一种基于AES-128并行变换的车载通信优化方法及系统

一种基于aes-128并行变换的车载通信优化方法及系统
技术领域
1.本技术涉及信息安全技术领域，尤其涉及一种基于aes-128并行变换的车载通信优化方法及系统。


背景技术：

2.车载以太网是直接影响汽车主动安全性的重要组成部分，所以必须保障车载以太网的实时性、可靠性和安全性。随着汽车电控系统与外部的移动通信网络之间的信息交互越来越频繁，车载总线网络面临了巨大的安全隐患。车载以太网通过连接智能手机、蓝牙、因特网等网络系统虽然给驾驶员提高了驾驶乐趣，但是带来了黑客攻击、信息篡改、安全漏洞等不容忽视的汽车网络安全问题，严重影响汽车的安全行驶、个人隐私、甚至危及公共安全。因此，车载总线网络系统不再是独立、安全的网络系统。
3.车载以太网是以太网技术与车载设备的有机结合，以其低复杂度、高效率、高性价比在车联网领域备受关注。凭借自身可到千兆的高带宽，支持多种通信协议以及具有极强扩展性的优势，车载以太网逐步成为当前智能网联汽车的主流通信技术。但是，在汽车电子领域，车载以太网通信是车辆内部各个电子系统之间进行数据通信的主要方式，比如发动机控制系统、车载娱乐系统、智能驾驶辅助系统等。由于车载以太网通信中涉及到的数据可能包含机密信息，如车辆状态、位置信息等，因此需要加密保护数据的安全性和机密性。
4.信息安全技术在未来工业技术中起到重要的核心作用，加密算法是保证信息安全的一种重要手段，其中aes(advancedencryptionstandard)算法是一种广泛使用的对称加密算法。aes算法具有加密强度高、实现简单等优点，因此在安全领域得到了广泛应用。然而，传统的aes算法在加密大数据量时加密速度较慢，无法满足实时加密的需求，影响了车载以太网的通信效率。


技术实现要素：

5.本技术提供了一种基于aes-128并行变换的车载通信优化方法及系统，能够解决现有的aes算法在加密大数据量时加密速度较慢，无法满足实时加密的需求，以致于影响了车载以太网的通信效率的问题。
6.本技术的第一个技术方案是一种基于aes-128并行变换的车载通信优化方法，包括：
7.s1：获取明文数据流并且针对明文数据流进行分割处理，相应地得到若干个待处理数据块；每个所述待处理数据块包括以矩阵形式依序排列的若干个待处理字节；
8.s2：基于若干个所述待处理字节在待处理数据块中的排列顺序，针对位于排列顺序中前端的一行待处理字节进行字节替换处理，相应地得到当次的一行替换字节；
9.以及，在依序针对矩阵中下一行所述待处理字节进行字节替换处理的起始时刻，针对当次的一行替换字节进行行位移变换处理；
10.s3：若干个所述待处理数据块同时均重复执行所述步骤s2，直至每个所述待处理
数据块中的若干个待处理字节均被处理完毕，相应地得到若干个变换处理数据块；
11.s4：针对若干个变换处理数据块，依次进行包括行列混淆变换处理和轮密钥加变换处理的组合处理，得到密文数据流。
12.本技术的第二个技术方案是一种基于aes-128并行变换的车载通信优化系统，包括：数据分割模块、优化处理模块和组合处理模块；
13.所述数据分割模块，用于获取明文数据流并且针对明文数据流进行分割处理，相应地得到若干个待处理数据块，以及传送若干个待处理数据块至若干个不同的所述优化处理模块；
14.每个所述待处理数据块包括以矩阵形式依序排列的若干个待处理字节；
15.所述优化处理模块，用于基于若干个所述待处理字节在待处理数据块中的排列顺序，针对位于排列顺序中前端的一行待处理字节进行字节替换处理，相应地得到当次的一行替换字节；
16.以及，还用于在依序针对矩阵中下一行所述待处理字节进行字节替换处理的起始时刻，针对当次的一行替换字节进行行位移变换处理；
17.以及，还用于同时针对若干个待处理数据块进行字节替换处理和行位移变换处理，直至每个所述待处理数据块中的若干个待处理字节均被处理完毕，相应地得到若干个变换处理数据块；
18.以及，还用于传送若干个变换处理数据块至所述组合处理模块；
19.所述组合处理模块，用于针对若干个变换处理数据块，依次进行包括行列混淆变换处理和轮密钥加变换处理的组合处理，得到密文数据流。
20.可选地，所述数据分割模块包括：明文获取单元和数据分组单元；
21.所述明文获取单元，用于获取明文数据流并且传送明文数据流至数据分组单元；
22.所述数据分组单元，用于针对明文数据流进行分割处理，相应地得到若干个待处理数据块，以及传送若干个待处理数据块至若干个不同的所述优化处理模块。
23.可选地，所述优化处理模块包括：设置数量均为若干个的字节替换处理单元和行位移变换处理单元；
24.若干个所述字节替换处理单元，用于基于若干个待处理字节在待处理数据块中的排列顺序，同时针对若干个待处理数据块中位于排列顺序中前端的待处理字节进行字节替换处理，相应地得到当次的替换字节；
25.若干个所述行位移变换处理单元，用于同时接收当次的替换字节并且相应地针对当次的替换字节进行行位移变换处理，直至若干个所述待处理数据块均被处理完毕，相应地得到若干个变换处理数据块；
26.以及，还用于同时传送若干个变换处理数据块至所述组合处理模块(3)。
27.可选地，所述优化处理模块还包括：若干个fifo缓冲区；
28.若干个所述fifo缓冲区，用于同时将来源于所述字节替换处理单元的当次的替换字节传送至所述行位移变换处理单元。
29.有益效果：
30.1)加密速度快；本技术首先将明文数据流分成多个待处理数据块并且分配给不同的优化处理模块进行并行处理，同时在优化处理模块的内将字节替换处理和行位移变换处
理进行并行处理，大大提高了处理速度，既克服了传统的串行处理方式因为需要逐个字节进行处理，所以处理速度较慢且难以满足实时性的要求，还克服了传统aes算法中字节替换和行位移变换的顺序执行问题，大幅提高了加密算法的速度，实现了加密速度的快速增长；
31.2)安全性高；由于本技术提供的aes加密算法仍然具有相同的安全性和保密性，具有优异的加密保护能力，可广泛应用于各种需要安全保护的场合；
32.3)稳定性强；本技术通过将明文中待加密的数据块来分配给不同的处理器进行并行计算，提高了算法的稳定性，有效避免了传统算法的单点故障问题，保证了加密算法的持续稳定性和可靠性；
33.4)实用性强；本技术提供的加密方法、用户设备、存储介质及装置具有可操作性、可实现性和应用性强的特点，可在各种计算机系统和设备中进行使用和部署，具有广泛的应用前景；
34.综上可知，本技术的加密技术可以应用于车载以太网通信中，通过硬件加速和并行加密等优化措施实现实时加密，从而满足车载以太网数据实时加密的要求，因此能够解决现有的aes算法在加密大数据量时加密速度较慢，无法满足实时加密的需求，以致于影响了车载以太网的通信效率的问题，
附图说明
35.为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
36.图1为本技术实施例中基于aes-128并行变换的车载通信优化方法的流程示意图；
37.图2为现有技术中基于aes-128进行字节替换处理的流程示意图；
38.图3为现有技术中基于aes-128进行行位移变换处理的流程示意图；
39.图4为本技术实施例中针对字节替换处理和行位移变换处理进行优化处理的前后对比示意图；
40.图5为本技术实施例中针对aes-128算法进行优化处理的前后对比示意图；
41.图6为本技术实施例中基于aes-128并行变换的车载通信优化系统的结构示意图；
42.图中，1-数据分割模块；11-明文获取单元；12-数据分组单元；2-优化处理模块；21-字节替换处理单元；22-行位移变换处理单元；3-组合处理模块。
具体实施方式
43.下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的系统和方法的示例。
44.第一方面，本技术提供了一种基于aes-128并行变换的车载通信优化方法，包括：
45.s1：获取明文数据流并且针对明文数据流进行分割处理，相应地得到若干个待处理数据块；每个待处理数据块包括以矩阵形式依序排列的若干个待处理字节。
46.具体地，将明文数据流分成若干个数据块并且将每个数据块分配给不同的处理器
进行处理。明文数据流应该被分成固定长度的待处理数据块，比如128比特。
47.s2：基于若干个待处理字节在待处理数据块中的排列顺序，针对位于排列顺序中前端的一行待处理字节进行字节替换处理，相应地得到当次的一行替换字节；
48.以及，在依序针对矩阵中下一行待处理字节进行字节替换处理的起始时刻，针对当次的一行替换字节进行行位移变换处理。
49.具体地，如图2、图3和图4所示，图2为现有技术中基于aes-128进行字节替换处理的流程示意图，图3为现有技术中基于aes-128进行行位移变换处理的流程示意图，图4为本技术实施例中针对aes-128中字节替换处理和行位移变换处理进行优化处理前后的对比示意图。
50.传统的aes-128加密解密算法需要按照如图1和图2所示的固定顺序依次执行各个步骤，但这种方式会浪费时间。为了提高算法的运行速度，本技术实施例采用并行优化的步骤针对传统的aes-128算法进行优化。
51.本技术实施例通过线程之间的协作来实现步骤的并行化。
52.其中，在进行aes-128加密过程时，可在校验矩阵的每一行执行完字节替换后立即对该行进行行位移变换，而无需等待校验矩阵中的所有字节全部代换完毕。
53.这种优化方式可以提高aes-128算法的效率，从而加快加密解密速度。记校验矩阵的第一行进行字节替换为x1，执行行位移为y1，以此类推。
54.根据图4所示，在加密数据中，每行字节替换和行位移变换可以并行执行，因为它们不会相互干扰。如果采用并行运算，字节替换和行位移变换可以同时进行，这样加密过程的总运行时间将会减少。在串行运算下，两个变换总共用时(4a+4b)个时间单位，在并行模式下，只需要(4a+b)个时间单位，从而节省了3b的行位移处理时间。
55.上述改进可以显著提高算法的加密速度和效率。通过将字节替换处理和行位移变换处理合并为二者并行变换来减少算法中的操作步骤和计算时间。因此，在执行加密操作时，可以同时执行这两个步骤，从而大大减少加密时间。
56.s3：若干个待处理数据块均同时重复执行步骤s2，直至每个待处理数据块中的若干个待处理字节均被处理完毕，相应地得到若干个变换处理数据块。
57.具体地，本技术实施例将待处理数据块分配给不同的优化处理模块2，若干个优化处理模块2同时执行字节替换处理和行位移变换处理。在字节替换处理完成后，优化处理模块2直接执行行位移变换处理。通过并行计算，本技术实施例可以有效地提高aes加密算法的加密速度。
58.使用数据流并行的方式可以实现每个优化处理模块2同时执行字节替换处理和行位移变换处理的目的，以实现更高的并行性和更快的加密速度，此外还能够很好地处理任务之间的依赖关系，以确保加密的正确性和安全性。
59.s4：针对若干个变换处理数据块，依次进行包括行列混淆变换处理和轮密钥加变换处理的组合处理，得到密文数据流。
60.具体地，如图5所示，图5为本技术实施例中针对aes-128算法进行优化处理的前后对比示意图，本技术实施例将字节替换处理和行位移变换处理合并为一个并行变换步骤，以及将传统算法中的四步轮变换优化为三步，可提高加密效率，从而能够满足车载以太网通信的实时性要求，保障数据的安全性和保密性。实验结果表明，本技术实施例的加密解密
速度相较于传统aes-128算法有较大提升并且不影响通信质量和稳定性。
61.综上可知，本技术实施例克服了传统的技术困难和技术偏见。在传统的加密算法中，明文待加密的数据报文通常采用串行的方式实现，这样会存在处理速度慢、实时性低、容易受到外部攻击等问题。而本技术的技术方案不仅处理速度快，而且也能够有效提高数据的安全性和机密性，从而克服了传统加密算法的缺点。
62.第二方面，本技术提供了一种基于aes-128并行变换的车载通信优化系统，如图6所示，图6为本技术实施例中基于aes-128并行变换的车载通信优化系统的结构示意图，包括：数据分割模块1、优化处理模块2和组合处理模块3。
63.数据分割模块1，用于获取明文数据流并且针对明文数据流进行分割处理，相应地得到若干个待处理数据块，以及传送若干个待处理数据块至若干个不同的优化处理模块2。每个待处理数据块包括以矩阵形式依序排列的若干个待处理字节。
64.其中，数据分割模块1包括：明文获取单元11和数据分组单元12。
65.明文获取单元11，用于获取明文数据流并且传送明文数据流至数据分组单元12。
66.数据分组单元12，用于针对明文数据流进行分割处理，相应地得到若干个待处理数据块，以及传送若干个待处理数据块至若干个不同的优化处理模块2。
67.优化处理模块2，用于基于若干个待处理字节在待处理数据块中的排列顺序，针对位于排列顺序中前端的一行待处理字节进行字节替换处理，相应地得到当次的一行替换字节。以及，还用于在依序针对矩阵中下一行待处理字节进行字节替换处理的起始时刻，针对当次的一行替换字节进行行位移变换处理。以及，还用于同时针对若干个待处理数据块进行字节替换处理和行位移变换处理，直至每个待处理数据块中的若干个待处理字节均被处理完毕，相应地得到若干个变换处理数据块。
68.以及，还用于传送若干个变换处理数据块至组合处理模块3。
69.其中，优化处理模块2包括：设置数量均为若干个的字节替换处理单元21和行位移变换处理单元22，以及若干个fifo缓冲区。
70.若干个字节替换处理单元21，用于基于若干个待处理字节在待处理数据块中的排列顺序，同时针对若干个待处理数据块中位于排列顺序中前端的待处理字节进行字节替换处理，相应地得到当次的替换字节。
71.若干个行位移变换处理单元22，用于同时接收当次的替换字节并且相应地针对当次的替换字节进行行位移变换处理，直至若干个待处理数据块均被处理完毕，相应地得到若干个变换处理数据块。还用于同时传送若干个变换处理数据块至组合处理模块3。
72.若干个fifo缓冲区，用于同时将来源于字节替换处理单元21的当次的替换字节传送至行位移变换处理单元22。
73.具体地，在每个优化处理模块2中，可以设置两个处理单元unit，一个用于字节替换的字节替换处理单元21，另一个用于行位移变换的行位移变换处理单元22，字节替换处理单元21和行位移变换处理单元22之间可以通过fifo缓冲区(先进先出)进行数据传输和同步。fifo缓冲区未在附图中示出。
74.在字节替换处理单元21中，将待处理数据块中的字节替换成对应的s盒中的字节。
75.在行位移变换处理单元22中，将待处理数据块进行行位移变换处理。在处理过程中，行位移变换处理单元22会同时处理不同行的数据，以实现更高的并行性。
76.组合处理模块3，用于针对若干个变换处理数据块，依次进行包括行列混淆变换处理和轮密钥加变换处理的组合处理，得到密文数据流。
77.具体地，本技术实施例中的字节替换处理和行位移变换处理采用aes算法中的标准算法。对密文进行解密时，采用与加密相同的优化后的aes-128解密算法，具体步骤与加密过程类似。
78.组合处理模块3可将密文数据流发送给车载以太网通信模块。密文数据流可以通过车载以太网通信模块进行传输和通信。采用aes等高效的加密算法并且结合哈希算法和消息认证码等安全措施确保数据的完整性和可靠性。
79.在一些实施例中，在车载以太网通信中加入密模块、密钥管理模块和访问控制模块等组件，实现对数据的加密、密钥的管理和访问权限的控制。密模块用于存储密钥和执行加密解密操作，密钥管理模块用于生成和分配密钥，访问控制模块用于控制数据的访问权限。
80.在实际应用中，为实现加密算法的硬件加速，需要选择性能较好的fpga或者asic等硬件平台并对其进行设计和优化。以及还可以利用并行加密、流水线等技术来提高加密效率。
81.以上对本技术的实施例进行了详细说明，但内容仅为本技术的较佳实施例，不能被认为用于限定本技术的实施范围。凡依本技术范围所作的均等变化与改进等，均应仍属于本技术的专利涵盖范围之内。

技术特征：
1.一种基于aes-128并行变换的车载通信优化方法，其特征在于，包括：s1：获取明文数据流并且针对明文数据流进行分割处理，相应地得到若干个待处理数据块；每个所述待处理数据块包括以矩阵形式依序排列的若干个待处理字节；s2：基于若干个所述待处理字节在待处理数据块中的排列顺序，针对位于排列顺序中前端的一行待处理字节进行字节替换处理，相应地得到当次的一行替换字节；以及，在依序针对矩阵中下一行所述待处理字节进行字节替换处理的起始时刻，针对当次的一行替换字节进行行位移变换处理；s3：若干个所述待处理数据块同时均重复执行所述步骤s2，直至每个所述待处理数据块中的若干个待处理字节均被处理完毕，相应地得到若干个变换处理数据块；s4：针对若干个变换处理数据块，依次进行包括行列混淆变换处理和轮密钥加变换处理的组合处理，得到密文数据流。2.一种基于aes-128并行变换的车载通信优化系统，其特征在于，包括：数据分割模块、优化处理模块和组合处理模块；所述数据分割模块，用于获取明文数据流并且针对明文数据流进行分割处理，相应地得到若干个待处理数据块，以及传送若干个待处理数据块至若干个不同的所述优化处理模块；每个所述待处理数据块包括以矩阵形式依序排列的若干个待处理字节；所述优化处理模块，用于基于若干个所述待处理字节在待处理数据块中的排列顺序，针对位于排列顺序中前端的一行待处理字节进行字节替换处理，相应地得到当次的一行替换字节；以及，还用于在依序针对矩阵中下一行所述待处理字节进行字节替换处理的起始时刻，针对当次的一行替换字节进行行位移变换处理；以及，还用于同时针对若干个待处理数据块进行字节替换处理和行位移变换处理，直至每个所述待处理数据块中的若干个待处理字节均被处理完毕，相应地得到若干个变换处理数据块；以及，还用于传送若干个变换处理数据块至所述组合处理模块；所述组合处理模块，用于针对若干个变换处理数据块，依次进行包括行列混淆变换处理和轮密钥加变换处理的组合处理，得到密文数据流。3.根据权利要求2所述的基于aes-128并行变换的车载通信优化系统，其特征在于，所述数据分割模块包括：明文获取单元和数据分组单元；所述明文获取单元，用于获取明文数据流并且传送明文数据流至数据分组单元；所述数据分组单元，用于针对明文数据流进行分割处理，相应地得到若干个待处理数据块，以及传送若干个待处理数据块至若干个不同的所述优化处理模块。4.根据权利要求2所述的基于aes-128并行变换的车载通信优化系统，其特征在于，所述优化处理模块包括：设置数量均为若干个的字节替换处理单元和行位移变换处理单元；若干个所述字节替换处理单元，用于基于若干个待处理字节在待处理数据块中的排列顺序，同时针对若干个待处理数据块中位于排列顺序中前端的待处理字节进行字节替换处理，相应地得到当次的替换字节；若干个所述行位移变换处理单元，用于同时接收当次的替换字节并且相应地针对当次
的替换字节进行行位移变换处理，直至若干个所述待处理数据块均被处理完毕，相应地得到若干个变换处理数据块；以及，还用于同时传送若干个变换处理数据块至所述组合处理模块。5.根据权利要求4所述的基于aes-128并行变换的车载通信优化系统，其特征在于，所述优化处理模块还包括：若干个fifo缓冲区；若干个所述fifo缓冲区，用于同时将来源于所述字节替换处理单元的当次的替换字节传送至所述行位移变换处理单元。

技术总结
本申请涉及信息安全技术领域，尤其涉及一种基于AES-128并行变换的车载通信优化方法及系统。方法包括：针对明文数据流进行分割处理，得到待处理数据块；针对前端的一行待处理字节进行字节替换处理，得到当次的一行替换字节；在依序针对矩阵中下一行待处理字节进行字节替换处理的起始时刻，针对当次的一行替换字节进行行位移变换处理；待处理数据块同时均重复执行上述处理步骤，得到变换处理数据块；针对变换处理数据块，依次进行组合处理，得到密文数据流。本申请将明文数据流分成多个待处理数据块并且分配给不同的优化处理模块进行并行处理，同时在优化处理模块的内将字节替换处理和行位移变换处理进行优化并行处理，大大提高了处理速度。了处理速度。了处理速度。


技术研发人员：许一男 吴俞憬 陈长齐 孙嘉成 杨文轩
受保护的技术使用者：延边大学
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/8/23