基于Modbus協(xié)議的數(shù)據(jù)并行加密通信方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明屬于工業(yè)監(jiān)控領域，涉及數(shù)據(jù)加解密并行處理，特別涉及一種基于Modbus 協(xié)議的數(shù)據(jù)并行加密通信方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，將不同廠商生產(chǎn)的設備連成工業(yè)網(wǎng)絡，進行集中數(shù)據(jù)監(jiān)控的 需求日益增長，并且對工業(yè)網(wǎng)絡傳輸?shù)膶崟r性要求也日益提升。
[0003] Modbus總線協(xié)議由于其協(xié)議開放、實施簡便、可靠性高的特點，已經(jīng)成為一種工業(yè) 標準，也得到了各設備廠商的產(chǎn)品支持。Modbus通信采用主從通信方式，主站發(fā)出數(shù)據(jù)請求 信息，從站接收到正確的消息后就可以發(fā)送數(shù)據(jù)到主站以響應請求;主站也可以直接發(fā)消 息修改從站的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)雙向讀寫。目前工業(yè)中常用的Modbus通信方式是通過以太網(wǎng)結(jié)合 TCP/IP協(xié)議組成Modbus TCP/IP網(wǎng)絡進行通信。然而，當設備數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合 時，由于互聯(lián)網(wǎng)的開放性，一旦監(jiān)控數(shù)據(jù)被截獲并被加以用進行破壞活動，其帶來的損失是 非常嚴重的。因而，對傳輸?shù)谋O(jiān)控信息進行加密，同時又保證監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性是非常 重要的。
[0004] SM4(原SMS4)是國家密碼局公布的分組密碼算法，其分組長度和密鑰長度均為 128bit。加解密算法都采用32輪非線性迭代結(jié)構(gòu)。算法的加密變換主要包含異或運算和合 成變換T( ·)運算。其中，T( ·)是由非線性變換τ和線性變換L復合而成，即T( · )=L(t (·))。非線性變換τ由4個并行的S盒變換構(gòu)成，S盒是固定8比特輸入8比特輸出的變換;線 性變換L主要包含異或運算和左移運算。解密算法與加密算法的結(jié)構(gòu)相同，只是輪密鑰的使 用順序相反，即解密算法使用的輪密鑰是加密算法使用的輪密鑰的逆序。加密算法中用到 的輪密鑰是由加密密鑰MK通過輪密鑰擴展算法生成。該擴展算法基本結(jié)構(gòu)與加解密算法相 同，同樣包含異或運算和合成置換運算。只是其中的線性變換的形式略有不同。由于SM4算 法在計算過程中增加非線性變換，理論上具有較高的安全性。
[0005] 雖然利用SM4加密算法可以確保Modbus數(shù)據(jù)一定的安全。但是，由于SM4加密算法 的公開性，輪密鑰生成算法與加密算法結(jié)構(gòu)相似，都導致其安全性降低。因此，如何提高 Modbus數(shù)據(jù)在用SM4加密時的安全性成為一個亟待解決的問題。另外，在數(shù)據(jù)量較大的情況 下，使用SM4串行加密的耗時成為了實時傳輸?shù)钠款i。而隨著機構(gòu)規(guī)模的擴大，設備的增加， 勢必會增加采集的數(shù)據(jù)量，如何高效便捷的對設備配置信息進行動態(tài)管理和提高工業(yè)數(shù)據(jù) 動態(tài)采集傳輸過程中的實時性也是需要解決的問題。最后，在采集數(shù)據(jù)的過程中，采集系統(tǒng) 與設備的連接有可能出現(xiàn)斷開現(xiàn)象，如何在連接斷開的時候進行斷線重連也是一個需要解 決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的面向工業(yè)數(shù)據(jù)采集傳輸過程中所存在的安全性和實時性的問 題，提供一種基于Modbus協(xié)議的數(shù)據(jù)并行加密通信方法和系統(tǒng)。
[0007] 為解決上述問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0008] 基于Modbus協(xié)議的數(shù)據(jù)并行加密通信方法，包括如下步驟：
[0009] 步驟1、配置應用程序，即根據(jù)數(shù)據(jù)采集站點的實際需求，產(chǎn)生配置信息表；
[0010]步驟2、根據(jù)配置信息表里的信息對數(shù)據(jù)采集站點的設備運行信息進行采集，所采 集到的數(shù)據(jù)為明文數(shù)據(jù)；
[0011] 步驟3、利用基于GPU的動態(tài)選擇的改進SM4并行加密法對采集到的明文數(shù)據(jù)進行 加密；即
[0012] 步驟3.1、利用AES-128密鑰擴展法生成SM4加密法所需的32個擴展密鑰；
[0013]步驟3.2、隨機生成1個32位的隨機數(shù)G;
[0014]步驟3.3、利用GPU進行并行SM4加密，即將明文數(shù)據(jù)分成每塊128比特的數(shù)據(jù)分組， 一個數(shù)據(jù)分組的加密任務分配給一個的GHJ線程;每個GPU線程再進行32輪循環(huán)迭代加密處 理，在每輪循環(huán)迭代加密處理時，根據(jù)迭代的輪數(shù)確定隨機數(shù)G的對應位置，并根據(jù)隨機數(shù)G 的該位置上的取值選取加密輪函數(shù)；
[0015] 步驟3.4、將各個GPU線程加密輸出的數(shù)據(jù)按分塊的前后順序進行組合后形成密文 數(shù)據(jù)；
[0016] 步驟4、將數(shù)據(jù)采集站點的密文數(shù)據(jù)發(fā)送給中心監(jiān)控系統(tǒng)；
[0017] 步驟5、中心監(jiān)控系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)采集站點發(fā)送的密文數(shù)據(jù)；
[0018] 步驟6、利用基于GPU的動態(tài)選擇的改進SM4并行解密法對密文數(shù)據(jù)進行解密；即 [0019]步驟6.1、利用GPU進行并行SM4解密，即將密文數(shù)據(jù)分成每塊128比特的數(shù)據(jù)分組， 每個GPU線程解密一個數(shù)據(jù)分組;每個GPU線程再進行32輪循環(huán)迭代解密處理，在進行32輪 循環(huán)迭代解密處理時，根據(jù)隨機數(shù)G對應位置上的取值，動態(tài)選擇解密的輪函數(shù)；
[0020]步驟6.2、將各個GPU線程解密輸出的數(shù)據(jù)按分塊的前后順序進行組合后獲得明文 數(shù)據(jù)；
[0021 ]步驟7、將解密所得的明文數(shù)據(jù)進行顯示，以獲得數(shù)據(jù)采集站點的設備運行信息。
[0022] 步驟3.1中，擴展密鑰只需要產(chǎn)生一次，該擴展密鑰在各個GPU線程加密過程中循 環(huán)使用。
[0023] 步驟3.1中所述密鑰擴展的具體過程為：
[0024] 步驟3.1. 1、將128bit的初始密鑰按照列順序組成4個32bit的字，分別記為WQ-W3;
[0025] 步驟3.1.2、在初始密鑰的基礎上依次新增31個字Wj，每一個新增的字Wj的值依賴 于Wj-1 和Wj-4,即：
[0026] 當j除以4的余數(shù)不為0時，Wj=Wj-4 Wj-1;
[0027] 當 j除以4的余數(shù)為0時，Wj=Wj-4? g(wj-i);
[0028] 步驟3.1.3、利用上述產(chǎn)生的字生成SM4加密算法中用到的擴展密鑰，即擴展密鑰 rki=wj+4；
[0029] 上述j = 4,5,6......35; 4 = 0，1，".，31$〇是一個復雜函數(shù)。
[0030] 步驟3.1.2中，復雜函數(shù)g()的計算過程如下：
[0031]步驟3.1.2.1、將字％-1以字節(jié)為單位，排列表示成[80,81，8 2,83]的形式，并將[80， Bi，B2，B3 ]循環(huán)左移一個字節(jié)，變換成[Bi，B2，B3，Bo];
[0032]步驟3.1.2.2、利用AES的S盒對輸入字的每個字節(jié)進行字節(jié)替換，變?yōu)閇B'^B'2， B，3，B，o];
[0033] 步驟3.1.2.3、將產(chǎn)生的結(jié)果[8'1，8'2,8'3,8'0]與輪常數(shù)進行異或輸出；
[0034] 上述j = 4,5,6……35。
[0035] 步驟3中，根據(jù)迭代的輪數(shù)確定隨機數(shù)G對應位置，該隨機數(shù)G的每一位作為每一輪 迭代時動態(tài)選擇的依據(jù)，即：
[0036] 當隨機數(shù)G的對應的位置的數(shù)值為0時，選擇使用AiMzFUiXi+^Xi+^Xwkih Xi ? T(Xi+1 ? Xi+2 ? Xi+3 ? rki)作為輪函數(shù)；
[0037] 當隨機數(shù)G的對應的位置的數(shù)值為1時，選擇使用:Χ?+4 = Ρ(Χ?，Χ?+1，Χ?+2，Χ?+3，Γ1α) = Xi ? T(Xi+1+Xi+2+Xi+3 ? rki)作為輪函數(shù)；
[0038] 其中，Xi-Xm表示第i輪輸入的明文數(shù)據(jù)，F(xiàn)〇表示輪函數(shù)，T〇表示合成變換函數(shù)， rki表示第i輪使用的擴展密鑰，i = 0，1，…，31。
[0039] 步驟3.3中，每個GPU線程進行加密處理的過程為：
[0040] 步驟3.3.1、根據(jù)本次迭代次數(shù)，確定隨機數(shù)G的對應位置，并根據(jù)該位置上的明文 數(shù)據(jù)的數(shù)值選取輪函數(shù)；即當隨機數(shù)G的對應的位置的明文數(shù)據(jù)的值為0時，計算X 1+1?X1+2 ? Xi+3 ? rki;當隨機數(shù)G的對應的位置的明文數(shù)據(jù)的值為1時，計算Xi+1+Xi+2+Xi+3 θ rki;并將 計算結(jié)果按照字節(jié)順序排列保存為數(shù)據(jù)塊Α=(&〇，&1， &2，&3);
[0041] 步驟3.3.2、利用AES的S盒對上一步的數(shù)據(jù)塊A=(a()，al，a2，a3)進行字節(jié)替換，輸 出按字節(jié)順序保存為數(shù)據(jù)塊B = (bo，bi，b2，b3)，即（bo，bi，b2，b3) = τ(Α) = (Sbox(ao)，Sbox (ai)，Sbox(a2)，Sbox(a3));
[0042] 步驟3.3.3、將上一步的B進行線性變換，輸出保存為數(shù)據(jù)塊C，則:C = L(B) = (B〈〈〈 0)? (B〈〈〈2)? (B〈〈〈10)? (B〈〈〈18)? (B〈〈〈24)
[0043] 步驟3.3.4、將上一步生成的數(shù)據(jù)塊C和本次的輸入明文數(shù)據(jù)進行異或運算，計算 Xi+4 = Xi ? (：4+1義+2義+3義+4作為下一次輪循環(huán)的輸入；
[0044] 步驟3.3.5、重復上述3.3.1~3.3.4的操作，將上一輪移位后數(shù)據(jù)作為新一輪輸 入，重復32次;經(jīng)過32循環(huán)迭代加密后，輸出密文數(shù)據(jù)為(Y〇，h，Y 2，Y3) = (X35，X34，X33，X32);
[0045] 式中，Xi-Xi+3表示第i輪輸入的明文數(shù)據(jù)，τ ()表示置換變換函數(shù)，Sbox ()為S盒變 換函數(shù)，L〇表示線性變換函數(shù)，riu表示第i輪使用的擴展密鑰。
[0046] 步驟3.3和步驟6.1中，當數(shù)據(jù)分組的組數(shù)達