Page 295 - 《软件学报》2026年第6期

2614 软件学报 2026 年第 37 卷第 6 期

2) 强度与性能的权衡. 无论是轻量化 TEE 还是轻量级密码学, 都体现了为适应资源受限场景而对强度与性能
的持续优化.
3) 单点防护到协同防御. 如身份认证与环境隔离的结合, 以及宏观的零信任架构与微观协议增强的互补, 共同
构成了纵深防御体系.
这些趋势表明, 数据采集阶段的安全技术正从静态、单一的防护向动态、多维的保障体系演进, 但也揭示了
各技术路线在跨场景适用性和理论统一性上的不足, 为未来的融合创新指明了方向. 这也表明, 单一技术路线已难
以满足需求, 不同路线间的协同融合已成为数据采集安全发展的必然方向.
3.2 数据传输阶段
数据传输阶段的安全性核心在于保障数据的机密性、完整性和可用性. 在传输过程中, 数据面临窃听、篡改、
丢失或延迟等威胁, 尤其是在开放网络中, 可能导致敏感信息泄露或传输中断. 现有技术如流量加密、完整性验证
和多路径传输等方案, 在复杂网络环境中仍面临计算开销高和适应性不足的问题. 本节将围绕传输数据窃听防护、
传输数据完整性保护及传输可用性保障这 3 个方面展开讨论.
3.2.1 传输数据窃听防护
数据窃听是数据传输阶段最常见的威胁之一, 通常由不安全的协议或其实现漏洞引发. 为应对此问题, 主流方
案是采用加密协议来实现端到端加密, 但其安全性在理论与实践层面均面临挑战.
在协议理论层面, 挑战源于其固有的复杂性与依赖. 例如, 传输层安全性 (transport layer security, TLS) 1.3 协
议虽通过 0-RTT 等机制增强了安全性和效率 [35] , 但其对公钥基础设施 (public key infrastructure, PKI) 的依赖增加
了系统的维护复杂性. 同时, 在资源受限环境中, TLS 的握手和加密开销可能导致显著的性能瓶颈.
在工程实践层面, 挑战则体现为实现的脆弱性. 例如, 著名的 Heartbleed 漏洞能够使攻击者窃听通过 TLS 传
输的数据 [36] . 为解决协议实现中的缺陷, Maehren 等人 [37] 提出了一种基于组合测试的测试工具 TLS-Anvil, 解决了
TLS 实现中的测试判定问题, 提高协议实现的正确性和可靠性. 形式化验证工具虽然能发现潜在的安全问题, 但仍
然面临覆盖范围有限、学习门槛高、使用成本高等挑战, 限制了其大规模应用.
综上所述, 传输数据窃听防护矛盾从协议本身转移到了理论与实践的鸿沟. 协议理论日趋完善, 但在复杂依赖、
资源限制和代码实现等工程环节中暴露出的脆弱性. 如何跨越这道鸿沟, 是未来研究需要关注的重点问题.
3.2.2 传输数据完整性保护
数据篡改是完整性面临的主要威胁, 攻击者可通过包注入、重放或中间人攻击等手段实现. 例如, 2015 年,
Superfish 广告软件被发现在用户电脑中安装不安全根证书从而劫持用户流量 [38] . 传统的数据完整性保护技术主
要包括基于哈希函数的消息认证码 (message authentication code, MAC) 和基于非对称密钥体系的数字签名技术.
然而, 这些技术在实际应用中面临密钥管理复杂、计算性能瓶颈以及难以应对动态攻击等挑战. 为此, 近期研究沿
着两条优化路径发展: 面向资源受限场景的轻量化以及面向未来威胁的抗量子化.
● 轻量化完整性验证路线, 旨在满足物联网等低功耗、低算力设备的需求. 例如, Rao 等人 [39] 通过定制 BLAKE2b
哈希算法并结合椭圆曲线数字签名, 在低功耗设备上实现高效的签名与验证. 此类方法的核心是在保证基本安全
性的前提下, 尽可能压缩计算与通信开销, 重点在于关注安全与性能的平衡.
● 抗量子完整性验证路线, 旨在应对量子计算对传统密码体系的威胁. 为此, 研究者探索了基于后量子密码学
的完整性验证技术. 例如 Ducas 等人 [40] 提出一种基于格的签名方案 Dilithium, 已被 NIST 纳入后量子密码标准化
候选方案. 尽管其理论安全性高, 但较大的签名长度和计算复杂度仍是当前部署面临的工程难题.
这两条路线反映了当前研究的共性问题. 首先, 机制选择缺乏动态适应能力, 难以根据资源、网络或威胁变化
进行调整. 其次, 缺乏统一评估标准, 不同方案难以系统对比. 未来应提升机制自适应性, 建立统一评估体系, 以增
强实用性和可比性.
3.2.3 传输可用性保障
传输中断是可用性面临的主要威胁, 可由网络攻击或链路故障等引发. 例如, 2021 年 Fastly 导致全球大量网