0 引言

地震活动在中国频繁发生，影响着十几亿人民的安全(吴微微等，2018)。地震数据的快速安全传输为地震机构迅速发布地震速报和地震预警提供了可靠的数据基础，有助于维护社会秩序稳定。近年来，随着国家烈度速报和预警工程的实施，进一步加强了国家在地震灾害监测预警和风险防范方面的能力。为满足地震预警信息的时效性和安全性要求，地震数据的实时监控至关重要(朱宏等，2016)，这需要对地震数据的延迟和安全性提出更严格的要求。传统的数据包转发方法需要通过冗长的网络协议栈(储苏红等，2023)，已无法满足地震数据安全传输的低延迟需求(孙路强等，2020)。设备类型和通信协议多样，统一的加密方案难以兼容所有设备，增加了部署和维护的复杂度。此外，密钥管理在大规模异构设备环境中难以保证安全和高效，且部分设备缺乏必要的安全硬件支持，易遭受攻击。加密操作可能带来额外的能耗负担，尤其对电池供电设备影响较大，使得直接加密面临安全、性能与管理多方面的平衡难题。针对上述问题，本文设计了基于地址族_高速数据路径(Address Family_eXpress Data Path，AF_XDP)技术的一种新型地震数据加密传输系统，采用数据零拷贝方式对地震数据进行传输，使用可以保持数据格式不变的加密算法对地震数据进行加密，并于北京市地震局开展设备传输时效测试实验。测试结果显示，本方案在保障地震数据安全的同时，测试不同大小数据包传输时延控制在2~4ms之间，性能开销低；加密网关即插即用，对应用自感知，对需加密数据流自感知，无需多余系统配置；现有应用能够无缝集成和使用加密传输功能，无需应用改造。

1 设计目标

传感器采集到的地震数据在被传输到分析服务器的过程中，是严格禁止信息被第三方获取的，由此衍生了通信的安全性问题。数据的安全性不够，传输过程就容易受到外界干扰，从而产生信息重复、丢包等问题。针对此问题，引入了密码系统，采用密码算法对数据进行加密以增强传输的安全性，常用的加密算法有RSA算法(许柯等，2015；王鑫淼等，2023)、ECC算法(王鑫淼等，2023)，但RSA算法加密开销大，缺乏容错支持；而ECC算法安全性不能得到良好的保证，容易遭到特定算法的攻击(王鑫淼等，2023)。在避免巨大的加密开销且保证算法使用安全性的同时，还应考虑常规数据包的加密容易造成数据大小发生改变。

在上述基础上，本方案结合地震监测专线网络环境的特殊性提出改进策略，目标是在确保数据加密强度与完整性的前提下，最大限度降低对系统资源(CPU/内存/带宽)的额外开销，同时保持良好的可部署性与系统适配性。且相对于传统VPN方式，数据加密网关不需要维护原本必须维护的链路状态信息。本系统的设计目标是找到一个更为合适的加密方式，从而保证数据加密过程中的格式不变，优化设备配对产生的隧道，以支持地震数据的安全、准确传输。

2 系统架构 2.1 经典地震数据传输拓扑图

根据地震传输系统要求，结合技术特点与发展前景，经典地震数据加密传输系统如 图 1所示。

地震数据传输加密系统主要由地震传感器、地震数据采集器、地震数据分析服务器及各类物联网(Internet of Things，IoT)技术网关组成(图 1)。地震传感器记录地壳活动，将实时采集到的模拟信号发送至地震数据采集器，地震数据采集器将模拟信号转换为数字信号，并根据转发策略及特定的协议将数字信号周期性地通过IoT网络发送至地震数据分析服务器，由地震数据分析服务器解析数据，从而判断当前地壳的活动是否为地震或是其他自然或非自然行为，以此实现地震数据的处理与归类(Bor et al，2016)，采集到的数据进行分析后做出地震预警。

地震数据传输的挑战可从以下两方面进行分析：

(1) 低时延要求。地震数据的及时传输对于地震部门及时发布地震预警和响应非常关键。地震预警系统要求数据在极短时间内传输到相关部门，以便及时开展地震数据处理与预警信息发布。

(2) 加密要求。地震数据的真实性和完整性至关重要，在保证低时延传输的同时必须防止数据在传输过程中未被篡改，且需要保障在加密后不会对数据延时产生过多影响。因此需找到加密与性能间的平衡点。

通过对上述地震数据加密传输系统遇到的两点挑战进行分析，得到了对新型地震数据加密传输系统的两点需求：①新型地震数据加密传输系统对低时延的数据传输非常敏感，需要对网络进行优化，减少数据包在传输过程中的额外开销，减少数据传输的时延。寻常的数据传输方式无法解决超低时延问题。②新型地震数据加密传输系统对于数据的安全传输做出了严格要求，需要保护数据的机密性，避免第三方窃取宝贵的地震数据。寻常的数据传输方式无法保证数据的机密性传输。

2.2 总体架构

该系统的总体架构包含地震数据采集器集群、数据加密传输系统、IoT网络层、解密传输系统及数据分析服务器集群五部分(图 2)。在系统中，采集设备首先收集地震数据并通过本地处理生成信息，通过零拷贝低时延技术处理后，经由网络专线发送到IoT网络层。IoT网络作为中央处理和数据聚合点，接收来自加密系统的数据，然后将处理结果发送到解密系统，再执行解密将数据发送到数据分析服务器集群。该架构可以实现信息的即时处理、响应和机密性保护，从而保护数据的安全、低时延传输。

3 系统设计 3.1 总体设计

为了在地震灾害发生时提前接收、分析数据并作出决策，在数据准确、安全的前提下尽早将地震灾害信息传播出去，提出基于内核旁路的超低时延地震数据加密传输技术，该技术可在几十甚至百G网速的网络中进行数据包的高速、安全传输。数据包在进入到网卡后被部署在内核态的程序接收，通过特定规则判断数据包是否需要快速处理，如果将数据包通过该技术中设定的套接字直接发往用户态，即可避免数据包经过内核协议栈，提高数据包的传输速率并对数据包加密，由此满足地震灾害发生时的超低时延伴随产生的加密需求，实现了地震灾害信息的快速、安全传播，保护了人民群众的生命财产安全。

3.2 性能开销无感模块设计

性能开销无感指系统或应用在运行时，用户几乎感觉不到性能下降或资源消耗。基于内核旁路的超低时延地震数据加密传输技术模块主要由一种快速的数据路径(Vieira et al，2020)、地震数据加密系统以及网络接口卡(Network Interface Card，NIC)构成，如 图 3所示，其展示了核心性能开销无感模块的变化，体现了该技术在地震数据加密传输中的应用。其中，图 3(a)展示传统数据传输流程：数据从处理模块经网络接口卡发送，通过底层数据传输设施进行传输；图 3(b)则展示了经过内核旁路技术改进的流程：数据从处理模块直接发送到NIC，绕过了操作系统的部分处理层次，显示了数据流的直接路径，可有效减少数据传输的延迟。

3.3 系统配置无感模块设计

系统配置无感指系统在配置或设置的过程中，用户几乎不需要介入或感知配置或设置的技术细节。借助软件定义网络(Software Defined Network，SDN)架构思想，SDN架构通过将控制平面与数据平面分离，使得网络设备的控制由集中式控制器统一管理，控制器能够根据网络拓扑、流量负载和设备状态动态调整网络配置。通过这种方式，系统能够自动发现并管理新加入的加密网关，并根据预定义的策略自动分配网络资源和配置参数。具体而言，当新的加密网关设备接入网络时，系统通过控制器自动为该设备分配IP地址、配置路由规则以及制定安全策略，而无需管理员手动干预。这种自动化配置不仅简化了网络管理，还有效确保了配置的一致性和准确性。系统能够自动适应网络环境的变化，提高了数据传输的效率和可靠性，尤其是在处理地震数据等高实时性、高可靠性要求的场景中，确保数据的安全性和传输的稳定性。此外，自动化管理可以降低人为操作的错误风险，提升整体网络的可用性和灵活性。

结合流量监控、带宽管理、负载均衡和动态QoS(服务质量)策略，SDN控制器能够在流量负载变化时动态调整网络资源，保证关键应用的优先级，减少延迟和丢包，提高系统的响应速度。系统的可扩展性和适应性使得其能够应对日益增长的网络需求，强大的网络自动化支持架构的引入，为数据加密传输系统带来了智能化、自动化的网络配置和管理方式，使系统能够高效、可靠运行，满足地震观测数据“采存管用”复杂网络环境下的需求。

3.4 应用改造无感模块设计

应用改造无感指在对应用进行升级或改造时，用户不会感受到任何显著的变化或中断。在应用改造过程中，通过实施应用隔离的加密传输架构，数据在传输过程中得到全程保护，而无需对现有应用进行任何修改。这种架构将加密功能集成在数据层，直接对数据流进行加密，满足了信源加密的需求。通过将加密功能透明地集成到数据传输层，既确保了系统的高安全性，又简化了应用的实施过程。现有应用无需进行复杂的修改，就能够无缝集成并使用加密传输功能，从而减少了应用升级带来的额外工作量和风险，提升了系统的灵活性与扩展性。

这种方法保证了数据传输的安全性，防止了潜在的安全威胁，提升了系统的可维护性和适应性。应用隔离的加密架构使得系统能够在不影响应用功能的情况下，自动执行数据加密操作，大大简化了加密方案的部署与管理，且不会干扰到应用的正常使用。通过无感的应用改造和加密集成，能够实现高效、安全的数据传输，并降低了系统升级和维护的复杂度，保证了业务的连续性与安全性。

4 系统实现 4.1 数据快速路径

扩展的伯克利数据包过滤器(The extended Berkeley Packet Filter，eBPF)(Deepak et al，2018)是一种在Linux内核中执行程序的技术，其允许用户在内核空间编写和执行自定义程序，支持性能分析、数据包过滤和流量分类等多种应用。eBPF系统的主要优势在于其在Linux内核中提供了一个灵活且安全的可编程环境。eBPF程序可以在运行时加载和修改，并能与内核元素，如kprobes、perf事件、套接字和路由表进行交互。数据快速路径(eXpress Data Path，XDP)(储苏红等，2023；Vieira et al，2020)是一种在Linux内核中实现的高性能网络数据包处理技术，其允许在网络驱动层上非常靠近硬件的位置处理数据包，从而实现极低的延迟和高吞吐量。XDP的主要目的是提供一种有效的方式来处理高速网络流量，同时减少对CPU资源的需求(Mostafa et al，2023)。

为增强数据包捕获能力，系统引入了一种新的套接字：快速数据路径地址族(AF_XDP)(Mostafa et al，2023)。这是Linux内核中设计的一种网络套接字，旨在提供高性能的数据包处理和低延迟。AF_XDP通过直接将数据包从内核空间重定向到用户空间，实现了零拷贝数据处理。每个AF_XDP套接字包括两个环形队列：RX_RING用于接收数据包，TX_RING用于发送数据包。UMEM作为与RX和TX环交互的数据包存储区。

图 4所示架构图展示了利用XDP技术和AF_XDP套接字实现的网络数据包处理流程，特别注重通过技术优化，如零拷贝(zero-copy)(Vieira et al，2020；Mostafa et al，2023)来提高性能。网络卡首先捕获传入的数据包并直接传递给XDP，其中XDP根据设置的规则进行快速决策，可以选择直接丢弃、传递、重定向或回传这些数据包。关键的优化在于AF_XDP的使用，其支持从内核空间到用户空间的数据零拷贝传输，极大地减少了数据处理时的内存拷贝操作，降低了延迟并提升了吞吐量。与传统的通过完整网络堆栈处理相比，这种方法显著提高了数据处理的速度和效率，特别适用于需要高性能网络处理的场景。控制面则负责整体的策略管理和配置，确保系统的灵活性和响应性。

4.2 格式保留加密算法

格式保留加密(Format-Preserving Encryption，FPE)(王凯悦，2019)是一种加密技术，其使加密后的数据保持原始明文的格式。传统的加密方法经常改变数据的原始属性，尤其在需要严格格式的场景中，如数据包的数据部分，若数据部分发生改变，会出现额外分片等问题。这些问题需要对加密数据进行额外的修改，增加了系统复杂性。格式保留加密通过保留数据的格式来解决这个问题，具体表现为

$ F: K \times S \rightarrow S $

(1)

式中，F : K代表密钥空间，而S表示明文和密文空间。这一特性确保了系统在对地震数据进行格式保留加密的过程中，明文和密文的消息空间保持一致，从而在加密过程中保留数据格式。通过在用户态xdp程序中使用FPE加密，保证数据大小、格式不变，以免造成数据包额外分片等不利影响。

4.3 实现过程

地震数据包通过网卡进入到网络驱动中，由网络驱动上挂载的XDP程序接收并直接转发到用户态中，以实现数据的零拷贝传输，在用户态中的XDP程序上对数据进行加密，保持数据格式不变且尽可能减少传输速度的增多。发送端和接收端加密解密盒子配合使用实现链路层加密，保护数据在传输过程中的安全性，即使数据被拦截，也因为加密而无法被解读，从而防止数据泄露或被篡改，保护数据传输过程不受中间人攻击(Man-in-the-Middle Attack)的威胁。

5 实验结果及应用产出 5.1 实验结果

在相同的实验条件下，使用内核旁路技术评估了64字节、128字节、256字节和512字节加密以太网数据包的往返时间(RTT)，结果如 图 5绿色图形所示。加密数据包传输的延迟维持在1~4ms之间，平均延迟为2ms。与传统数据包经过协议栈转方法且未加密(图 5蓝色图形)相比，此方法使传输的延迟下降。在实际应用中，这项技术显著增强了数据传输性能，同时确保了数据的保密性。

5.2 应用产出

通过实验室测试，新型地震数据加密传输系统于2024年9月完成设计研制工作，并实现设计要求的各项功能，设备通过220V交流电连接电源口启动(图 6)。在接收到地震信息后，设备平均在3ms内完成数据的加密工作，以实现数据的低时延安全传输，由于使用了嵌入式设备，可以实现设备的即插即用，无需配置操作系统，降低了设备成本。

6 案例应用

系统于2024年11月开始部署应用，安装于北京市地震局3层中心机房内，终端分别在地震局本部的建筑结构观测点位，顺义板桥、丰台大灰厂的GNSS观测点位和延庆张庄、康庄的测震强震观测点位进行部署。

数据采集设备连接加密网关客户端，通过震动置物架来模拟地震情况，在流服务器上分析两台数据采集设备采集到的震动信息。测试情况如 图 7所示，通过对比，两台设备展示的波形基本一致。

在系统进行部署后，能保证地震数据稳定且安全传输，有效保护了地震数据的机密性、实时性，为数据安全提供了有效保护。

为评估多发送端数据加密场景下的性能开销，在测试环境中设计了一组仿真实验，比较在不同发送端数量条件下的时延表现。实验中，发送端数量分别设置为2个和4个，模拟在持续10h的传输过程中，系统对传输数据进行实时加密处理。结果显示，“新型地震数据加密传输系统”在多发送端条件下始终保持较低且稳定的时延，控制在2.5ms以内。且随着发送端数量增加，其时延仅轻微上升约15%，体现出良好的扩展性和并发处理能力(图 8)。

7 结语

本文提出了一种基于内核旁路技术的地震数据超低延迟传输加密系统。该系统利用XDP技术，使用AF_XDP套接字将地震数据从内核空间直接转发到用户空间。在链路层对数据进行加密，确保传输的延迟。通过比较系统内各种数据载荷的加密传输，验证了地震数据传输的稳定性、适应性和资源消耗特性。

该系统的优势可分为以下三个方面：①确定了现有地震数据加密传输系统在实际应用中操作系统内核的性能瓶颈，证明了内核旁路技术可有效提高数据传输速率，减少计算资源消耗，并确保了地震数据的实时性能表现优越；②设计了基于内核旁路技术的地震数据加密传输系统，实现安全且高效的数据传输；③提出了性能开销无感、系统配置无感、应用改造无感三个无感概念，部署加密传输系统提升了地震数据加密传输系统的效率。

研究表明，现有的地震数据加密传输系统在实际应用中往往会在操作系统内核中遇到性能瓶颈。内核旁路技术的部署允许在数据量增加时仍然实现低开销的传输，从而保持地震数据良好的实时性。通过将内核旁路技术与格式保留加密整合到地震数据加密传输系统中，保护了地震数据的机密性。本方案在保障地震数据安全的同时，对现有技术的探索和创新减少了对传输性能、系统配置和应用程序的影响，实现了地震数据加密传输的高效、安全、无感化。