基于區塊鏈及分層加密技術的數據傳輸控制系統設計

段 平

(西北工業大學 計算機學院，西安 710072)

0 引言

區塊鏈是數據信息領域的專業術語，大體上等同于一個開放性的共享數據庫，能夠直接存儲因系統運行而產生的數據或信息參量，同時具備可公開、可追溯、可維護、可處理等多項應用優勢。這種數據共享機制主要存在于分布式信息存儲系統中，是計算機新型加密算法的主要表現形式[1]。與傳統處置手段不同，區塊鏈是比特幣制度的衍生概念，在本質上相當于一個去除了中心化標志的信息存儲結構，同時作為數據傳輸控制系統的底層應用技術，區塊鏈還必須依靠連串信息密碼才能保障數據包組織的順利運行。

分層加密是以信息解碼為操作核心的數據處理技術，能夠按照相關數據包的連接排列狀態，丈量核心計算機與待處置信息之間的實值距離，再聯合系統信道內的文本節點，妥善安排各級數據參量所處位置[2-3]。從適用對象角度來看，分層加密技術與區塊鏈技術具備高度共通性，二者結合能夠更好地適用多變的網絡數據傳輸環境，從而解決一系列的連接控制問題。

由于待傳輸數據總量的不斷提升，相鄰結構組織對于信息的響應調度能力提出更高需求。現有共振控制系統利用PID元件記錄信息在信道內的傳輸速率，再借助逆變器、載波器等設備加強核心干預主機對各級傳輸信息的綜合約束能力。但這種方法的鄰節點響應時間過長，易導致單向傳輸數據平均流量受到一定的限制影響。為解決此問題，引入區塊鏈及分層加密技術，在數據逆變器、傳輸斬波器、CPLD面板等硬件設備的支持下，設計一種全新的數據傳輸控制系統，并通過暗明文數據相互轉化的方式，實現控制鑰節點的全面托管，達到擴充單向傳輸數據流量的目的。

1 數據傳輸控制系統硬件設計方案

數據傳輸控制系統硬件執行結構由核心控制電路、數據逆變器、傳輸斬波器、采樣控制芯片、CPLD控制面板五部分組成，具體搭建方法如下。

1.1 核心控制電路

數據傳輸控制系統核心電路由PWM控制主機、I/O主機、NRF24L01電阻、FSMC元件等多個設備共同組成。在數據輸入端保持良好接通狀態的情況下，信息流中的電壓及電流參量可分別進入PWM控制主機中的脈沖及電流控制設備中，其中一部分電壓直接傳輸至控制電路外部，以供下級設備元件的直接應用，另一部分電壓則經過AD采樣設備的加工，以控制電流的形式進入I/O主機中。FSMC元件作為核心用電設備，其中存儲大量的待傳輸數據信息，可根據NRF24L01電阻中電壓差的負載情況，調節輸入電流的平均傳輸密度，再將符合應用需求的電壓信號傳輸至GPIO元件中[4-5]。在整個電量傳輸過程中，數據信息始終在發射端與接收端之間保持關聯調用狀態，且能夠感知NRF24L01電阻中的電量應用狀態，進而調整系統相鄰節點間的響應表現形式。

圖1 系統核心控制電路

1.2 數據逆變器

數據逆變器是重要的系統控制指令執行元件，以IGBT調節裝置作為核心搭建設備，同時負責數據控制電流的傳輸與定向電壓的分配處置。數據整合裝置與數據輸入端直接相連，可在感知IGBT逆變器連接狀態的同時，聯合所有待傳輸信息參量，并將這些散點數據結構規整成包狀傳輸實體。電流存儲器、電壓存儲器同屬于核心控制電路的下級負載元件，可按照系統內暫存信息體的數量級條件，更改控制電流與控制電壓的上限承載條件，直至數據逆變器能夠完全適應區塊鏈組織對信息參量的加密處理需求[6]。傳輸導流器是IGBT逆變器的行為表現裝置，直接控制蓄電池中電流信息的存儲總量。通常情況下，隨系統內待控制數據總量的增加，IGBT逆變器的運轉速度也逐漸加快，傳輸導流器逐漸進入極值調試狀態，此時控制蓄電池快速吸收系統內的所有可利用傳輸電子；隨系統內待控制數據總量的減少，IGBT逆變器的運轉速度也逐漸降低，傳輸導流器逐漸進入衰減調試狀態，此時控制蓄電池將所有已存儲的可利用傳輸電子排放至系統環境中。

圖2 數據逆變器結構圖

1.3 傳輸斬波器

傳輸斬波器是系統核心控制電路的下級負載元件，以斬波調速模塊作為中央部署結構，向上可借助電源接口，承載來自系統輸出端的電量信息，向下可根據數據丈量尺的具體示數，判斷單個信息參量的跨度直徑。在不考慮其它干擾影響的情況下，滿足系統控制需求的數據傳輸直徑必須保持在3.5～7.2 mm之間，過大或過小都不能使區塊鏈組織快速進入分層加密狀態[7]。波長控制結構是具備較強轉動能力的旋鈕裝置，可通過向左或向右偏轉的方式，使系統待傳輸數據進入斬波器結構中，從而達到擴充單向傳輸數據流量的目的。輸出控制機位于傳輸斬波器中部，可將滿足系統控制需求的數據信息傳輸至下級應用元件中，是物理功能與系統信道相似的斬波器連接設備。

圖3 傳輸斬波器結構圖

斬波調速模塊由數據輸入、數據輸出、斬波接線三類柱狀接口共同組成。數據輸入接口與逆變器相連，負責導入系統中的待傳輸控制信息，數據輸出接口與采樣控制芯片相連，可將未完全消耗的系統信息傳輸至其它元件設備內部。斬波接線柱主要起到負載平衡的物理功能，可根據波長控制結構的實際行為變動量，選擇性調節旋鈕的連接松緊度，從而調節每次控制輸出的具體信息數據總量數值。

圖4 斬波調速模塊結構圖

1.4 采樣控制芯片

采樣控制芯片是數據傳輸控制系統中的信息篩選元件，能夠按照客戶端的具體應用需求，判斷系統內的輸出數據信息是否滿足運行消耗標準，從上至下由ARM板件、數據傳輸管腳、PWM板件、SPI附屬元件、應用電阻R共同組成。采樣控制芯片內包含4個完全相同的ARM板件，它們之間保持兩兩相連的并列傳輸關系，但同時接入系統的板件數量不得超過3個，即始終有1個ARM板件作為附屬應用設備，僅作為參與性結構，為系統傳輸控制提供必要的連接數據信息。數據傳輸管腳負責協調ARM板件的實際連接狀態，可通過松弛度轉換的方式，調節控制芯片對于傳輸數據的采樣行為，從而影響系統內控制指令的真實傳輸速率，使系統相鄰節點間的平均響應時長不斷縮減[8]。SPI元件作為PWM板件的附屬設備，在采樣控制芯片中充當負載調節的角色，一方面能夠將數據密集之處的信息調度至核心處置區域，另一方面也能完全適應控制指令的傳輸應用需求，使系統長時間保持相對活躍的調度控制狀態。電阻R位于采樣控制芯片最底層，具有相對較大的物理阻值，能分得系統中大量的傳輸控制電壓，從而抑制單向傳輸數據流的下降趨勢，為區塊鏈組織占據更多的系統加密處置空間。

圖5 采樣控制芯片結構圖

1.5 CPLD控制面板

CPLD面板中部為一塊主控芯片，可借助傳輸導線與數據逆變器、傳輸斬波器、采樣控制芯片等多個物理硬件設備相連，具備較強的區塊性感知能力，可按照核心控制計算機的具體傳輸需求，更改相連設備體的接入狀態，從而解決由傳輸數據堆積而造成的控制連接閉鎖問題。CPLD主控芯片正上部為數據平衡裝置，能夠按照系統內控制指令的傳輸狀態，更改面板內已存儲數據的排列形式，再借助ARM板件內干預指令的行為等級，控制傳輸數據包之間的交流行為，從而降低系統鄰節點對于數據信息的敏感程度，降低系統內的感知響應時間[9]。接入插口是采樣控制芯片與CPLD控制面板的連接通道，通常情況下可長時間保持定向連通狀態，在傳輸系統控制指令的同時，將不必要的電子分散至其它元件設備中。流量示數器顯示CPLD控制面板內待處置信息的具體數量級水平，可隨系統執行時間的延長而逐漸變化，但最大示數結果始終不超過系統的額定承載上限。

圖6 CPLD控制面板結構原理圖

2 基于區塊鏈的系統需求分析

基于區塊鏈的需求分析是數據傳輸控制系統搭建的必要物理環節，具體操作流程由IMIX數據傳輸報文、區塊鏈文本兩個設計步驟共同組成。

2.1 IMIX數據傳輸報文

IMIX數據傳輸報文是新型控制系統中最主要的信息共享形式，傳輸面積覆蓋極廣，囊括數據逆變器、傳輸斬波器、采樣控制芯片、CPLD控制面板及其它所有硬件執行設備，由信息頭、信息體、信息尾三部分共同組成。信息頭也叫IMIX數據傳輸報文的開頭格式節點，相鄰域字符之間只能通過ASCII編碼加以區分，且域號在數量級曲線上的投影值越大，代表該類型報文的傳輸受控性越強，反之則代表報文的傳輸受控性越弱。信息體也叫IMIX數據傳輸報文的區間格式節點，依靠信息體序號、傳輸起止時間等字符區分不同類型的系統控制數據，再按照每一個信息體的字段長度水平，將不同受控信息傳輸至系統的不同應用元件之中，從而實現分流系統傳輸信息的目的[10-11]。信息尾也叫IMIX數據傳輸報文的目的格式節點，限定了各項系統控制數據的實際作用位置，與其它兩類報文組成條件保持間接作用關系，但總體的從屬調節行為始終受到系統控制主機的綜合協調。下表列舉了幾類常見的IMIX數據傳輸報文形式。

表1 IMIX數據傳輸報文結構

2.2 區塊鏈文本設計

區塊鏈文本是一類指針型數據信息，直接作用于系統的核心控制主機，對IMIX數據傳輸報文起到輔助說明的作用，可面對不同的系統執行結構，生成不同類型的傳輸應用指令[12]。

1)針對核心控制電路的區塊鏈文本：密鑰頭結點所占比重較大，能夠干預電量信息在系統中的行進狀態，在IMIX數據傳輸報文處于足量狀態的情況下，能夠直接存儲于系統數據庫之中。

2)針對數據逆變器、傳輸斬波器的區塊鏈文本：密鑰組織中只含有中間應用信息，能結合既定硬件執行結構，更改控制指令的傳輸速率，從而緩解傳輸信道對系統數據的抑制影響。

3)針對采樣控制芯片、CPLD控制面板的區塊鏈文本：密鑰組織由頭、尾節點共同組成，僅在小范圍內影響區塊鏈組織的連接控制狀態，對處于其它系統層次的執行設備不產生干預性作用。

3 基于分層加密技術的數據傳輸控制密鑰

在區塊鏈需求分析條件的支持下，通過構造單向數據函數、轉化明文數據、托管控制鑰節點的方式，完成基于分層加密技術的數據傳輸控制密鑰連接，實現新型數據傳輸控制系統的順利應用。

3.1 分層加密技術

分層加密技術是指按層次分別采用多種加密方式完成數據加密，一般分為對稱加密和非對稱加密兩種體系。其中，DES算法是對稱加密算法，加密解密共用一套密鑰，該算法較為簡便，但容易被破解，因此對于保密性較強的數據，需要采用RSA算法完成加密。RSA算法是一種非對稱加密算法，該算法能夠增加解密密鑰的長度，因此較難破解，加密性較好。采用分層加密技術能夠根據數據等級的不同采用不同加密方式，既保證加密安全性，同時也提升了加密效率。

3.2 單向數據函數構造

單向函數是以區塊鏈文本為基礎建立的密鑰算法基礎，能夠適應系統環境中待控制數據所面對的所有傳輸情況，且與每次明文轉化操作所對應的信息文件也始終保持高度的獨立性[13]。在分層加密技術處理過程中，單向數據函數存在不可逆的特點，即每個信息解只能從控制端信息指向客戶端信息，一方面可避免因數據交叉而出現的信息擁堵行為，另一方面也能適當縮減系統鄰節點之間的物理距離，為控制固定響應時間提供可能。設y0代表待控制數據信息的暗文格式指標，y1代表待控制數據信息的明文格式指標，u代表數據控制標記的下限參量，w代表數據控制標記的上限參量，聯立上述物理參數，可將傳輸控制系統的單向數據函數表示為：

(1)

其中:Δf代表系統控制鑰節點承載信息在單位時間內的變化量，l′代表數據明文轉化標準差，d0、d1分別代表與暗文格式數據、明文格式數據相關的轉化向量。

3.3 數據明文轉化

數據明文轉化是系統對信息參量實施傳輸控制的必要物理流程，需要核心控制主機、暗文服務器、明文服務器的共同參與，才能實現由個體數據指標到集群數據指標的轉變[14]。在系統硬件執行設備保持穩定信息輸出的情況下，暗文服務器以數據信息發送的方式，將待傳輸數據由系統數據庫轉存至信號環境中，明文服務器在與核心數據主機建立信息連接的同時，聯合系統傳輸斬波器及數據逆變器生成獨立的密鑰體系，再借助輸出組織，將密鑰信息與待傳輸數據相連，實現一次完整的數據明文轉化處理。

圖7 數據明文轉化原理

3.4 控制鑰節點托管

(2)

在PKG加密系數的支持下，控制鑰節點始終呈現層次化分布狀態。首層加密節點會借助次級加密節點，向尾層加密節點傳輸與系統傳輸控制相關的數據信息，且隨著數據總量的提升，相鄰層結構之間的加密處理距離也不斷縮短。為保證數據信息的完整性，除首層加密節點外，所有加密節點均與系統數據控制節點伴隨出現，但后者僅負責記錄與密鑰組織相關的托管信息，不影響加密節點的實際處理行為[15]。至此，完成所有前期搭建準備工作，在確保區塊鏈組織保持完整的情況下，實現新型數據傳輸控制系統設計。

圖8 控制鑰節點托管原理

4 系統應用實驗分析

為突出說明基于區塊鏈及分層加密技術數據傳輸控制系統的實用價值，設計如下對比實驗。選取兩臺完全相同的實驗主機，分別搭載新型傳輸控制系統和共振控制系統，其中前者作為實驗組、后者作為對照組，在網絡互聯環境中以固定信息空間作為實驗對象，分別記錄在相同實驗環境下，相關控制指標的具體變化情況。

4.1 檢測環境

不斷調試網絡互聯環境，使數據信息的輸出流量持續趨于穩定，將實驗組、對照組系統同時接入互聯網絡平臺中，記錄各項指標參數的實際變化行為。

4.2 檢測指標對比

已知系統鄰節點響應時間、單向傳輸數據流量都是影響相鄰結構組織間流通數據響應調度狀態的重要條件，通常情況下，響應時間越短、數據流量越大，流通數據的響應調度狀態越積極，反之則越稀疏。

以實驗組、對照組系統作為記錄對象，圖9～圖10分別反映了系統鄰節點響應時間及單向傳輸數據流量的詳細變化趨勢。

圖9 系統鄰節點響應時間對比

圖10 系統單向傳輸數據流量對比

分析圖9可知，本次實驗共取24次數值結果，前18次實驗組系統鄰節點響應時間始終高于對照組，但從第19次開始，實驗組數值出現了明顯的下降趨勢。從數值角度來看，實驗組最大值未超過1.2 μs，但對照組最大值達到1.3 μs，高于實驗組數值水平。綜上可知，在相同實驗環境下，基于區塊鏈及分層加密技術數據傳輸控制系統比共振控制系統更能抑制鄰節點響應時間的上漲。

圖10中分別標注了實驗組、對照組單向傳輸數據流量的最大值和最小值。分析圖10可知，實驗組、對照組單向傳輸數據流量均在實驗初始時達到極值狀態，隨記錄時間的延長而不斷降低，但實驗組極大值達到9.6×1014T，遠高于實驗組的2.1×1014T。綜上可知，在相同實驗環境下，基于區塊鏈及分層加密技術數據傳輸控制系統確實能夠大幅度擴充數據結構的單向傳輸流量。

5 結束語

在區塊鏈組織的支持下，分層加密技術針對共振控制系統針對流通數據響應調度能力較差的問題實施改進，且能夠聯合核心控制電路、數據逆變器、傳輸斬波器等設備，在控制信息采樣速率的同時，促進IMIX數報文的快速傳輸。隨著待傳輸數據總量的提升，新型控制系統的CPLD面板逐漸占據主導應用地位，既能分層處置單向函數的加密進程，也能使控制鑰節點進入全面托管狀態，同步實現了單向傳輸數據流量的擴充與鄰節點響應時間的縮減，更符合互聯網傳輸環境對于數據信息的實際處理需求。