基于C/S架構(gòu)的雙重加密可逆信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉琴　孫琦龍

關(guān)鍵詞：C/S架構(gòu)；雙重加密；信息采集；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；加密可逆

中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言（Introduction）

目前，在高速發(fā)展的信息化時(shí)代，信息安全[1]逐漸成為人們?nèi)粘Ｖ攸c(diǎn)關(guān)注的問題，其對(duì)后續(xù)的信息行業(yè)建設(shè)、技術(shù)創(chuàng)新等均存在直接影響。傳統(tǒng)的可逆信息傳輸或加密處理系統(tǒng)多為單向執(zhí)行系統(tǒng)，雖然在設(shè)計(jì)的過程會(huì)調(diào)整為雙重加密形式，能夠在初始的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的可逆信息采集目標(biāo)，但是經(jīng)常受到外部因素及環(huán)境的影響，導(dǎo)致采集環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，使最終獲取的采集結(jié)果不可靠。文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]提出傳統(tǒng)云平臺(tái)雙重加密可逆信息采集系統(tǒng)和傳統(tǒng)三維全景雙重加密可逆信息采集系統(tǒng)，這類系統(tǒng)在使用過程中的要求較多，信息處理效率不高，不易控制。基于此，本文提出一種基于C/S架構(gòu)的雙重加密可逆信息采集系統(tǒng)。

C/S架構(gòu)是一種定向的客戶機(jī)和服務(wù)器結(jié)構(gòu)，通常設(shè)定為軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，在實(shí)際使用過程中會(huì)形成較強(qiáng)的硬件優(yōu)勢(shì)[4]；將其應(yīng)用在可逆信息采集系統(tǒng)中，能夠提高可逆信息存儲(chǔ)的穩(wěn)定性與安全性。在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)信息處理環(huán)境下，設(shè)定C/S架構(gòu)，可以擴(kuò)大定向采集范圍，打破傳統(tǒng)采集模式的束縛，逐步形成更為可控的采集結(jié)構(gòu)。采用雙重加密形式能夠從整體上提升可逆信息的采集效率，為后續(xù)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和行業(yè)創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)[5]。

2 雙重加密可逆信息C/S架構(gòu)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)（Hardware design of dual encryption reversibleinformation C/S architecture acquisitionsystem）

2.1 信息采集STM32F103VET6主控制器設(shè)計(jì)

在硬件結(jié)構(gòu)的搭接與調(diào)整過程中，進(jìn)行信息采集主控制器STM32F103VET6的設(shè)計(jì)和關(guān)聯(lián)[6]。首先，在單向的硬件體系中安裝一個(gè)定向、多覆蓋的感應(yīng)裝置，控制區(qū)域不固定，可以隨時(shí)更改[7]。然后，采用Wi-Fi技術(shù)將硬件程序和TLink物聯(lián)網(wǎng)云系統(tǒng)進(jìn)行連接，為硬件的設(shè)計(jì)營造穩(wěn)定的環(huán)境[8]。為增加系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性與穩(wěn)定性，需要在感應(yīng)設(shè)備中加入STM32F103VET6微控制器，將其設(shè)定為核心控制結(jié)構(gòu)。

同時(shí)，在控制硬件的電路中接入LoRa定向通信模塊[9]。這里需要注意STM32F103VET6微控制器的應(yīng)用必須形成一個(gè)穩(wěn)定的控制電路，但初始設(shè)定的硬件電路并不具備這一條件和限制形式，所以在硬件控制結(jié)構(gòu)中增設(shè)一個(gè)定向控制電路，并與SX1278芯片形成關(guān)聯(lián)，采用TLink云服務(wù)器與芯片、主控制器構(gòu)建多元的采集結(jié)構(gòu)，增設(shè)異步信息收發(fā)器，與PC機(jī)進(jìn)行串口處理，具體的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)圖1，完成對(duì)信息采集主控制器STM32F103VET6控制結(jié)構(gòu)的搭接形式與關(guān)聯(lián)應(yīng)用結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。隨后，在主控制器中設(shè)定一個(gè)定向的內(nèi)置智能化控制環(huán)節(jié)，利用TCP/IP端口進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的定向采集，同時(shí)與PC機(jī)進(jìn)行串口通信，逐步強(qiáng)化信息采集STM32F103VET6主控制器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用分析。

2.2 Wi-Fi加密芯片配置

Wi-Fi芯片是一種定向的信息加密控制處理裝置，可提高系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量和效率。設(shè)定控制單元以A R MCortex-M3作為內(nèi)核，利用STM32F103監(jiān)督裝置對(duì)系統(tǒng)的具體情況進(jìn)行調(diào)整。此時(shí)，需要根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行及加密的狀態(tài)，測(cè)算出控制器的工作頻率，如公式（1）所示：

公式（1）中：G表示控制器工作頻率，χ表示逆向單元偏差，α表示內(nèi)部存儲(chǔ)常數(shù)值，β表示微控制區(qū)域，R表示驅(qū)動(dòng)單元，i表示控制次數(shù)，b表示控制總次數(shù)。首先根據(jù)公式（1）完成對(duì)測(cè)試控制器工作頻率的測(cè)算，然后根據(jù)實(shí)際的測(cè)定需求及標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)整硬件控制器的工作效率，營造更為穩(wěn)定的控制環(huán)境，同時(shí)形成多結(jié)構(gòu)的控制階段。此時(shí)，將Wi-Fi加密芯片與微控制裝置進(jìn)行搭接關(guān)聯(lián)，選擇靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器對(duì)日常采集到的信息進(jìn)行存儲(chǔ)。在日常工作中，為了提升工作效率及質(zhì)量，增設(shè)多方向的訪問裝置，通過多級(jí)的AHB總線構(gòu)架相互連接，此時(shí)根據(jù)Wi-Fi芯片的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)定Wi-Fi芯片信息采集裝置的指標(biāo)參數(shù)（表1），完成對(duì)Wi-Fi加密芯片信息采集裝置的指標(biāo)參數(shù)的設(shè)定。

完成硬件結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)與調(diào)整之后，在小型的控制位置增設(shè)4個(gè)端口，設(shè)定網(wǎng)關(guān)的監(jiān)督節(jié)點(diǎn)，強(qiáng)化實(shí)際控制效果，完成硬件結(jié)構(gòu)的最終設(shè)計(jì)。

3 雙重加密可逆信息C/S架構(gòu)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)（Software design of dual encryption reversibleinformation C/S architecture acquisition system）

3.1 雙重加密及采集指令集群設(shè)計(jì)

對(duì)于信息采集過程中的安全問題，一般采用加密或雙重加密的方式予以解決。在信息數(shù)據(jù)傳輸或者接收的過程中，首先進(jìn)行核查與定向檢定，以此確保后續(xù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息采集的必要性和穩(wěn)定性，然后進(jìn)行雙重加密及采集指令集群的設(shè)計(jì)與搭接關(guān)聯(lián)，進(jìn)而提升系統(tǒng)的運(yùn)行效率。依據(jù)實(shí)際的信息采集需求及范圍，設(shè)定一個(gè)穩(wěn)定的控制環(huán)境，同時(shí)針對(duì)下發(fā)的初始指令進(jìn)行定向指標(biāo)的設(shè)置（表2），完成對(duì)初始指令集群定向指標(biāo)參數(shù)的設(shè)置。

綜合日常的信息采集需求及標(biāo)準(zhǔn)，融合C/S架構(gòu)，設(shè)計(jì)一個(gè)智能化的多目標(biāo)指令結(jié)構(gòu)。將加密和采集指令進(jìn)行劃分，形成可控的多向控制結(jié)構(gòu)，同時(shí)在內(nèi)控程序中設(shè)定Web自動(dòng)采集環(huán)節(jié)，與整體的信息采集搭建正向關(guān)聯(lián)，并形成動(dòng)態(tài)化的采集體系完成對(duì)雙重加密及采集指令集群結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析，如圖2所示。將所設(shè)定指令依據(jù)應(yīng)用的種類和定向的控制方向，形成雙重的可逆信息加密處理，為后續(xù)相關(guān)加密工作的執(zhí)行奠定更為堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)環(huán)境。

3.2 C/S架構(gòu)多階可逆信息采集功能模塊設(shè)計(jì)

完成上述雙重加密及采集指令集群的設(shè)計(jì)之后，將設(shè)計(jì)系統(tǒng)中Web應(yīng)用軟件綜合C/S架構(gòu)，利用Maven項(xiàng)目管理工具軟件構(gòu)建Web應(yīng)用項(xiàng)目，設(shè)計(jì)多階可逆信息采集功能模塊。利用Web應(yīng)用軟件的信息采集流程如下。

步驟1：完成雙重加密及采集指令集群設(shè)計(jì)后，將系統(tǒng)采集結(jié)果發(fā)送至Web服務(wù)器。

步驟2：接收采集結(jié)果，并交由控制器。

步驟3：由控制器進(jìn)行預(yù)處理后，將處理結(jié)果發(fā)至Web服務(wù)器。

步驟4：建立信息采集模塊采集多階可逆信息，提高信息采集功能模塊的采集效率。

通常在進(jìn)行可逆信息采集之前，均需要通過采集指令對(duì)采集目標(biāo)和任務(wù)進(jìn)行確認(rèn)，以此確保最終的采集方向和標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性。可以先依據(jù)可逆信息的采集任務(wù)設(shè)定相對(duì)應(yīng)的采集目標(biāo)，形成多階段的動(dòng)態(tài)化采集結(jié)構(gòu)，利用C/S架構(gòu)的采集定位，在內(nèi)控程序中設(shè)定可調(diào)整的采集節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)采集節(jié)點(diǎn)在實(shí)際過程中需形成特定的關(guān)聯(lián)條件，同時(shí)與初始的采集模塊形成搭接，以設(shè)定的采集目標(biāo)作為引導(dǎo)，形成循環(huán)性的可逆信息采集流程。以上述流程為基礎(chǔ)，將采集模塊劃分為4個(gè)部分，如圖3所示。

綜合C/S架構(gòu)，分析并驗(yàn)證實(shí)際的可逆信息采集情況，測(cè)定計(jì)算出功能模塊的信息采集轉(zhuǎn)換比，如公式（2）所示：

公式（2）中：U表示信息采集轉(zhuǎn)換比，δ表示多階采集偏差，m表示預(yù)設(shè)采集范圍，n表示重復(fù)采集范圍， 表示傳輸距離。根據(jù)上述測(cè)定，完成對(duì)信息采集轉(zhuǎn)換比的測(cè)定計(jì)算。隨后，采用獲取的轉(zhuǎn)換比對(duì)功能模塊采集的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行多方向處理，與設(shè)定的采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)搭接，在初始的范圍之內(nèi)，最大限度地?cái)U(kuò)大實(shí)際的可逆信息采集范圍，再加上Web應(yīng)用軟件與C/S架構(gòu)的輔助，能夠進(jìn)一步提升采集效率，使獲取的轉(zhuǎn)換比具有更好的應(yīng)用價(jià)值。

3.3 C/S架構(gòu)傳輸數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建與搭接應(yīng)用對(duì)于信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，一般而言，數(shù)據(jù)庫的主要作用是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并通過特定的端口進(jìn)行數(shù)據(jù)包的傳輸與接收。在C/S架構(gòu)的輔助下，本文所構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫功能主要以數(shù)據(jù)傳輸和自動(dòng)化定位采集為主，首先可以通過C/S架構(gòu)建立一個(gè)多階、多目標(biāo)的動(dòng)態(tài)化執(zhí)行結(jié)構(gòu)，然后在每一個(gè)層級(jí)設(shè)定相應(yīng)的執(zhí)行目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上設(shè)置傳輸框架與執(zhí)行體系，同時(shí)將上述設(shè)定的加密指令集群和多階可逆信息采集功能模塊進(jìn)行搭接，進(jìn)一步強(qiáng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集功能。

此外，可以在C/S架構(gòu)和執(zhí)行程序中添加一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)庫雙重加密密鑰，分為公鑰和私鑰[10]，公鑰主要是對(duì)開放性數(shù)據(jù)信息的管控與安全維護(hù)，而私鑰則是針對(duì)加密性文件的一種密鑰設(shè)定，實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)數(shù)據(jù)庫的雙重鑰匙，具有更強(qiáng)的加密效果。需要注意的是，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫在傳輸?shù)倪^程中會(huì)受到外部環(huán)境等因素的影響，最終導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫的安全系數(shù)降低，而將C/S架構(gòu)與初始的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)融合，能夠進(jìn)一步增強(qiáng)實(shí)際的數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)能力，將內(nèi)部的信息更穩(wěn)定地歸類，形成更可控的數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)程序，完成系統(tǒng)軟件的搭接和應(yīng)用。

4 系統(tǒng)測(cè)試（System test）

此次研究主要對(duì)基于C/S架構(gòu)的雙重加密可逆信息采集系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與驗(yàn)證分析，為確保最終系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果的真實(shí)性與可靠性，采用對(duì)比的方式展開分析，選定Q系統(tǒng)作為測(cè)定的主要目標(biāo)對(duì)象，設(shè)置系統(tǒng)的執(zhí)行模式為開放性信息采集形式，同時(shí)將LoRa無線通信技術(shù)與C/S架構(gòu)同時(shí)設(shè)定在系統(tǒng)的控制程序之中，確保其可應(yīng)用之后，進(jìn)行基礎(chǔ)測(cè)試環(huán)境的搭建。

4.1 測(cè)試準(zhǔn)備

綜合C/S架構(gòu)及相關(guān)技術(shù)，對(duì)雙重加密可逆信息采集系統(tǒng)實(shí)際測(cè)定環(huán)境進(jìn)行分析和研究。對(duì)Q系統(tǒng)的基礎(chǔ)執(zhí)行環(huán)境進(jìn)行設(shè)定，將初始的系統(tǒng)模式依據(jù)實(shí)際需求和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整，設(shè)定為開放性模式，將C/S架構(gòu)融合在Q系統(tǒng)之中，利用上述設(shè)定節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集測(cè)定，若無問題，進(jìn)行下一階段的系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境搭建。

準(zhǔn)備6個(gè)數(shù)據(jù)包，并部署與數(shù)據(jù)庫保持一致的控制程序，系統(tǒng)由接收數(shù)據(jù)模式切換到發(fā)送數(shù)據(jù)模式，將采集數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式轉(zhuǎn)換成信號(hào)。在此基礎(chǔ)上，需要進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度的設(shè)定，保持在52—68 dBm，系統(tǒng)的擴(kuò)頻因子為SF8。在初始測(cè)定系統(tǒng)中增加一個(gè)自動(dòng)采集的程序，分為三個(gè)階段設(shè)置可逆信息采集標(biāo)準(zhǔn)（表3），完成對(duì)階段可逆信息采集標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定。在此基礎(chǔ)之上，調(diào)整可控程序，形成穩(wěn)定的測(cè)試環(huán)境，并在內(nèi)置程序中增加抗干擾裝置，完成基礎(chǔ)測(cè)定環(huán)境的構(gòu)建。

4.2 測(cè)試過程及結(jié)果分析

根據(jù)上述搭建的測(cè)試環(huán)境，綜合實(shí)際的測(cè)試需求及標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)Q系統(tǒng)進(jìn)行具體的測(cè)定分析。首先，將準(zhǔn)備的6個(gè)數(shù)據(jù)包解析設(shè)定在系統(tǒng)的存儲(chǔ)庫中，依據(jù)測(cè)定設(shè)置4個(gè)單獨(dú)指令，利用程序下達(dá)到對(duì)應(yīng)的位置上，這部分需要注意指令的執(zhí)行狀態(tài)必須與系統(tǒng)內(nèi)置的程序控制標(biāo)注保持一致，便于營造穩(wěn)定的信息采集狀態(tài)。設(shè)定數(shù)據(jù)采集的速率為113.25 kbps，采集時(shí)間設(shè)定為3.5 s，平均傳輸速率為65.37 kbps。設(shè)置公鑰+私鑰的密鑰形式構(gòu)建雙重加密的環(huán)境。其次，下達(dá)第二波指令，并設(shè)立單向采集執(zhí)行目標(biāo)，經(jīng)過分析，最終測(cè)算出可逆信息的采集丟包率，如公式（3）所示：

公式（3）中：H表示可逆信息采集丟包率，θ表示采集范圍，Q表示單向采集數(shù)據(jù)量，e表示采集次數(shù)，y表示采集總次數(shù)，γ表示傳輸頻率。根據(jù)上述測(cè)定，完成對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析與研究。采用相同的方式在不同數(shù)據(jù)量的背景下，重復(fù)測(cè)定5次，依據(jù)Q系統(tǒng)的真實(shí)測(cè)試情況進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表4所示。

經(jīng)過5次測(cè)試，最終Q系統(tǒng)對(duì)雙重加密可逆信息的采集丟包率被較好地控制在2%以下，說明在實(shí)際應(yīng)用過程中，系統(tǒng)對(duì)信息的采集和維護(hù)效率較高，誤差可控，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)論（Conclusion）

對(duì)比傳統(tǒng)的信息采集系統(tǒng)，本文提出的基于C/S架構(gòu)的雙重加密可逆信息采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更為靈活、多變且對(duì)傳統(tǒng)的信息采集系統(tǒng)的一系列問題和限制的針對(duì)性較強(qiáng)，包括采集效率低、采集范圍狹窄、防干擾能力差等。同時(shí)，針對(duì)實(shí)際的信息采集需求，提供更靈活、多變、針對(duì)性強(qiáng)的信息采集方案，以及在復(fù)雜的背景環(huán)境下營造更穩(wěn)定、安全的信息采集環(huán)境；并且，采用多階的方式替代單向的采集結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化了整體信息采集體系，在一定程度上能夠提升系統(tǒng)的防干擾能力，功耗也更低，能更好地滿足實(shí)際的信息采集需求，可為后續(xù)相關(guān)任務(wù)的執(zhí)行提供參考依據(jù)。

作者簡(jiǎn)介：

劉琴（1976-），女，本科，副教授.研究領(lǐng)域：軟件工程.

孫琦龍（1971-），男，碩士，教授.研究領(lǐng)域：人工智能.