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CN112070926A - 一种具有高标准防护的数据加密及存储系统及设备 - Google Patents

一种具有高标准防护的数据加密及存储系统及设备 Download PDF

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CN112070926A CN202010683980.5A CN202010683980A CN112070926A CN 112070926 A CN112070926 A CN 112070926A CN 202010683980 A CN202010683980 A CN 202010683980A CN 112070926 A CN112070926 A CN 112070926A
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彭海辉
郑霄峰
王东宁
黄海剑
王波
王永明
谢海宝
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Suzhou Huaqi Intelligent Technology Co ltd
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Suzhou Huaqi Intelligent Technology Co ltd
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Abstract

本发明公开了一种具有高标准防护的数据加密及存储系统及设备，系统包括若干硬件板卡、主控板、预留模拟板、数字板、背板、PCBA板卡，各硬件板卡通过交换机板以网络互连，主控板上设置有485与CAN接口，可通过USB实现数据交互，系统在网络失效的情况下可通过IIC总线与UART接口保证数据的传输，接收各类数据并写入存储板卡中，再通过交换机对外设置的两路以太网络经由网络发心跳信号的方式互相确认在线情况。本发明记录交通工具在行驶过程中的参数数据并对数据进行加密存储，确保了数据的保密性，实现了数据存储的高标准防护等级。

Description

一种具有高标准防护的数据加密及存储系统及设备
技术领域
本发明涉及数据加密及存储领域，特别涉及一种具有高标准防护的数据加密及存储系统及设备，适用于对数据加密存储防护标准较高的交通工具，如列车、汽车、飞机等。
背景技术
伴随国内交通工具的规模发展，随着城市轨道交通运营里程迅速增加、线网规模不断扩大、安全运行压力日趋加大，本着“预防为先，防处并举”原则，亟待出现一种具有高标准防护的数据加密及存储的系统及设备，用以解决数据加密的可靠性和存储的高标准性。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种具有高标准防护的数据加密及存储系统及设备，记录交通工具在行驶过程中的参数数据并对数据进行加密存储，确保了数据的保密性，实现了数据存储的高标准防护等级。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种具有高标准防护的数据加密及存储系统，所述系统包括若干硬件板卡、主控板、预留模拟板、数字板、背板、PCBA板卡，各硬件板卡通过交换机板以网络互连，所述主控板上设置有485与CAN接口，可通过USB实现数据交互，所述预留模拟板和数字板可接收外部模拟信号和数字量开关信号，所述系统在网络失效的情况下可通过IIC总线与UART接口保证数据的传输，接收各类数据并写入存储板卡中，再通过交换机对外设置的两路以太网络经由网络发心跳信号的方式互相确认在线情况，所述背板设置有四路以太网信号用于连接主控板、MVB板、预留模拟板和数字板，并通过MVB模块将MVB接口转换为以太网和UART通讯接口。
优先的，所述交换机的两路以太网络其中一路用于接收列车以太网数据，另一路用于冗余备份。
优先的，所述PCBA板卡采用MCU加核心模块的硬件架构。
优先的，所述核心模块实现MVB数据链路层功能，与MCU之间通过UART互连。
优先的，所述MCU通过UART、IIC和以太网实现系统内部交互对接。
优选的，所述系统的加密算法使用改进后的16轮TEA填充交织算法，具体包括：
1）对要加密的数据进行异或运算
根据公式：pDst = pSrc ^ pKey，按字节依次对要加密的明文进行异或运算；
2）填充算法
不管明文长度为多少，都要进行填充，使 N = 原始字符串+10+填充字节数n，N为8的倍数，n小于8且大于等于0z；
具体的填充方法：第一个字节为：(random()&0xf8)|n，随后填充(n+2)个字节random()&0xff ,后面接原始数据，最后填充7个字节0x00 ，因为使用了不同的随机数，所以填充的结果使得即使对于相同的明文，密文的结果也会不同；
3）交织算法
消息被分为多个加密单元，每一个加密单元都是8字节，使用TEA进行加密，加密结果与下一个加密单元做异或运算后再作为待加密的明文，具体加密过程所示：
r=code(v^tr,key)^to
code函数就是16轮TEA加密
v是被加密的8字节数据
tr是前次加密的结果
to是前次被加密的数据, 等于 v ^ r
对头8字节, 'tr' 和 'to' 设为零。
优选的，所述系统的解密算法包括：
1）公式：
x = decipher(v[i:i+8] ^ prePlain, key) ^ preCyrpt
perPlain 是被加密的前8字节，注意! 他等于前8字节数据异或上前8字节prePlain，而不只是前8字节；
perCrypt 是前8字节加密结果；
2）在解密完原始数据后,必须去除在加密时添加的填充字节，解密需要的数据是pos个字节，pos=strlen($v)-p&0x7-10，在$v里从strlen($v)-pos-7开始截取pos个字节，得出来的数据即为尾部填充始终是7字节零，可通测试最后7字节是零,来确定它是否正确，所以返回 r[pos+1:-7]；
3）pDst = pSrc ^ pKey，按字节异或运算出原始的明文。
本发明还提供了一种具有高标准防护的数据加密及存储设备，包括上述所述的系统，还包括电源模块、MVB模块、数据通讯模块、交换机模块、核心数据存储模块，各模块通过系统内部的主控板通讯连接。
优选的，所述核心数据存储模块在设备电源突发意外断电时可自行提供电压以维持数据存储功能，其实现方式：当电压降到设定的故障电压值时，电源模块的芯片会在断电同时有一个电源转换的机制，对超级电容进行放电，以此来维持断电后交通工具设备的参数数据存储记录。
通过上述技术方案，本发明提供的一种具有高标准防护的数据加密及存储系统及设备，记录交通工具在行驶过程中的参数数据并对数据进行加密存储，确保了数据的保密性，实现了数据存储的高标准防护等级，同时，便于在日常维护及发生交通意外之后可以还原数据，通过录音、行驶参数等数据分析原因。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本系统的结构框图；
图2为本设备的整体结构示意图；
图3为本设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本实施例中，如图1-3所示，一种具有高标准防护的数据加密及存储系统，所述系统包括若干硬件板卡、主控板、预留模拟板、数字板、背板、PCBA板卡，各硬件板卡通过交换机板以网络互连，所述主控板上设置有485与CAN接口，可通过USB实现数据交互，所述预留模拟板和数字板可接收外部模拟信号和数字量开关信号，所述系统在网络失效的情况下可通过IIC总线与UART接口保证数据的传输，接收各类数据并写入存储板卡中，再通过交换机对外设置的两路以太网络经由网络发心跳信号的方式互相确认在线情况，所述背板设置有四路以太网信号用于连接主控板、MVB板、预留模拟板和数字板，并通过MVB模块将MVB接口转换为以太网和UART通讯接口。
所述交换机的两路以太网络其中一路用于接收列车以太网数据，另一路用于冗余备份。
所述PCBA板卡采用MCU加核心模块的硬件架构。
所述核心模块实现MVB数据链路层功能，与MCU之间通过UART互连。
所述MCU通过UART、IIC和以太网实现系统内部交互对接。
所述系统的加密算法使用改进后的16轮TEA填充交织算法，具体包括：
1）对要加密的数据进行异或运算
根据公式：pDst = pSrc ^ pKey，按字节依次对要加密的明文进行异或运算；
2）填充算法
不管明文长度为多少，都要进行填充，使 N = 原始字符串+10+填充字节数n，N为8的倍数，n小于8且大于等于0z；
具体的填充方法：第一个字节为：(random()&0xf8)|n，随后填充(n+2)个字节random()&0xff (注意前后的random是同一个数！不变的)，后面接原始数据，最后填充7个字节0x00 ，因为使用了不同的随机数，所以填充的结果使得即使对于相同的明文，密文的结果也会不同；
3）交织算法
消息被分为多个加密单元，每一个加密单元都是8字节，使用TEA进行加密，加密结果与下一个加密单元做异或运算后再作为待加密的明文，具体加密过程所示：
r=code(v^tr,key)^to
code函数就是16轮TEA加密
v是被加密的8字节数据
tr是前次加密的结果
to是前次被加密的数据, 等于 v ^ r
对头8字节, 'tr' 和 'to' 设为零
4）示例数据
试验数据如下：
随机数：Random（）=0xad；
明文：00 01 01 00 00 00 07 00 00 00 00 3A FB 95 E7 ；
密钥：ef 62 36 e0 60 96 3c 24 d2 c8 53 1b 7c 5e 17 7f；
密文：D7 81 D2 03 79 F2 79 E0 4D 6D B2 B8 C2 B4 5C A2 76 C2 CF E5 99 D6 B5CE 88 14 55 5A E5 CC 0C 4B
填充过程：
1）计算n，由于明文是15个字节，则（15+10+7）%8==0，所以n=7；
2）计算第一个字节：(0xad&0xf8)|0x07=0xaf；
3）随后的7+2个字节：ad adadadadadadadad；
4）原始数据：00 01 01 00 00 00 07 00 00 00 00 3A FB 95 E7；
5）最后7个字节的填充：00 00 00 00 00 00 00；
填充后的数据为：
af ad adadadadadadadad 00 01 01 00 00 00
07 00 00 00 00 3A FB 95 E7 00 00 00 00 00 00 00
加密过程：
数据同上，可以看出填充后的数据将被分为4组，命名为P1 ,P2 ,P3 ,P4 ，加密结果按8字节组分别为 C1，C2, C3, C4 ，则加密过程如下：
P1= af ad adadadadadad；
P2= ad ad 00 01 01 00 00 00;
P3= 07 00 00 00 00 3A FB 95;
P4= E7 00 00 00 00 00 00 00;
Sessionkey = ef 62 36 e0 60 96 3c 24 d2 c8 53 1b 7c 5e 17 7f；
实现步骤如下：
p1’= p1Xor0 =af ad adadadadadad
C1= E(SessionKey)(P1) = D7 81 D2 03 79 F2 79 E0；
c1’= c1 xor 0= D7 81 D2 03 79 F2 79 E0;
P2’= P2 Xor C1=7A 2C D2 02 78 F2 79 E0;
C2’= E(SessionKey)( P2’)= E2 C0 1F 15 6F 19 F1 0F;
C2= C2’Xor P1=4D 6D B2 B8 C2 B4 5C A2；
P3’= P3 Xor C2=4A 6D B2 B8 C2 8E A7 37;
C3’= E(SessionKey)( P3’)= 0C EE 1D E7 E1 24 CC 2E;
C3= C3’Xor P2’=76 C2 CF E5 99 D6 B5 CE；
P4’= P4 Xor C3=91 C2 CF E5 99 D6 B5 CE;
C4’= E(SessionKey)( P4’)= C2 79 E7 E2 27 42 AB 7C;
C4 = C4’Xor P3’=88 14 55 5A E5 CC 0C 4B；
经过以上计算，将C1, C2, C3, C4这四个数据串联起来后即是最终的加密结果。
所述系统的解密算法包括：
1）公式：
x = decipher(v[i:i+8] ^ prePlain, key) ^ preCyrpt
perPlain 是被加密的前8字节，注意! 他等于前8字节数据异或上前8字节prePlain，而不只是前8字节；
perCrypt 是前8字节加密结果；
2）在解密完原始数据后,必须去除在加密时添加的填充字节，解密需要的数据是pos个字节，pos=strlen($v)-p&0x7-10（P代表第一个字节），在$v里从strlen($v)-pos-7开始截取pos个字节，得出来的数据即为尾部填充始终是7字节零，可通测试最后7字节是零,来确定它是否正确，所以返回 r[pos+1:-7]；
3）pDst = pSrc ^ pKey，按字节异或运算出原始的明文。
本实施例还提供了一种具有高标准防护的数据加密及存储设备，包括上述所述的系统，还包括电源模块、MVB模块、数据通讯模块、交换机模块、核心数据存储模块，各模块通过系统内部的主控板通讯连接，所述核心数据存储模块在设备电源突发意外断电时可自行提供电压以维持数据存储功能，其实现方式：当电压降到设定的故障电压值时，电源模块的芯片会在断电同时有一个电源转换的机制，对超级电容进行放电，以此来维持断电后交通工具设备的参数数据存储记录。维持时间大概在10ms左右，此防护功能的意义在于有效对交通工具在发生意外的最后时刻确保行驶参数数据存储记录的完整性和可靠性。
核心数据存储模块可在恶劣环境下确保所存储的重要数据安全及完整，核心数据存储模块满足以下测试条件下所存储的数据实现完整恢复，如下表所示实验：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种具有高标准防护的数据加密及存储系统，其特征在于，所述系统包括若干硬件板卡、主控板、预留模拟板、数字板、背板、PCBA板卡，各硬件板卡通过交换机板以网络互连，所述主控板上设置有485与CAN接口，可通过USB实现数据交互，所述预留模拟板和数字板可接收外部模拟信号和数字量开关信号，所述系统在网络失效的情况下可通过IIC总线与UART接口保证数据的传输，接收各类数据并写入存储板卡中，再通过交换机对外设置的两路以太网络经由网络发心跳信号的方式互相确认在线情况，所述背板设置有四路以太网信号用于连接主控板、MVB板、预留模拟板和数字板，并通过MVB模块将MVB接口转换为以太网和UART通讯接口。
2.根据权利要求1所述的一种具有高标准防护的数据加密及存储系统，其特征在于，所述交换机的两路以太网络其中一路用于接收列车以太网数据，另一路用于冗余备份。
3.根据权利要求1所述的一种具有高标准防护的数据加密及存储系统，其特征在于，所述PCBA板卡采用MCU加核心模块的硬件架构。
4.根据权利要求3所述的一种具有高标准防护的数据加密及存储系统，其特征在于，所述核心模块实现MVB数据链路层功能，与MCU之间通过UART互连。
5.根据权利要求4所述的一种具有高标准防护的数据加密及存储系统，其特征在于，所述MCU通过UART、IIC和以太网实现系统内部交互对接。
6.根据权利要求5所述的一种具有高标准防护的数据加密及存储系统，其特征在于，所述系统的加密算法使用改进后的16轮TEA填充交织算法，具体包括：
1）对要加密的数据进行异或运算
根据公式：pDst = pSrc ^ pKey，按字节依次对要加密的明文进行异或运算；
2）填充算法
不管明文长度为多少，都要进行填充，使 N = 原始字符串+10+填充字节数n，N为8的倍数，n小于8且大于等于0z；
具体的填充方法：第一个字节为：(random()&0xf8)|n，随后填充(n+2)个字节random()&0xff ,后面接原始数据，最后填充7个字节0x00 ，因为使用了不同的随机数，所以填充的结果使得即使对于相同的明文，密文的结果也会不同；
3）交织算法
消息被分为多个加密单元，每一个加密单元都是8字节，使用TEA进行加密，加密结果与下一个加密单元做异或运算后再作为待加密的明文，具体加密过程所示：
r=code(v^tr,key)^to
code函数就是16轮TEA加密
v是被加密的8字节数据
tr是前次加密的结果
to是前次被加密的数据, 等于 v ^ r
对头8字节, 'tr' 和 'to' 设为零。
7.根据权利要求5所述的一种具有高标准防护的数据加密及存储系统，其特征在于，所述系统的解密算法包括：
1）公式：
x = decipher(v[i:i+8] ^ prePlain, key) ^ preCyrpt
perPlain 是被加密的前8字节，注意! 他等于前8字节数据异或上前8字节prePlain，而不只是前8字节；
perCrypt 是前8字节加密结果；
2）在解密完原始数据后,必须去除在加密时添加的填充字节，解密需要的数据是pos个字节，pos=strlen($v)-p&0x7-10，在$v里从strlen($v)-pos-7开始截取pos个字节，得出来的数据即为尾部填充始终是7字节零，可通测试最后7字节是零,来确定它是否正确，所以返回 r[pos+1:-7]；
3）pDst = pSrc ^ pKey，按字节异或运算出原始的明文。
8.一种具有高标准防护的数据加密及存储设备，其特征在于，包括权利要求1所述的系统，还包括电源模块、MVB模块、数据通讯模块、交换机模块、核心数据存储模块，各模块通过系统内部的主控板通讯连接。
9.根据权利要求8所述的一种具有高标准防护的数据加密及存储设备，其特征在于，所述核心数据存储模块在设备电源突发意外断电时可自行提供电压以维持数据存储功能，其实现方式：当电压降到设定的故障电压值时，电源模块的芯片会在断电同时有一个电源转换的机制，对超级电容进行放电，以此来维持断电后交通工具设备的参数数据存储记录。
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