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《計算機安全雜志》2014年第六期

1實時數據流認證方案設計

基于認證窗口思想，本文設計了三種實時數據流認證方案。第一種方案（方案1）的結構如圖1所示，其中為數據包，為數據包的散列值或數字簽名，可表示為：其中為數據包的散列值，為其數字簽名?？梢钥闯觯桨?對每個數據包計算散列值或數字簽名，然后發送數據包，接收方進行相應驗證即可。方案1中，發送方需要等待計算出數據包的散列值或數字簽名，會造成延時。第二種方案（方案2）將前一個數據包的散列值或數字簽名與后一個數據包一起發送，可減少等待計算造成的延時。當數據包到達的時候將和一起發送，并同時計算，下一個數據包到達的時候將和一起發送，這樣一直進行下去。方案2的結構如圖2所示。可以看出，方案2在兩個數據包的間隙時間中計算前一個包的散列值或數字簽名，是一種并行的處理方法。在驗證數據時，接收方需要等待下一個數據包才能驗證上一個包，其發送方的數據處理步驟如下：Step1：初始化認證窗口，置數據包序號；Step2：對下一個待發送的數據包，計算其認證信息并進行封裝；Step3：如果，計算，并封裝，轉Step6；否則轉下一步；Step4：如果，計算；否則計算；Step5：如果，封裝，否則封裝；Step6：對封裝好的數據包進行發送；Step7：判斷實時數據流傳輸是否結束，如未結束，置，轉Step2；否則停止計算。接收方在收到經發送方封裝后的數據流后，通過認證信息來驗證數據的完整性和真實性，接收方的數據處理步驟如下：Step1：初始化認證窗口，接收超時時間；Step2：取下一個收到的數據信息及認證信息；Step3：如果，解碼，轉Step6；否則轉 下一步；Step4：如果，計算，解碼，轉Step5；否則計算，解碼，轉Step6；Step5：比較和，如果，則數據包的真實性驗證成功，轉Step7；否則真實性驗證失敗，給出提示，轉Step7；Step6：比較和，如果，則數據包的完整性驗證成功，轉Step7；否則完整性驗證失敗，給出提示，轉Step7；Step7：判斷實時數據流傳輸是否結束，如未結束，轉Step2；否則結束驗證?？梢钥闯?，方案2在發送方進行的是一種并行處理，利用兩個數據包的間隔時間計算前一個數據包的數字簽名，這樣在發送方幾乎不需要等待。由于需要等待下一個數據包才能驗證上一個數據包，因此當傳輸密度較小時，方案2的延時較方案一大，但在傳輸密度較大時，方案2可有效減少傳輸延時。第三種方案（方案3）與方案二相反，將后一個數據包的散列值或數字簽名與前一個數據包一起發送。當數據包到達的時候計算并將和一起發送，下一個數據包到達的時候計算并將和一起發送，這樣一直進行下去。方案3的結構如圖3所示。方案3在發送方的延遲時間包括數據包間隔時間和計算其散列值或數字簽名的時間，但在接收方能立即進行驗證，這一點不同于方案2。方案3的數據處理流程與方案二類似，這里不再贅述。

2仿真分析

首先對三種方案的延遲時間進行仿真分析。設認證窗口，通過仿真得到三種方案對應的認證延時隨數據包傳輸密度的變化如表1所示。從表1可以看出，在傳輸密度較小時，方案1的認證延時最小，但當傳輸密度超過20時，方案2的認證延時最小，且隨著傳輸密度的增大，其延時增幅較小，較另外兩種方案有明顯優勢。方案3的延時一直是最大的，這是因為方案3需要等待下一個數據包并計算其散列值或數字簽名后再發送上一個數據包，延時不僅包含簽名和認證時間，還包含數據包間隔時間。從以上分析可以看出，方案2為一種較好的認證方案，現針對方案2進行仿真研究。這里測試主要研究數據包傳輸密度和認證窗口兩個因素與延時的關系。為研究傳輸密度與延時的關系，在認證窗口固定的條件下，控制情報傳輸的密度，測試驗證延時。將數據流發送20次取其均值，并記錄其數據。實驗中分別取值為20、40和60，經多次測試，得到傳輸密度與認證延時的曲線關系如表2所示。為研究認證窗口與延時的關系，在傳輸密度固定的條件下，控制認證窗口，對驗證延時進行測試。試驗中分別取值為20，40和60，經多次測試，得到認證窗口與認證延時的曲線關系如表3所示。由表2可以看出，在認證窗口固定時，認證延時隨傳輸密度先減小后增大。在傳輸密度較小時，數據包間隔時間較大，是延時的主要因素，當傳輸密度較大時，認證時間成為延時的主要因素。由表3知，當傳輸密度固定時，窗口取值越大延時越小，這是由于窗口的增加減少了簽名次數。還可以看出，對于任一種傳輸密度，都可以找到一個認證窗口值，當N值大于時，延時的變化較小，因此在實際應用中，可以取該值為選定的窗口值，在保證安全性的基礎上，盡量減小延時。傳輸密度和認證窗口都對延時有很大的影響，但是，傳輸密度是不可改變的，而認證窗口則是可以控制的，因此，需要根據傳輸密度來確定認證窗口。根據仿真結果，取值為即可使延時較小，若窗口取得更大，延時也不會有明顯的減少，但安全性會降低，因此選擇窗口較合理。

3結論

本文研究了實時數據流認證的特點，提出了認證窗口的思想，在此基礎上提出了三種認證方案，給出了三種方案的認證結構和流程，并進行了仿真分析，對三種方案進行了比較，結果表明傳輸密度較小時，可采用方案1，傳輸密度較大時，可采用方案2。對方案2，分別從傳輸密度和認證窗口兩個方面來研究認證效率，并給出了動態認證窗口的取值方法。采用根據傳輸密度選取認證窗口的方法，動態調整簽名間隔，有效提高了認證效率。

作者：王方年楊曉明單位：空軍空降兵學院