基于云计算技术的通信信道数据加密技术研究

刘 瑜，秦 月，申乃芝，曹晓微，张 玉

（国网天津市电力公司城东供电分公司，天津 300250）

0 引 言

随着云计算的广泛应用，越来越多的关键数据被上传到云端存储和处理，这使得云计算环境的数据安全问题日益突出。特别是通信信道中的数据安全问题更为严峻，因为这些数据极易受到中间人攻击，导致数据泄露。为保障云计算环境通信数据的机密性和完整性，通信信道数据加密技术的研究显得尤为重要。文章在分析云计算技术和通信信道数据加密技术的基础上，提出一种基于云计算环境的通信信道数据加密技术方案。该方案主要从加密算法选择、密钥管理、云环境安全加固以及加密性能平衡等多个层面展开技术研究与分析。通过实验分析和结果讨论，论证所提出方案的有效性，为云环境通信信道的数据安全保障提供切实可行的技术手段。

1 技术基础

1.1 云计算技术

云计算技术的核心构筑于先进的虚拟化技术基础之上，它巧妙地集成了广泛分布且多样的计算资源，实现了对这些资源的动态、灵活配置与按需供给。这一理念的关键在于将原本独立的计算能力、存储容量以及网络带宽这3 个信息技术（Information Technology，IT）基础设施支柱转化为一种弹性、高可用的服务模式，使得用户能够随需所取，便捷高效地调动所需资源。云计算服务平台运用精巧的资源调度算法，在极短的时间内能够在成千上万台物理服务器集群中管理和迁移数十万个虚拟机实例，从而确保整体服务性能表现卓越[1]。不仅如此，平台还结合了智能的负载预测模型，预先设计并优化虚拟机部署方案，能够针对业务高峰期主动出击，通过任务拆分和资源无缝扩展策略来应对瞬时增长的需求，确保服务连续稳定，不受峰值流量影响。同时，为了强化系统的坚韧性与可靠性，云计算技术采用了多重冗余机制和先进的容错技术。例如，采用的数据保护措施，即使在单个硬件节点失效的情况下也能保障数据的完整无损；而虚拟机快照功能则赋予了系统回滚至特定状态的能力，能迅速从异常状况中恢复常态运作。综上所述，云计算技术不仅体现在其对计算与存储功能的高度虚拟化，还包括了智能化与自动化管理、强大的横向与纵向扩展性，以及卓越的高可靠性设计等多个层面。这些特质共同构成了一个坚实的基础架构，有力支撑起诸如通信信道数据加密与解密等复杂运算任务的安全高效执行。

1.2 通信信道数据加密技术

通信信道数据加密技术通过数学算法，将明文转换为密文，防止无授权的第三方获得通信数据。其中，对称加密算法利用单钥加密和解密，运算效率高但密钥分发和管理复杂；公开密钥加密算法使用双钥，公钥用于加密，私钥用于解密，简化密钥分发但运算复杂度较高。为平衡效率与安全性，通常将对称加密与公开密钥加密相结合，例如使用高级加密标准（Advanced Encryption Standard，AES）对会话密钥加密，再用会话密钥加密通信数据[2]。除算法外，其他安全机制也至关重要，如散列函数保证数据完整性，数字签名防止身份伪造。总体而言，通信信道数据加密技术需要考量加密强度、性能开销、可管理性等指标，在云计算环境中，还需考虑虚拟化层网络的安全性、多租户资源隔离等问题。只有正确配置和优化这些技术，才能构建高效安全的云上加密通信系统。

2 基于云计算技术的通信信道数据加密技术

2.1 加密算法选择与优化

鉴于AES 算法的高安全性与性能，选择AES 作为通信数据对称加密算法。但由于云计算环境并发请求量大，AES 直接加密无法满足性能需求。此外，采用流加密模式，即密码反馈模式，其通过前一个密文块反馈来隐藏当前明文模式，即使单块被破解也难以破译后续数据。同时，采纳AES-NI 指令集扩展来提高运算效率，并通过AVX2 指令实现256 位数据的并行处理能力。在编译过程中，优化级别被设定为O3（高级优化），以全面激活所有速度优化功能，确保加密运算的快速执行[3]。实验结果显示，优化后的AES在2.4 GHz 处理器上可达到8.5 GB/s 的吞吐率，满足千兆网卡饱和传输的加密需求。该技术还通过密钥更新与轮换技术增强算法抗破解能力，并构建基于AES算法的混合加密机制，即数据包头与重要控制信息采用RSA 算法加密，数据体采用AES 算法加密，实现安全性与效率的最佳平衡。

2.2 密钥管理与分发

本研究构建了一套面向云环境的分层密钥管理体系。在公有云上，架设可信第三方密钥管理平台，通过硬件安全模块存储根密钥，并动态生成RSA 公私钥对。公钥下发至租户管理平台，而私钥存储于硬件安全模块中。租户管理平台根据访问控制策略，下发会话密钥与用户。具体而言，采用2 048 位RSA 算法对128 位会话密钥加密，配送至在线用户，有效期为当前会话。用户取得会话密钥后，通信双方利用AES 对话密钥协商与更新协议建立安全通道。此外，本体系引入区块链技术去中心化保存密钥版本管理与关键操作日志，保证不可篡改。多方计算技术用于断电前密钥分片摧毁，避免密钥泄露。整体上看，该分层密钥体系充分利用云计算的可扩展与分布特性，协同硬件安全模块构建高强度密钥保护网，适应云计算环境的通信安全与性能需求。

2.3 云计算环境的安全性加固

为增强云计算环境通信数据传输的保密性与完整性，本研究从云平台和虚拟化层两个方面进行架构优化与安全加固。在物理服务器端，采用可信平台模块（Trusted Platform Module，TPM）与基本输入/输出系统（Basic Input/Output System，BIOS）级Root of Trust 技术，检测虚拟机监控程序、虚拟机监视器（Virtual Machine Monitor，VMM）与硬件固件的完整性，阻止非授权修改与运行。在虚拟机内部，嵌入高速硬件密码模块，为通信应用提供硬件辅助的加密与解密、会话密钥保护与用户身份鉴别功能。同时，引入ARM Trust Zone 技术在物理服务器上构建可信执行环境，使云管理组件运行其中，增强对虚拟层活动的监控与控制能力[4]。此外，本方案设计实时态势感知模型被动监测虚拟机与物理机运行状态，有效检测潜在的旁路攻击，其数学表达为

式中：MencryptedFlow和MdecryptedFlow分别表示入站和出站流量的实时监控值；MTSSL和MRPMC分别表示密文传输链路状态和敏感资源使用状况的监测指标；α、β、γ和δ表示权重系数。该模型全面反映云平台运行安全状态，为保障云上安全通信奠定坚实基础。

2.4 加密性能与效率的平衡

为实现云计算环境大规模并发加密通信所面临的高性能与高效率双重需求，本研究着眼于算法优化与虚拟化层优化2 个关键方面展开技术攻关。在算法方面，通过引入512 位单指令多数据（Single Instruction Multiple Data，SIMD）向量处理器与基于ThreeFish 分组密码结构的优化思路，成功将AES-256 位算法的并行解密吞吐率提高至16.2 Gb/s，满足100 GE 网络接口的实时编码需求；同时，针对RSA 算法中计算瓶颈的快速幂取余运算，采用随机抽样、预计算、存储中间变量的方式，提高了2 048 位密钥模指数运算的效率，降低加密解密的响应时延。通过将零拷贝技术与会话边界硬件虚拟化技术相结合，虚拟化环境中可以避免在虚拟机与虚拟化层之间进行上下文切换的耗时操作。这种方法直接创建了用户空间应用程序与底层物理网络接口卡之间的数据通道，从而显著加快网络数据包的加解密处理速度，并大幅减少数据在网络协议栈中的往返延迟。此外，这一技术还能提升云主机内核对加密任务的有效调度与执行性能。综上所述，本研究从算法、网络、虚拟化等不同层面采取并行化、流水线、零拷贝等手段，为基于云计算基础设施构建高吞吐、低延时的通信数据加密体系奠定基础，使之能适应大规模商业部署的需求。本研究所提出的优化策略充分兼顾安全性、功能性以及效率性，有效平衡了云端加密处理的性能与开销，为下一步量化仿真实验验证与优化提供坚实的技术基础[5]。

3 实验分析与实证研究

3.1 实验设计

为评估所设计通信信道数据加密方案的有效性，本研究搭建了实际的测试平台。测试环境采用了开源的OpenStack 云操作系统作为管理基础设施，并参考了可信计算组的分布式集成可信计算环境（Distributed Integrated Computing Environment，DICE）体系结构规范进行加固，从而增强了测试云平台的安全防护能力。实验平台包含4 台物理服务器节点，每台服务器运行双路12 核Intel Xeon Gold 6226R 处理器，配置了512 GB内存及100 Gb/s 高速网卡，服务器之间通过总带宽达400 Gb/s 的高端交换机相连。另外定制了4 核vCPU、16 GB 内存、50 Gb/s 网卡带宽的虚拟机，以容纳测试程序并生成网络通信流量。测试用例覆盖小文件传输与大文件传输场景，文件类型包含结构化数据与非结构化数据，传输协议使用传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）与用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）。测试工具在客户端虚拟机内部署，以10 s 为一个周期进行数据采集，自动化框架保证长期稳定性。监控指标主要包括吞吐量、延迟、中央处理器（Central Processing Unit，CPU）开销、内存开销分布情况。为全面验证方案健壮性，测试脚本将在不同时间段启动不同数量的虚拟机进行数据传输，设置不同带宽限制和丢包参数，对通信信道的加解密操作产生不同负载压力。预计测试周期为1 个月，最终采用吞吐量提升比、性能开销降低比等指标评估优化效果。

3.2 结果分析与讨论

经过为期一个月的多场景测试，所设计的面向云环境的通信数据加密方案展现了出色的性能和安全保障能力，测试结果如表1 所示。在保证高加密强度和数据完整性检验的前提下，该方案实现的加解密吞吐量相比原始云计算环境整体提高了约22.4%。这主要归因于高效AES 并行算法的引入，以及虚拟化和网络层面的优化，使得数据在云上加密、传输、解密等链路上的并发处理能力显著增强。此外，传输时延降低19.6%的同时，仅增加4.5%的CPU 资源开销和6.2%的内存资源开销，资源消耗极为适度。该成果可以归因于流水线运算与零拷贝传输等策略的优化，充分发挥了云计算的并行分布特性，高效整合了计算与网络资源。综上可见，该方案不仅可靠保障了数据安全，还大幅提升了云环境下的加密通信性能，实现了高标准安全性与高实用性的最佳平衡，完全满足了大规模商业化部署对并发与效率的需求，成果突出。

表1 测试结果汇总

4 结 论

基于云计算环境的通信信道数据加密面临效率与安全性的双重挑战。为解决这个问题，本研究深入分析了云计算和加密技术的发展现状，设计了一整套通信数据的端到端加密方案。该方案从算法优化、密钥管理、云平台安全加固等多个层面入手，采取各种手段减少加密操作的性能开销。通过搭建测试环境并开展长期试验，对所设计方案进行全面验证，结果表明充分证明了该技术方案能够满足大规模商用环境下的性能、安全与管理要求，实现高效率与高安全性的最佳平衡。总体上看，本研究为基于云计算平台构建高性能、可管理、安全保障的通信系统奠定了坚实基础。后续工作将致力于进一步提升加密通信的性能，并加强实际业务中的技术应用。