证其始终存在于统一的运行时间中，具体原理如图1所示。

图1：多节点接口频率同步原理

结合图1能够直观看出数据信息发送接口和接收接口的处理，通过VPN实现信号的频率补偿，从而避免信息外泄维护安全。数据传输时的节点接口运动可以通过公式（3）进行运算，再结合频率同步原理能够计算数据间的频率补偿值，具体计算如公式（4）所示：

其中f是所设的频率补偿值，fa表示为节点的载波频点，t是数据信号运动时间，θ值为节点移动方向与入射波夹角，根据数据计算能够获得补偿值信息，维护网络数据安全。

3.1.3 实验设计与分析

基于VPN技术进行多节点通信网络的维护，需要应用相关试验保证其传输的安全性，分析其中失效节点与物理层链路误比特率。首先需要进行环境搭建，选择一个与原环境完全一致的对比环境，以保证结果真实可靠。其次需要选择合适的设备，设备的选择包括主机箱、中射频通道板、天线、数字信号处理板等，其中VPN组网的物理模块主要为两个发送通道和三个接收通道，在整个流程中需应用频谱仪和功率示波器进行标定信号和同步脉冲，从而优化传输过程，提升保密性和信息传输流畅性。最后需要明确设计思路，包括硬件和软件两个部分。节点加密硬件部分设计主要依靠微型控制系统，其中的程序要素为CC2520射频模块和LCD1602液晶显示模块，应用32位处理器以及四组16位定时单元和3组通信单元，内置组件128KB，其具体的模块和程序功能如下所示：

（1）射频模块，具有较强选择功能和链路设计效果，为各节点通信提供基本保障；

（2）液晶显示模块，显示文件，主要用于传输和接收阶段，能够显示众多文件类型；

（3）上位机通信程序，连接节点与计算机通信装置，提升运输速率，加强下载与更新速度。

针对软件部分的设计主要以C语言为主，进行系统化编程，既要维护安全，又要保证系统的可操作性。软件程序的组成为LCD程序、密码处理以及射频几个部分。在主程序运行过程中，下属的其他模块会初始化，再用主程序读取、调动其他模块信息。射频模块具有加密和打包的功能，能够实现无线通信传输，若将其连接在接收方，则能起到拦截信息的作用。LCD模块在软件部分的作用在于进一步完善数据，且接口简单，操作更加便捷，无电磁辐射。

3.2 基于DES的对称加密算法

3.2.1 算法加密原理

DES算法加密方式的演变主要基于Lucifer，从性质和执行方面来看属于分组加密，分组后实施数据保护，再输入到系统中将明文转换为密文输出，以确保网络通信数据的安全[2]。具体需要将明文进行分组，再利用加密与解密算法将其设定为64位密文，其中8位用于奇偶校验。一般情况下密钥长度需控制在56位，部分数据在转换过程中被视为“弱密钥”，进行算法处理时为提升保密性，应采用数据置换法提升密钥等级，将明文划分为左、右两部分，长度均为32位，具体流程为以下几点：

（1）重新排列实现对64位数据的分组，再利用函数进行初始置换处理，具体流程如图2所示；

图2：算法流程置换图

（2）对左、右数据进行迭代处理，保证执行16次变换；（3）对变换结果进行逆置换处理，对调左、右的部分数据，生成新密文。

3.2.2 算法应用

一般DES加密功能实现方式主要有两种，第一是链路方式，能够保证信息传输过程中信道环境和链路环境的安全，降低被截取的风险，该技术能够实现针对性加密，保护传输报文各个比特位的安全，同时进行路由信息的校验。尤其针对中间节点部分，需进行报文解密。完成以上流程后再次进行下一节点的传输。整个过程需要不间断地输入与输出，保证传达信息的流畅性和精确性。以用户A向B传输的过程为例，假设A和B分别代表两个节点，以密钥分发中心发送KA和KB，其中A向密钥开发中心发送Request请求，其中涵盖两个节点身份和随机数KA1校验码，这一步骤的作用在于提升通信系统运行的安全性[3]。当密钥分发中心应答A的传输请求指令后，密钥由KA加密，解密仅能依靠KA来完成，通过对比请求和K1来进行消息应答验证，若结果显示一致则说明数据安全，若不一致，则说明数据存在篡改风险。

端到端的通信加密技术主要借助卫星网络，有传入系统进行数据采集，经过MIC输入后将模拟信号转换为数字信号，保证信号在变换域内能够根据密钥划分频带，从而实现置乱，利用D/A转换为语音密文，并进行发送端加密，将模数转换为FFT，根据嵌入规则实现密钥提取，再进行解密。

3.3 基于RSA非对称加密算法

计算机网络通信数据运行中存在一定规律，可应用混沌系统将看似无规则、随机的数据进行映射，从而为加密算法的应用提供第一手材料。基于RSA非对称加密算法的应用有Logistic、Henon、Tent等，能够有效应对一些输出复杂的问题。RSA加密算法具有非对称特点，因此相对安全，相关公式如表2所示。

表2：RSA算法要素表

具体流程如下所示：

（1）选择两个素数p和q（q≠p）；

（2）利用n=p×q得到n值；

（3）计算f（n）=（p-1）（q-1）；

（4）指定整数e（e＞1）且满足“p-1）和（q-1）互为质数”这一条件；

（5）利用d=e-1（mod（p-1）（q-1））得到d值；

（6）应用加密算法C=Mdmodn进行长度计算，若长度超出限值则要进行分段计算；

（7）解密计算为M=Cdmodn。

以上内容中，e和n属于公开信息，能利用此公钥实现加密，但无法获得d值，只有将私钥应用在控制台才能完成解密，正因如此，RSA算法加密技术在计算机网络通信安全中的使用频率相对较高，防护效果极佳。

3.3.1 数据预处理

在数据获取过程中需要优先进行数据预处理，此阶段中密钥的应用极为关键，利用对称算法检测入侵信息，并实现身份验证，确保网络通信安全性。以往所应用的加密方式以直接加密处理为主，针对核心数据目标采集方面的研究相对较少，本次研究以核心信息提取为主要研究方向完善加密算法。

首先选择两个素数a和b（a≠b），将其作为核心信息基准，设置以下提取函数：

其中f表示核心信息提取函数，x表示待加密数据，φ（f）表示数据迭代。

3.3.2 子密钥

由于数据加密方式与密钥之间的联系为固定模式，因此在进行解密的过程中存在同步情况，针对这一问题的解决方案为利用Logistic混沌映射生成二值序列，具体可以利用阈值函数转换，如下所示：

完成二进制截取的部分为原始密钥，算法每轮的子密钥迭代会根据参数的不同而展现不同特性，而轮函数作为非线性函数能够更好的实现加密，确保整个流程的安全性，能够实现多源异构输入数据的替换。

3.3.3 数据加密流程

基于RSA算法的加密，根据先前所提及的两个素数a和b，可以将核心数据长度归纳为A与B两类，由于函数之间的关联性能够得出a，b长度与数据安全之间成正比关系，因此可以通过参数控制实现对算法强度的控制[4]。具体流程如图3所示。

图3：基于RSA非对称加密算法流程

3.4 基于MD5算法的数字签名技术

该技术通过Hash值进行数据验证，借助数据输入的长度值确定结果，在输入过程中即便是微小的差距也会造成结果差异，安全性很强。比较常见的应用算法为MD5，应用密码散列函数，以512位分组进行信息处理，保证每个分组都被划分为16个32位子分组，完成仿真处理后输出为4个32位小组，在连接层128位散列值，经过逐层分解循环后判断结果是否在阈值之内，若存在则输出，反之则丢弃。

MD5算法的整个流程主要为：开始→初始化参数（A，B，C，D）→输入信息→填充信息→分块处理信息→输出MD5值→结束。其解密算法的应用主要包括部位处理和变换处理，汇总为以下步骤：

（1）补位和附加数据长度；

（2）对每个参数进行重置，转换装入方式确保安全；

（3）变换输入数据；

（4）输出密文。

由于模块序号、公钥、私钥的一致性，在每次进行数字签名后所获取的结果也保持一致，在此过程中只有序号是公开信息，其余均为保密信息。当系统接收指令后会优先进行信息验证，若验证合格则能进入相应的服务器，并做好存储工序，若验证结果显示未通过，则直接将已经接收的数据全部删除[5]。

针对数字签名子系统的设计，主要由发送者将私钥信息通过在线方式传送至接收方，再由接收方打开附带的信息文件，进行Hash函数比对，根据结果一致性判断信息是否被修改。首先利用私钥进行指令加密，其次将信息传输到系统程序中，控制器进行处理完成信息比对，最后信息存储并进行取舍。

4 结束语

综合来看，数据加密技术可谓是实现计算机网络通信安全的核心部分，目前针对数据加密技术的应用范围十分广泛。在应用相关技术时需要明确不同技术的优势和劣势，进行详细的功能分析，结合网络运行端口特点，实现对一些不稳定因素的控制，提升计算机网络通信环境的安全性，将加密方式应用在管理与运行环节中，降低病毒入侵风险，构建网络“护城河”加强安全防护。