面向智能船舶远程驾驶的数据加密技术研究

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远程驾驶是智能船舶的重要驾驶模式。为了保证船舶远程驾驶的安全性和可靠性,必须要解决海上网络安全这一核心问题。传统的网络空间安全主要以加密和信任为安全基础,采用边界防护的模式,但这容易成为网络安全的薄弱环节。本文根据我国对关键密码算法“安全、自主、可控”的需求,对面向智能船舶远程驾驶的数据加密技术开展研究,重点对“船到岸”和“岸到船”这两个关键应用场景开展数据加密算法的研究与实验,旨在保障岸基对海上船舶的数据采集能力,提升对海上船舶指令发送的安全等级,保证智能船舶远程驾驶的信息安全。本文通过对海上通信网络安全问题的分析,将研究重点放在加密算法上,在对一系列商用密码算法进行对比分析的基础上,为了满足“岸到船”指令传输安全性这一需求,采用公钥算法分配的模式,结合国密算法SM2、SM3、SM4,提出了一种不完全依赖密钥的数据加扰国产加密混合算法SMDS(SM Data Scrambling encryption algorithm),通过对SM2算法和SM4算法使用二进制伪随机序列分离和明文恢复,将混合加密算法的密钥空间由原本的2128增加到了2256。该方法通过线性分割线,结合数据加扰思想,在兼顾加解密效率的同时安全性得到大幅度提升,解决了数据传输过程中面临的安全问题。为了满足“船到岸”能够传输大量数据的需求,鉴于DNA(Deoxyribonucleic Acid)算法在计算并行性、信息存储能力与能耗方面的优势,以及混沌理论与DNA算法结合的理论研究基础,本文对传统DNA计算进行改进,将超混沌系统与改进DNA计算结合进行加密,提出了基于混沌和迭代循环DNA混合加密算法,所使用的混沌系统为超混沌Chen系统,加密方案分为置乱和扩散两个阶段,在置乱阶段首先将原图像进行DNA编码,然后采用改进Zig Zag变换迭代置乱,扩散阶段采用DNA循环操作,最后进行DNA解码,得到加密图像。通过对提出的加密方法进行仿真,从密钥空间、密钥敏感性、信息熵等方面对算法的性能进行分析比较,证明了加密算法的安全性。本文通过实验验证了所提出的加扰国产加密混合算法SMDS、基于混沌和迭代循环DNA混合加密算法的有效性和实用性,能够帮助智能船舶远程驾驶岸基中心建立健全的网络安全管理体系,提高网络入侵防御能力,从而为智能航运的发展保驾护航。
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