海量教育資源加密壓縮存儲系統設計

張乃心

摘 要： 傳統存儲系統存在存儲速率低、性能差，無法做到資源快速共享與獲取，為此，提出海量教育資源加密壓縮存儲系統設計。綜合考慮存儲系統整個架構與功能，設計結構框圖，并對模塊接口進行分析。采用多級目錄存儲方法，對密文態源文件進行存儲壓縮，并通過密鑰信息加密變換，實現對信息隱藏保護。通過設計對比實驗得出實驗結論。實驗結果表明，該系統存儲速率高、性能良好，可快速對資源進行獲取與共享，方便校內師生和校外求學者獲取教育資源。

關鍵詞： 海量教育資源； 加密； 壓縮； 存儲； 密鑰； 信息隱藏

中圖分類號： TN02?34； TP359 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）11?0065?04

Design of encryption and compression storage system for massive education resource

ZHANG Naixin

（Jincheng College of Sichuan University， Chengdu 611731， China）

Abstract： The traditional storage system has low storage rate and poor performance， and can′t share and acquire the resource quickly. Therefore， the design of massive education resource encryption and compression storage system is proposed. The whole architecture and function of storage system are synthetically considered to design the structure diagram， and analyze the module interface. The multi?level directory storage method is used to store and compress the source files in the form of ciphertext， and realize the information hidden protection by means of encryption transformation of the secret key information. The contrast experiment was designed to obtain the experimental conclusion. The experimental results show that the system has high storage rate and good performance， can acquire and share the resources quickly， and is convenient to the acquisition of education resources for learners.

Keywords： massive education resource； encryption； compression； storage； secret key； information hiding

0 引 言

近幾年，我國各大高校蓬勃發展，通過對高校擴建和異地成立分校來促進學校經濟的快速增長，同時，對海量教育資源的需求也隨之水漲船高。然而目前各大高校依然獨立自主辦學，無法做到資源共享，人們對教育資源需求日益增加，但是資源數量卻有限，這就導致教育資源無法滿足人們需求的現象發生，為此，緩解教育資源短缺問題是目前急需解決的問題之一。對書籍資源、場地資源、教師資源等的存儲是一個漫長的積累過程，為此設計存儲系統對資源進行合理應用[1]。傳統資源存儲系統無法對文件進行加密處理，并且存儲速率低、性能差，基于此，提出海量教育資源加密壓縮存儲系統的設計。

合理設計存儲系統可緩解教育資源短缺與人們對資源日益增長需求之間的矛盾，還可提高教育資源的利用效率，促使校內師生和校外求學者都能方便獲取教育資源，大大提高存儲效率。

1 存儲系統硬件設計

在進行海量教育資源系統存儲加密壓縮硬件部分設計時，需要綜合考慮存儲系統整個架構與功能，方便存儲服務軟件功能實現。存儲系統歸根結底由底層硬件制成，也是為用戶提供資源管理的重要保障，該系統總體設計框架如圖1所示。

由圖1可知，教育資源歸檔是實現文件上傳、壓縮與加密存儲功能的基礎，其中包括資源文件預處理、分詞、信息存儲、資源文件壓縮與加密等步驟。而安全控制是對訪問權限設置，防止非法用戶自由入侵，在重要數據存儲的地方進行加密[2]。

系統硬件設置部分實際上是模仿流水線上的裝配設置，不同模塊接口設計都需從公共數據里獲取需要的部分進行處理，比如，對資源文件進行壓縮與加密處理需要的就是資源文件內容，該處理過程所需的文件信息具有結構屬性，具體模塊接口設計流程如圖2所示。

由圖2可知：在整個模塊接口設計過程中存在許多并行處理部分，構建XML模塊對文件進行傳輸時，可同時進行文件索引，此時壓縮模塊可對接收文件進行壓縮處理，對經過處理后的文件設置密碼，完成加密存儲[3]。

1） 分詞模塊。教育資源文件經過提取之后，出現倒排索引的現象，需要關鍵詞作為索引詞條，進行分詞模塊處理。其中最重要的就是建立詞條和詞典，然后設置倒排索引秩序，該模塊接口所需功能是從文本字符串中將關鍵字進行提取，并設置高級行為，利用接口對分詞模塊進行規范，方便文件根據分詞快速存儲[4]。

2） XML模塊。XML模塊的設計是為了方便用戶信息輸入與讀取，以及系統信息處理，并生成有關教育資源信息的XML文件。

3） 壓縮模塊。針對不同壓縮文件采用不同壓縮算法，壓縮接口實現也是不同的，根據資源數據結構獲取文件種類信息，對返回最佳信息資源進行壓縮，形成壓縮源文件。

4） 密碼模塊。為了確保系統安全，對資源文件進行加密。同密鑰管理一樣，使用壓縮源文件，根據關鍵詞索引重要資料，并以密文形式存在，該模塊進行加密的同時要保證效率，促使接口模塊實現分組加密功能[5]。

2 存儲系統功能設計

2.1 教育資源壓縮功能設計

教育資源進行壓縮的目的是對接收文件輸入參考值進行調節與解壓，使輸出文件為結果文件，具體功能設置如圖3所示。

通常情況下，當輸入文件較小時，進行文件壓縮速度明顯較快，但是處理大文件時耗費時間較多。該文件壓縮過程在2 GHz處理器上運行，可達到1 MB/s；解壓過程也在該處理器上進行，可達到10～20 MB/s。為了簡化壓縮與解壓過程，在該功能設計中加入了默認參數選項，方便文件進行加密時，快速搜索到解壓后的文件[6]。

2.2 教育資源加密功能設計

該功能設計需通過對密鑰信息進行加密變換，從而實現對信息的隱藏保護。密文信息通過密鑰和解密過程還原成明文信息，具體實現流程如圖4所示。

對密文態源文件進行存儲壓縮時，采用多級目錄存儲方法，方便文件分類加密處理[7]。在安全應用環境中，教育資源的存儲、查詢都需要全程加密，并且在客戶端進行，這就給密鑰管理帶來一定的難度。因此，必須設計合理的密鑰管理機制，通過特殊手段確保文件查詢請求來自合法用戶，并確保密鑰在安全環境中使用[8]。

存儲系統需要實現4個功能模塊對資源信息進行加密，分別是關鍵詞加密、XML文檔加密、壓縮源文件加密、通信加密[9]。設置KM為密鑰，其中KM1為關鍵詞加密主密鑰；KM2為XML文檔進行加密的主密鑰；KM3為壓縮源文件進行加密的主密鑰；KM4為通信加密的主密鑰。系統根據密碼算法產生4個獨立的64位主密鑰KM1，KM2，KM3，KM4。由此產生二級密鑰數據集合：[CKDS=KI，KM，KU，KS，KF1，…，KFn]，其中[KI]為二級密鑰的索引密鑰、[KM]為終端密鑰、KU為用戶密鑰、[KS]為會話密鑰、密鑰集為[KF1]～[KFn]（[n]為訪問控制基本文件分類數）。將此密鑰放置于安全區域，方便系統隨時獲取，同時方便數據恢復時使用[10]。

3 實 驗

海量教育資源加密壓縮存儲系統設計的實驗在原型系統文件歸檔和文件檢索性能基礎上進行驗證，其中涉及各個具體功能模塊。系統研發采用Java語言，操作系統為Windows 10，根據實際應用情況，在某大學實驗室對存儲系統進行局域網測試[11]，選擇4臺主機對網絡環境進行設置，具體設置情況如表1所示。

實驗數據主要利用文本和視頻文件收集到的不同種類文件大約有8萬個。針對不同文件種類采用不同的文件壓縮方法是提高壓縮效率的有效方法之一。由實驗可知，解壓時間明顯小于文件壓縮時間，正是因為系統中進行文件壓縮時涉及多個滑動窗口，而窗口內部資源需要與字典進行匹配，其中字符串的匹配是最耗費時間的，而對文件進行解壓時，是不需要字符串進行匹配的。

3.1 存儲性能實驗結果與分析

為了驗證該系統存儲性能，將傳統存儲系統與本文存儲系統性能進行對比與分析，結果如表2所示。

由表2可知，由于傳統存儲系統沒有良好的加密壓縮功能，使存儲頁面出現亂碼、文件自由上傳、沒有經過加密文件可自由刪除，導致用戶可隨意查看文件，個人信息存在安全風險。而本文設計的資源加密壓縮存儲系統可改善上述問題，具有良好的加密壓縮存儲性能。

為了更加直觀地分析這兩種系統的存儲性能，對文件存儲效率展開對比分析，結果如圖5所示。

由圖5可知，當文件資源小于等于450 kb時，傳統存儲效率與本文設計的存儲效率相差較小，都呈直線上升趨勢，且最高可達到60%左右。但是隨著文件逐漸增大，傳統系統存儲效率卻逐漸下降，而本文設計系統存儲效率持續上升，由此可知，傳統系統存儲效率低于本文設計系統的存儲效率。

3.2 存儲速率實驗結果與分析

將傳統存儲系統與本文存儲系統對文件存儲所耗費的時間進行對比，驗證本文設計系統的高效性，結果如圖6所示。

由圖6可知，隨著文件逐漸增大，傳統系統存儲速率大幅度降低，而本文設計的系統存儲速率呈小幅度下降趨勢，但最終穩定在110 kb/ms左右。

3.3 實驗結論

經過上述一系列實驗測試內容，可得出該系統設計具有合理性。傳統存儲系統沒有良好的加密壓縮功能，使個人信息存在安全風險，且存儲速率較低，性能較差，而本文設計的資源加密壓縮存儲系統可改善上述問題，具有良好的加密壓縮存儲性能，且存儲速率較快。

4 結 語

隨著高校不斷擴建，應用海量教育資源加密壓縮存儲系統可提高資源存儲效率。通過建立數據中心，對教育資源進行統一化管理，在滿足資源日益增長的同時，為高校教育提供一種快速便捷的資源存儲方式。無論是校內師生，還是校外學習者，都可利用該系統將海量資源進行存儲，以便隨時查看。通過對系統進行實驗驗證可知，該系統具有良好的性能和快速儲存功能，高效存儲性能必將推動我國教育全面發展，為我國高校學生資源存儲提供有效途徑。

參考文獻

[1] CHEN Tingyu， QIAN Hui. Massive video data storage system design with embedded lossless encoded [J]. Video engineering， 2016， 40（4）： 52?55.

[2] YOU Xiaorong， CAO Sheng. Storage research of small files in massive education resource [J]. Computer science， 2015， 42（10）： 76?80.

[3] HAN Jingfeng. Research on low load storage method of massive data in cloud computing environment [J]. Computer simulation， 2016， 33（4）： 390?394.

[4] LIU Yuanqing. Design of education resources cloud storage platform based on holographic digital image compensation technology [J]. Modern electronics technique， 2017， 40（17）： 75?78.

[5] CHEN Jun. Research on the application of online education platform support technology in mobile terminal [J]. China educational technology， 2017， 20（8）： 118?122.

[6] 趙軍.云存儲系統中隱私保護數據的抗泄露加密算法[J].科技通報，2016，32（7）：158?162.

ZHAO Jun. Encryption algorithm for privacy preserving data in cloud storage system [J]. Bulletin of science and technology， 2016， 32（7）： 158?162.

[7] 喻崇仁，牛中盈，楊嘉偉，等.容災系統中數據透明加密設計[J].計算機工程與設計，2015，36（6）：1482?1486.

YU Chongren， NIU Zhongying， YANG Jiawei， et al. Design of transparent data encryption in disaster recovery system [J]. Computer engineering and design， 2015， 36（6）： 1482?1486.

[8] 張玉浩，徐志鵬，黃新銳，等.基于AES加密電路的防復制電路及系統設計[J].電子器件，2015，38（1）：103?107.

ZHANG Yuhao， XU Zhipeng， HUANG Xinrui， et al. Design of copy prevention circuit and system based on AES encryption circuit [J]. Chinese journal of electron devices， 2015， 38（1）： 103?107.

[9] 徐光憲，徐山強，郭曉娟，等.DCT 變換與 DNA運算相結合的圖像壓縮加密算法[J].激光技術，2015，39（6）：806?810.

XU Guangxian， XU Shanqiang， GUO Xiaojuan， et al. Image compression?encryption algorithm combined DCT transform with DNA operation [J]. Laser technology， 2015， 39（6）： 806?810.

[10] 仇杰，耿建平.基于H.264的機載視頻記錄儀壓縮存儲模塊設計[J].現代電子技術，2015，38（14）：92?95.

QIU Jie， GENG Jianping. Design of compression and storage module in airborne video recorder based on H.264 [J]. Modern electronics technique， 2015， 38（14）： 92?95.

[11] 李杰，李景峰，房方.云存儲中文件加密存儲和刪除方法研究[J].小型微型計算機系統，2015，36（4）：836?839.

LI Jie， LI Jingfeng， FANG Fang. Research of file encryption storage and deletion mechanism in cloud storage [J]. Journal of Chinese computer systems， 2015， 36（4）： 836?839.