基于密鑰矩陣的科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)加密共享系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李林，孫延黎，彭放，郭金婷，柳玉蘭

（國(guó)能大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川成都 610095）

密鑰矩陣是通信雙方必須遵循的信息秘密編碼約定，由于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)碼與譯碼模板極為復(fù)雜，所以很難被第三方平臺(tái)破解。作為一種新型數(shù)據(jù)信息編碼形式，密鑰矩陣原則下的所有文本參量都只能保持矩陣狀的存在狀態(tài)。一般情況下，數(shù)據(jù)的主動(dòng)輸出方對(duì)信息參量采取間斷式編碼的處理方式，當(dāng)這些信息參量到達(dá)核心運(yùn)轉(zhuǎn)主機(jī)后，過渡平臺(tái)會(huì)對(duì)剩余未編碼信息進(jìn)行二次編碼[1-2]。對(duì)于數(shù)據(jù)被動(dòng)接收方而言，為準(zhǔn)確破解傳輸數(shù)據(jù)中的信息文本，必須同時(shí)具備兩種或兩種以上的解碼模板，并可根據(jù)信息參量的傳輸情況進(jìn)行自主轉(zhuǎn)換。

科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)是指具有較強(qiáng)傳輸能力的科技型互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)信息參量，能夠從主動(dòng)通信方自發(fā)反饋至被動(dòng)通信方，且在此過程中，數(shù)據(jù)信息的傳輸能力不會(huì)發(fā)生任何改變。基于CPU/GPU 異構(gòu)平臺(tái)的加密共享系統(tǒng)利用RSA 非對(duì)稱算法，對(duì)科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼處理，再根據(jù)訪問目錄、操作文件之間的連接關(guān)系，將待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息參量存儲(chǔ)至既定的文本空間內(nèi)[3]。然而此系統(tǒng)對(duì)于科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換能力有限，易導(dǎo)致信息參量在加密與共享過程中出現(xiàn)明顯的堆積行為。為解決此問題，引入密鑰矩陣，并以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種新型科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)加密共享系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)加密共享系統(tǒng)的硬件執(zhí)行環(huán)境由密鑰管理模塊、文件加密模塊、安全共享模塊三部分組成，具體設(shè)計(jì)過程如下。

1.1 密鑰管理模塊

密鑰管理模塊是科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)加密共享系統(tǒng)的核心組成結(jié)構(gòu)，可根據(jù)信息參量的傳輸行為，更改密鑰模板的編碼形式，從而使信息文本在密鑰矩陣中呈現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定的存在狀態(tài)。整個(gè)模塊內(nèi)生成的密鑰模板大體上可分為如下幾類。

1）平臺(tái)身份類密鑰：具備EK、PIK、PEK 三種編碼形式。其中，EK 密鑰作用于具有傳輸能力的科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)，能夠分析信息參量的傳輸特性，并可借助既定信道組織，將這些數(shù)據(jù)文件反饋至核心加密主機(jī)中[4]。PIK 密鑰與PEK 密鑰具有完全相反的編碼能力，前者負(fù)責(zé)記錄科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)的傳輸狀態(tài)，而后者可對(duì)已存儲(chǔ)進(jìn)數(shù)據(jù)主機(jī)的信息參量進(jìn)行二次調(diào)用。

2）平臺(tái)存儲(chǔ)類密鑰：常定義為SRK 的編碼形式，能夠根據(jù)科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)量水平，更改信息文本的原始存儲(chǔ)形式，從而最大化釋放系統(tǒng)共享主機(jī)所面臨的數(shù)據(jù)整合壓力。

3）用戶類密鑰：常定義為UK 的編碼形式，一般來(lái)說(shuō)，對(duì)主動(dòng)通信端節(jié)點(diǎn)采取正向編碼的處理方式，而對(duì)被動(dòng)通信端節(jié)點(diǎn)采取反向編碼的處理方式[5]。

1.2 文件加密模塊

文件加密模塊以TPM 模板作為核心應(yīng)用結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)生成數(shù)據(jù)信息的加密密鑰與解密密鑰，并可在兩端暫存主機(jī)的作用下，對(duì)科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)進(jìn)行初步記錄。由加密暫存結(jié)構(gòu)、解密暫存結(jié)構(gòu)指向核心存儲(chǔ)主機(jī)的行為均被定義為科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)碼處理。在密鑰矩陣的作用下，任何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)碼行為都不具備轉(zhuǎn)換執(zhí)行方向的能力，也就是說(shuō)，在科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)加密共享系統(tǒng)中，所有信息參量的轉(zhuǎn)碼行為都只能保持單向執(zhí)行的能力[6-7]。文件加密模塊結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 文件加密模塊結(jié)構(gòu)

在實(shí)際應(yīng)用過程中，只有與加密密鑰匹配的暫存結(jié)構(gòu)能夠與加密運(yùn)輸主機(jī)相連，由該元件指向核心存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的傳輸指令被定義為科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)的共享行為。

1.3 安全共享模塊

安全共享模塊作為文件加密模塊的下級(jí)附屬結(jié)構(gòu)，在科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)加密共享系統(tǒng)中，負(fù)責(zé)對(duì)待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息參量進(jìn)行整合處理，并可在不違背共享主機(jī)與加密主機(jī)之間服務(wù)轉(zhuǎn)化需求的情況下，完成對(duì)譯碼與轉(zhuǎn)碼信息的獲取[8]。具體的模塊連接示意圖如圖2 所示。

圖2 安全共享模塊示意圖

在實(shí)際應(yīng)用過程中，科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)的密鑰文件地址同時(shí)對(duì)應(yīng)密鑰矩陣、服務(wù)器驗(yàn)證碼、譯碼與轉(zhuǎn)碼信息[9]。在加密主機(jī)、共享主機(jī)保持同步連接狀態(tài)的情況下，共享服務(wù)主機(jī)可自發(fā)向下級(jí)密鑰文件下達(dá)獲取指令，并可聯(lián)合系統(tǒng)的核心主機(jī)元件，對(duì)已獲取的文件信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在相關(guān)硬件結(jié)構(gòu)的支持下，按照密鑰矩陣生成、加密模板定義、解密共享模板分析的處理流程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件執(zhí)行環(huán)境的搭建，兩相結(jié)合，完成基于密鑰矩陣的科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)加密共享系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1 密鑰矩陣生成

密鑰矩陣可用來(lái)探測(cè)科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)輸出端主機(jī)與接收端主機(jī)之間的信息加密共享關(guān)系，且為使信息參量的傳輸速率能夠得到大幅提高，在整個(gè)編碼過程中，所有密碼模板均保持矩陣型存在狀態(tài)[10-11]。在密鑰矩陣中，橫向定義系數(shù)表示科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)的橫向傳輸能力，而縱向定義系數(shù)表示科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)的縱向傳輸能力，且二者之間的取值關(guān)系始終滿足式（1）：

式中，i表示橫向定義系數(shù)，w表示縱向定義系數(shù)，Eˉ表示科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)的單位傳輸量均值，Ru表示密鑰指標(biāo)為u時(shí)的數(shù)據(jù)信息編碼特征，λ表示已編碼信息的查詢系數(shù)。

在式（1）的基礎(chǔ)上，設(shè)指標(biāo)i、指標(biāo)w同時(shí)屬于(1,+∞)的物理區(qū)間，dmax表示加密共享主機(jī)所能分辨的科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)傳輸向量最大值，dmin表示傳輸向量最小值。聯(lián)立上述物理量，可將科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)加密共享系統(tǒng)的密鑰矩陣P表示為：

為使系統(tǒng)加密共享主機(jī)保持較強(qiáng)的數(shù)據(jù)信息處理能力，規(guī)定不等式dmax＞dmin恒成立。

2.2 數(shù)據(jù)加密模板

數(shù)據(jù)加密模板決定了密鑰矩陣在執(zhí)行信息加密服務(wù)時(shí)的運(yùn)算能力。對(duì)于待傳輸?shù)目萍紕?chuàng)新數(shù)據(jù)而言，加密模板所涉及的信息覆蓋范圍越大，則表示系統(tǒng)主機(jī)所具備的數(shù)據(jù)信息處理能力越強(qiáng)[12]。如果將密鑰矩陣作為唯一的信息參量編碼背景，則可認(rèn)為隨著科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)傳輸量的增大，加密模板對(duì)于信息文件的約束能力也會(huì)逐漸增強(qiáng)，反之則逐漸減弱[13-14]。設(shè)g0表示科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)加密文本的初始編碼信息，ga表示編碼進(jìn)度為a時(shí)的科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)加密文本編碼信息，h表示數(shù)據(jù)加密權(quán)限，ΔK表示密碼文本在單位時(shí)間內(nèi)的傳輸量數(shù)值，χ表示密碼文本傳輸系數(shù)。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（2），可將科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)的加密模板定義為：

在考慮密鑰矩陣的情況下，編碼進(jìn)度a指標(biāo)的物理取值結(jié)果始終處于原始矩陣P。

2.3 解密與共享模板

解密與共享模板約束了系統(tǒng)主機(jī)對(duì)于科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理能力，在密鑰矩陣的影響下，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)主機(jī)所具備的信息轉(zhuǎn)存能力也能在一定程度上干預(yù)解密與共享模板的最終定義形式[15-16]。在科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)編碼進(jìn)度恒為a，且a∈P定義條件恒成立的情況下，設(shè)b0表示科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)解密與共享的初始執(zhí)行條件，ba表示編碼進(jìn)度取值為a時(shí)的科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)解密與共享執(zhí)行條件，β表示解密與共享模板的穩(wěn)固系數(shù)，f表示系統(tǒng)主機(jī)對(duì)于解密與共享模板所設(shè)置的必要判別條件。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（3），可將科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)的解密與共享模板定義為：

至此，實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)系數(shù)指標(biāo)參量的計(jì)算與處理，在密鑰矩陣條件的支持下，完成科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)加密共享系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

3 實(shí)例分析

對(duì)于科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)而言，信息參量傳輸速率能夠反映文本文件在加密與共享過程中的堆積情況，一般來(lái)說(shuō)，信息參量的傳輸速率越快，科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)在加密與共享過程中的堆積量也就越小；反之，信息參量的傳輸速率越慢，則表示科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)在加密與共享過程中的堆積量越大。

選取兩臺(tái)配置相同的互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)算主機(jī)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，其中實(shí)驗(yàn)組主機(jī)搭載基于密鑰矩陣的科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)加密共享系統(tǒng)，對(duì)照組主機(jī)搭載基于CPU/GPU異構(gòu)平臺(tái)的加密共享系統(tǒng)。令實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組互聯(lián)網(wǎng)主機(jī)同時(shí)開啟工作狀態(tài)，當(dāng)科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)的傳輸行為趨于穩(wěn)定后，記錄實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組信息參量的實(shí)時(shí)傳輸速率，再將記錄數(shù)值與理想傳輸速率進(jìn)行對(duì)比。

表1 記錄了理想狀態(tài)下，科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)傳輸速率的數(shù)值變化情況。

表1 科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)的理想傳輸速率

分析表1 可知，隨著字節(jié)大小的增加，科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)傳輸速率的理想數(shù)值呈現(xiàn)不斷增大的變化態(tài)勢(shì)，其單位上升幅度分別為1.02 Mb/s、1.13 Mb/s、0.94 Mb/s、1.48 Mb/s、1.16 Mb/s、1.09 Mb/s、1.14 Mb/s。綜上可知，當(dāng)字節(jié)大小由400 kB 增長(zhǎng)到500 kB 時(shí)，科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)傳輸速率的上升幅度最大；當(dāng)字節(jié)大小由300 kB 增長(zhǎng)到400 kB 時(shí)，科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)傳輸速率的上升幅度最小，二者之間的數(shù)值差等于0.54 Mb/s。

圖3 反映了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)傳輸速率的實(shí)際數(shù)值變化情況。

圖3 科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)傳輸速率的實(shí)際數(shù)值變化情況

對(duì)照組：隨著字節(jié)大小的增加，對(duì)照組科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)值也呈現(xiàn)出不斷增大的變化趨勢(shì)，但其平均數(shù)值水平相對(duì)較小。當(dāng)字節(jié)大小增大至800 kB時(shí)，其數(shù)據(jù)傳輸速率最大值僅能達(dá)到34.99 Mb/s，與理想最大值39.02 Mb/s相比，下降了4.03 Mb/s。

實(shí)驗(yàn)組：隨著字節(jié)大小的增加，實(shí)驗(yàn)組科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)值也維持著連續(xù)增大的變化狀態(tài)。當(dāng)字節(jié)大小增大至800 kB時(shí)，其數(shù)據(jù)傳輸速率最大值達(dá)到了38.35 Mb/s，與理想最大值39.02 Mb/s相比，上升了0.67 Mb/s，整體均值水平更遠(yuǎn)高于對(duì)照組。

綜上可知，在基于密鑰矩陣的應(yīng)用系統(tǒng)的作用下，科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)傳輸速率的上升變化趨勢(shì)得到了較好促進(jìn)，其最大速率的數(shù)值結(jié)果明顯高于理想數(shù)值，能夠有效避免信息參量在加密與共享過程中出現(xiàn)明顯堆積的行為。

4 結(jié)束語(yǔ)

與基于CPU/GPU 異構(gòu)平臺(tái)的加密共享系統(tǒng)相比，基于密鑰矩陣的應(yīng)用系統(tǒng)在文件加密模塊、安全共享模塊等多個(gè)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)備的作用下，通過制定數(shù)據(jù)加密模板的方式，檢驗(yàn)已生成密鑰矩陣的有效性，再聯(lián)合解密與共享模板，對(duì)傳輸信息進(jìn)行整合與處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在這種新型應(yīng)用系統(tǒng)的作用下，科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)的傳輸速度更快，能夠較好解決信息參量在加密與共享過程中易出現(xiàn)明顯堆積行為的問題。