基于区块链技术的港口通信数据加密传输方法

肖恒一，陈昭义，李明杰

（湖北邮电规划设计有限公司，湖北 武汉 430023）

0 引 言

随着大数据时代的到来，传输数据的总量在不断增加，海量数据在云端的频繁交流使得数据传输链路的荷载不断加重。在此环境下，数据传输的安全问题仍存在进一步研讨的空间[1]。数据的海量交互对数据传输过程中的响应和调度能力都提出了更高要求[2]。现有的数据传输系统利用PID元件记录信息的传输速率，再借助逆变器和载波器等综合约束各级信息传输模块，但这种方法需要的响应时间较长，传输效率受限较大[3,4]。针对这一问题，区块链技术是一种有效且可行的措施[5]。其对数据传输的约束较小，且不会对传输链路造成额外负担，是保障数据传输安全的重要方式[6]。

基于此，本文提出基于区块链技术的港口通信数据加密传输方法，通过区块链技术控制数据传输，提高数据的安全性。

1 基于区块链技术的数据加密传输方法

1.1 构建数据通信网络模型

在传输港口通信数据前，先采用区块链技术建立区块链，对数据加密传输的整体网络进行全面管理，使港口数据在独立的服务器中呈广泛分布状态，随后在此基础上完成数据的上传、下载或更新任务[7]。实际网络的拓扑结构主要有星型、树形以及网状等，本文利用Overlay结构建立数据通信网络模型，连接区块链中的各个区块，保留区块链一的般性[8]。设Overlay结构下的区块链宽度为D，则有：

式中，i(x, y)表示数据通信网络传输链中的主区块，x与y分别表示主区块中的横、纵坐标，I表示所有区块的集合，I1表示存活区块的集合，Is表示空闲区块的集合。

在实际数据传输过程中，区块间歇性地向主区块发送信息。假设Ic表示数据通信网络模型，以传输链路的中心为节点，区块之间的连接为：

式中，λ表示邻居区块。设λ值为n，此时其邻居区块为n+1和n-1，将n与n+1或n-1与n代入式（2）可得到连续存在的两个区块信息，从而实现多个数据传输区块的连接[9]。

1.2 区块加密

基于上述模型，在区块链技术的支持下为数据传输区块链的连接添加密钥，实现安全的数据传输。根据区块链的组成，本文采用RSA非对称加密算法完成加密，以此增加解密密钥的长度，提高破解密钥的难度，确保加密的可靠性。

基于港口通信数据传输区块链建立算法基础，适应区块链中待传输数据可能存在的所有正确传输路径，且传输数据每次经过不同区块时，其内容都保持高度的独立性和不可逆性，每个数据只能从发送端指向接收端，这样不但可以避免数据交叉，有效降低发生信息拥堵行为的概率，还能缩短网络相邻区块之间的距离，降低传输时间，间接提高传输安全性[10]。设f0为待传输数据信息的暗文，f1为待传输数据信息的明文，a表示数据传输经过的区块下限，b表示数据传输经过的区块上限，综合上述参数可建立单向数据传输区块加密函数：

式中，Δf表示单位时间内传输密钥区块的信息变化量，e表示数据转化量。以此实现基于统一密钥的区块加密，确保数据传输的安全性。

1.3 通信数据加密传输

在数据传输区块链中，由于各接口之间的精确度不同，信号的接收与发送之间容易发生频差，导致数据在传输过程中出现泄漏或丢失，影响数据传输的安全性。因此，本文在数据传输过程中同步发送端与接收端的数据，并以此作为数据传输的基础。

利用相对运动时间内数据传输信号在区块之间的相位差对频差进行估计。在港口通信数据加密传输时统一发送端和接收端的数据信号，以数据信号的频差为基础，输出频率补偿，从而保障传输过程的安全性。数据传输过程中相邻的两个区块存在相对运动，设Q表示通信数据在区块间传递时的频率补偿值，则有：

式中，g表示中心区块的载波频点，t表示数据信号在多个区块间相对运动的时间，α表示信号在区块间的入射夹角。以此计算出港口通信数据加密传输过程的频率补偿值，实现信号载波同步条件下的通信数据加密传输。数据加密整体传输流程如图1所示。

图1 港口通信数据加密传输流程

2 对比实验分析

为验证本文提出的基于区块链技术的港口通信数据加密传输方法的性能，设计对比试验。将本文研究方法设置为试验组，将文献[5]提出的结合时间戳的指纹密钥数据加解密传输方案和文献[6]提出的基于RAHRM的电表数据安全采集传输方法作为对照组，验证3种方法下通信网络数据加密传输的安全性。

2.1 实验准备

试验设备包括1个主机箱、1个射频通道板、1频谱仪个、1个数字信号处理板、1个射频功放以及若干连接天线，信息传输通道包括3个发送通道和5个接收通道。通过频谱仪标定接收端信号，通过功率示波器测量同步时延情况。

2.2 实验结果

2.2.1 链路误比特率测试

将射频功放发送的信号通过射频通道板和数字信号处理板传输至通信网络数据传输模型，对比发送信号和接收到的信号，完成3种方法的误比特率测试，测试结果如图2所示。

图2 不同传输方法下的误比特率

由图2可知，随着信噪比的增加，3种方法的误比特率均呈下降趋势，但基于区块链技术的港口通信数据加密传输方法的误比特率下降趋势明显大于文献[5]和文献[6]方法。在信噪比为10 dB时停止试验，文献[5]和文献[6]方法的误比特率均为0.000 72%，本文方法的误比特率为0.000 027%，明显低于另外两种方法。本文方法通过加密数据传输区块，并在传输过程中进行传输频率补偿，有效提高了数据包传输的可靠性。

2.2.2 丢包率测试

基于上述试验环境分别测试不同信噪比下3种数据传输方法的丢包率，结果如表1所示。

表1 数据丢包率对比表

由表1可知，本文方法的丢包率始终低于另外两种方法，基本稳定在0.010%以内，具有较强的稳定性。该方法通过区块链技术对数据传输过程进行连接，降低外界攻击和干扰的影响，提高了数据传输的可靠性和完整性。

3 结 论

随着大数据时代的到来，互联网数据传输已经成为一种主要的信息传输方式，其不受空间限制，在港口通信中具有重要的应用价值。在此环境下，保证通信数据的安全传输成为计算机领域研究的重点。本文将区块链技术引入到数据传输过程中，保障了数据传输的安全性，有效降低了数据传输过程中的误比特率和丢包率，具有一定的参考价值。在之后的研究中，相关人员可深入研究数据传输的链路选择，在提高数据安全性的同时提高传输效率。