基于區塊鏈的實景三維地理信息數據加密控制系統設計

范 巍，黃 蕾，趙 晶

(湖北省測繪成果檔案館，武漢 430000)

0 引言

實景三維地理信息是描述地物景觀特征的物理參量，可以從時間、空間等多個角度反映出地表對象在區域性環境中的表現形式，對于環境信息、GIS等應用系統而言，該類型數據樣本參量能夠表現出地貌、地形、地質等地表對象的真實存在狀態[1-2]。在實際應用過程中，隨著主機元件檢測所得實景三維地理信息數據總量的增大，公鑰文本、私鑰文本之間的匹配程度會不斷下降，而這則會直接導致信息數據錯誤加密的問題。因此，對實景三維地理信息數據進行加密控制具有重要意義。

目前相關領域學者針對數據加密系統進行了研究，文獻[3]設計了PSK量子型隨機加密系統，根據海森堡不確定性原理，定義多進制型的密文信號傳輸機制，再借助ADC芯片結構，對密文信息進行采樣處理。文獻[4]設計了多中繼物理層網絡編碼系統，根據主機元件內信息數據的實時吞吐率水平，確定碼源參量的實際取值范圍，再根據傳播譯碼系數的實際計算結果，調節中繼器設備，從而實現對信息數據加密行為的有效控制。然而上述兩種系統對于實景三維地理信息數據的按需處理能力有限，并不能有效解決信息數據的錯誤加密問題。

從狹義層面上來看，區塊鏈是按照時間順序排列的鏈式數據結構，能夠準確描述出區塊組織之間的連接與包含關系，從而在定義唯一密碼文本的同時，建立完善的信息數據編碼機制[5]。而從廣義層面上來看，區塊鏈體系的應用需要在驗證數據結構塊鏈式存儲關系的基礎上，重新安排分布式節點所處位置，一方面可以利用密碼學原則約束數據樣本的傳輸與訪問行為，另一方面也能夠實現對自動化腳本代碼的完全執行，從而實現對信息數據傳輸格式的重新定義。由于區塊鏈條之間的連接關系始終保持穩定狀態，且每一區塊主機都具備獨立保存信息參量的能力，所以隨著鏈條體系復雜化程度的不斷增大，服務器主機中的數據樣本累積量雖然會不斷增大，但核心處理器元件的運行速率卻并不會明顯下降。相較于其他類型的數據傳輸機制，區塊鏈技術能夠最大化保障信息數據參量的傳輸安全性，且終端節點可以為信息樣本的傳輸提供動力支持，因此下級客戶端對象很難改寫已被主機元件存儲的數據文件，這也是區塊鏈體系安全性等級相對較高的主要原因。基于此，設計了基于區塊鏈的實景三維地理信息數據加密控制系統。

1 數據加密控制系統硬件設計方案

為有效實現實景三維地理信息數據加密控制，設計實景三維地理信息數據加密控制系統硬件執行方案，采用主要應用模塊(CPU主機端調度模塊、地理信息數據處理模塊、混合加密模塊)、數字簽名結構(SHA256模塊、SSL模塊、Kernel簽名機制)和矢量化計算單元等多個主要元件，本章節將針對其具體設計方案展開研究。

1.1 主要應用模塊

1.1.1 CPU主機端調度模塊

在實景三維地理信息數據加密控制系統中，CPU主機端調度模塊負責執行數據樣本查詢、信息上下文機制定義、明文數據加載、加密隊列設置等多項指令程序，以CPU運行設備作為核心執行元件，可以按照實景三維地理信息數據的互傳需求，讀取關鍵文本參量，從而在保證加密碼源完整性的同時，實現對信息數據傳輸速率的有效控制[6]。Open CL查詢設備具有較強的信息識別能力，可以直接讀取區塊鏈組織中傳輸的實景三維地理信息明文數據，并可以按照信息參量的實時排列形式，定義地理信息傳輸所遵循的上下文機制。通常情況下，符合上下文機制的實景三維地理信息數據會經由通道組織，由Open CL查詢設備傳輸至數據樣本加載內核中，由于該傳輸過程的實現需要信息加密隊列組織的配合，所以當內核組織中數據樣本實時累積量達到一定數值標準之后，調度元件、CPU運行設備與主機端核心設備之間才會建立信息數據互傳關系。CPU主機端調度模塊連接結構如圖1所示。

圖1 CPU主機端調度模塊結構圖

對于實景三維地理信息數據加密控制系統而言，CPU運行主機、內核調度元件的運行等級相同，特別是在處理數據參量時，二者同時建立與核心設備的信息互傳關系，但只有內核調度元件具有輸出信息讀取結果的能力，所以為避免CPU主機端調度模塊中出現信息參量過量累積的情況，Open CL查詢設備在單位時間內提取的明文數據樣本總量不宜過大。

1.1.2 地理信息數據處理模塊

地理信息數據處理模塊是負責對實景三維地理信息全景圖進行分區處理的結構元件，可以在最大化保障數據樣本統一性的同時，劃分成多個不同的小型像素單元，從而節省主機元件在加密數據樣本時所需的等待時長，使得矢量化計算單元能夠對信息參量公鑰文本、私鑰文本進行準確定義[7]。通常情況下，全景圖中待加密的實景三維地理信息數據參量保持連續性的分布狀態，且像素節點之間完全沒有間隙，對于矢量化計算單元而言，如果直接處理這種類型的地理信息數據，在加密處理過程中，極易使主機元件所定義公鑰文本、私鑰文本長度與真實值出現偏差，而這將直接導致信息數據的錯誤加密問題。未經處理的實景三維地理信息全景如圖2所示。

圖2 實景三維地理信息全景圖

而在地理信息數據處理模塊的作用下，全景圖被切割成多個獨立的小像素單元，在加密控制系統中，每一個小像素單元都對應一個實景三維地理信息數據參量。相較于完整的地理圖像，控制主機在加密較短信息參量時，能夠更加精準地定義公鑰文本與私鑰文本長度，從而避免信息數據錯誤加密問題的出現[8]。經過處理后的實景三維地理信息圖像如圖3所示。

與CPU主機端調度模塊不同，地理信息數據處理模塊對于實景三維地理信息的作用表現在圖像完整度方面，因此其對于待加密信息數據參量實時傳輸能力的要求相對較低。

1.1.3 混合加密模塊

混合加密模塊是實景三維地理信息數據加密控制系統的核心應用部件，可以同時錄入與加密原則相關的明文與密文參量，并借助內核元件，對信息數據樣本進行混合處理。由于系統控制主機對于明文參量、密文參量的識別能力不同，因此完成編碼的加密結果并不保持混合輸出狀態。AES-CTR加密芯片只具有模糊識別能力，所以在提取實景三維地理信息數據的過程中，混合了明文參量和密文參量，但加密控制主機對于信息數據的編碼遵循準確性原則，因此AES-CTR加密芯片提取到的數據樣本并不能被系統主機直接利用[9]。數據樣本混合單元的設置是為了在混合明文、密文參量的同時，建立兩個完全獨立的信道組織，從而使得碼源輸出結果能夠保持非相關狀態，以供系統主機對待加密實景三維地理信息數據參量進行自主選擇。混合加密模塊的設計原理如圖4所示。

圖4 混合加密模塊設計原理

在混合加密模塊中，FPGA單元由AES-ECB、AES-CBC、DES、RSA四類應用設備組成，其中前兩類設備負責識別明文參量，后兩類設備負責識別密文參量[10]。此外，混合加密模塊作為數字簽名結構的上級負載元件，能夠將實景三維地理信息數據加密結果直接反饋回系統控制主機，并以此達到對區塊鏈碼源信息進行矢量化計算的目的，從而在根本上解決信息數據錯誤加密的問題。

1.2 數字簽名結構

數字簽名結構由SHA256模塊、SSL模塊、Kernel簽名機制三部分共同組成。

1.2.1 SHA256模塊

SHA256模塊負責定義與實景三維地理信息數據相關的共享對象，可以在CPU主機端調度模塊、混合加密模塊保持完全開放狀態的情況下，直接調取經過處理后的實景三維地理圖像小像素參量[11]。在加密控制系統中，數字簽名需要得到主機元件的直接認證，所以SHA256模塊在提取小像素參量時，還應按照一致性原則，對所涉及明文信息與密文信息進行整合處理。

1.2.2 SSL模塊

SSL模塊可以基于摘要文件，對實景三維地理信息數據進行識別，在加密信息參量的過程中，SHA256模塊與SHA256模塊保持穩定連接關系，所以SSL模塊所選擇摘要定義標準，將直接影響與系統主機匹配的數字簽名表達形式[12]。相較于SHA256模塊，SSL模塊在完善加密體系時，更注重保障數字簽名結果的完整性，如果混合加密模塊輸出結果只包含一類碼源參量，或明文、密文參量間差異性不明顯，那么SSL模塊則不能對實景三維地理信息數據進行加密處理。

1.2.3 Kernel簽名機制

Kernel簽名機制可以用來描述數字簽名文件的完整性。由于系統控制主機對于實景三維地理信息數據的加密處理完全參考數字簽名文件，所以在定義Kernel簽名機制時，還要參考SHA256模塊與SSL模塊之間的實時連接關系。此外，系統數字簽名結構的設計還要求明文參量、密文參量在區塊鏈體系中應同時保持穩定且自由地傳輸狀態。

1.3 矢量化計算單元

實景三維地理信息數據加密控制系統的執行目標就是將一個明文項參量加載到一個密文項參量上，再將整個數據包單元輸入區塊鏈體系，從而控制系統主機內加密指令的執行速率。然而在系統運行過程中，實景三維地理信息數據的加密行為并不會一直按照控制主機的預設情況進行，所以公鑰文本、私鑰文本極易出現不匹配關系，這就表示單純加密并不能實現對信息數據參量的有效控制，還需在執行核心指令之前，按照既定原則對所涉及數據樣本進行優先化處理，也就是滿足區塊鏈運行需求的矢量化計算[13]。整個處理流程完全在矢量化計算單元中進行，前置對象ST計算單元與矢量化記憶文件之間的數據樣本傳輸行為具有雙向性特征，這就保證了系統主機在執行加密處理的過程中，明文參量、密文參量始終保持同頻傳輸狀態。后置對象LD計算單元由8個SIMD設備和8個Unit設備共同組成，前者接收待加密的矢量化記憶文件，后者則可以對完成處理的數據樣本進行直接存儲。矢量化計算單元結構模型如圖5所示。

圖5 矢量化計算單元結構模型

為避免實景三維地理信息數據在加密過程中出現混亂傳輸狀態，ST計算單元、LD計算單元之間信息參量的傳輸不滿足雙向性特征，由于后者配置獨立的數據樣本存儲單位，所以其對于碼源信息的存儲能力比前者更強[14]。

2 實景三維地理信息數據的加密處理

在各級硬件結構的支持下，為完成對實景三維地理信息數據加密控制系統的設計，還需按照區塊鏈編碼原則，求解數據多項式計算結果，從而在滿足Curl加密節點部署需求的同時，確定隱藏加密向量的實際取值范圍。

2.1 區塊鏈編碼原則

2.1.1 區塊角色組成

對于實景三維地理信息數據加密控制系統而言，其區塊鏈編碼原則的實現需要移動終端用戶、邊緣服務器、身份管理中心三類角色對象的共同配合。

1)移動終端用戶：

為實現對地理信息數據加密行為的準確控制，區塊鏈體系的移動終端用戶需要在OBT單元的配合下，才能實現對實景三維信息的定義，且在區塊鏈網絡模型中，已被定義的信息參量必須借助通道組織，才能由終端節點傳輸至其他服務器元件中[15]。但由于數據樣本加密模板的定義必須滿足一致性原則，所以移動終端用戶在提取信息參量時，整個區塊鏈體系必須保持完全連通狀態。

2)邊緣服務器：

邊緣服務器可以將實景三維地理信息數據由區塊鏈主機下沉至身份管理中心，由于移動終端用戶負責調度所有密碼文本，所以在服務器處于持續連接狀態的情況下，系統控制主機每提取到一個數據參量，邊緣服務器機構中都會生成一套全新的加密模板，而這些密碼模板在得到身份管理中心的識別與認證之前，都直接存儲于系統數據庫單元中。

3)身份管理中心：

身份管理中心是一個完全可靠的加密處理機構，負責管理邊緣服務器輸出的源碼模板。在區塊鏈體系中，如果有新的邊緣節點加入服務器，那么控制主機所遵循的編碼原則極易出現混亂，而在身份管理中心的作用下，密碼文本可以長期存儲于系統數據庫主機中，因此當新節點加入服務器組織時，數據庫主機會自動向外推送源碼模板，當前情況下，加密控制系統的運行速率雖然會出現一定程度的下降，但實景三維地理信息數據與碼源參量之間的對應關系卻并不會發生改變[16]。

2.1.2 公鑰密碼體制

公鑰密碼體制是具有高度對稱特征的數據加密模板。受到區塊鏈體系編碼角色組成形式的影響，加密碼源、解密碼源并不會出現在同一套密碼文本中，但由于控制系統的運行必須得到唯一的加密結果，所以公鑰密碼體制在規范加密碼源、解密碼源時，必須對實景信息數據加密行為與解密行為進行分別處理。

區塊鏈組織規定：加密碼源作用下，實景三維地理信息數據會在矢量化計算單元中轉化為密文狀態，且這種編碼行為具有不可逆性；解密碼源作用下，處于密文狀態的信息參量會在地理信息數據處理模塊中再次轉化為實景三維信息[17]。而所謂公鑰密碼體制就是完全包含加密與解密行為的區塊鏈加密執行周期，出于精確性考慮，只有在加密碼源、解密碼源同時保持完整狀態的情況下，區塊鏈組織才具有執行加密指令的能力[18]。

對于區塊鏈公鑰密碼體制的定義滿足如下表達式：

(1)

2.2 數據多項式計算

(2)

聯立公式(1)、公式(2)，可將數據多項式計算表達式定義為：

(3)

式中，γ表示實景三維地理信息數據的公鑰密碼參量，ΔT表示區塊鏈體系中的數據樣本加密周期，u表示區塊角色轉換系數[20]。區塊鏈體系的存在是為了配合實景三維地理信息數據加密控制系統的運行，而數據多項式則是區塊鏈體系定義數據樣本參量所遵循的必要條件，因此在定義過程中，控制主機要求公鑰密碼體制必須與區塊角色保持一一對應關系。

2.3 Curl加密節點部署

Curl節點是負責加密處理實景三維地理信息數據的區塊鏈端點對象，對于信息參量具有較強的承載能力，可以在保障數據多項式計算特征的同時，提取區塊鏈體系中的待編碼對象，從而使得矢量化計算單元能夠直接提取系統數據庫主機中的信息實景三維信息參量[21]。區塊鏈體系編碼數據多項式對象時，要求加密碼源、解密碼源必須保持高度同源性的傳輸特征，且為使區塊鏈體系的完整性得到保證，Curl節點在單位加密周期內，只能提取同一類型的數據樣本參量。設u1、u2、…、un表示區塊鏈體系中n個隨機選取的實景三維地理信息數據樣本，且u1>0、u2>0、…、un>0的不等式取值條件同時成立，φ1、φ2、…、φn分別表示與不同數據樣本參量對應的加密指標，聯立上述物理量，可將Curl節點p1、p2、…、pn的定義結果表示為：

(4)

(5)

部署Curl加密節點時，區塊鏈體系與系統控制主機對于實景三維地理信息數據的處理能力相同，且由于數據庫機制始終對待加密信息保持連續錄入狀態[22]，所以實景三維數據在相鄰Curl節點之間的傳輸速率較快，加密碼源、解密碼源也必須在區塊鏈邊緣服務器中進行頻繁轉換。

2.4 隱藏加密向量

隱藏加密向量決定了加密控制系統主機對于實景三維地理信息數據的承載能力，在Curl加密節點部署形式保持不變的情況下，該項物理量的取值越大，就表示系統主機對于實景三維地理信息數據的承載能力越強[23]。所謂隱藏加密就是指針對非直接傳輸數據所定義的加密原則，對于區塊鏈體系而言，由于移動終端用戶、邊緣服務器之間的直接連接關系會使很多信道組織處于空閑狀態，所以系統主機在加密實景三維地理信息數據時，很難實現對密碼參量的完全查詢，而在隱藏加密行為的作用下，系統主機可以根據密碼參量之間的數值差，來判斷未查詢信息數據所處位置，從而最大化保障主機元件對實景三維地理信息數據加密行為的控制能力[24]。設d表示針對移動終端用戶的信息樣本隱藏編碼參數，g表示針對邊緣服務器的信息樣本隱藏編碼參數，關于二者取值，公式(6)所示的不等式條件恒成立。

d≠g

(6)

規定h1、h2表示兩個不相等的實景三維地理信息數據加密指標，其取值滿足公式(7)所示表達式。

h1，h2∈[1，+∞)

(7)

聯立公式(5)、公式(6)、公式(7)，可將隱藏加密向量計算結果表示為：

(8)

3 實驗分析

為了驗證設計的基于區塊鏈的實景三維地理信息數據加密控制系統的有效性，實驗根據公鑰文本、私鑰文本之間的匹配關系，分析信息數據錯誤加密問題出現的概率，選擇設計的基于區塊鏈的實景三維地理信息數據加密控制系統、文獻[3]PSK量子型隨機加密系統和文獻[4]多中繼物理層網絡編碼系統作為三組不同的實驗系統。

3.1 原理描述

對于實景三維地理圖像而言，主機元件在對其中所包含信息數據進行加密處理時，所定義公鑰文本與私鑰文本之間的匹配關系，可以用來描述信息數據錯誤加密問題的出現概率。在不考慮其他干擾條件的情況下，公鑰文本定義長度、私鑰文本定義長度之間的物理差值越小，就表示兩類文本的匹配性越強，信息數據錯誤加密問題的出現概率相對較小，主機元件可以實現對實景三維地理信息數據的按需加密處理。

選擇實景三維地理圖像作為實驗對象，如圖6所示。

圖6 實景三維地理圖像

其中，X軸對應水平方向、Y軸對應豎直方向，Z軸對應三維空間方向。

本次實驗的具體實施流程如下：

1)調節圖6所示實景三維地理圖像的亮度水平，并利用Windows主機提取其中的信息數據對象。

2)應用設計的基于區塊鏈的實景三維地理信息數據加密控制系統對所得信息數據進行編碼處理，并在處理過程中，記錄公鑰文本、私鑰文本的定義長度，所得數據為實驗組變量。

3)應用文獻[3]PSK量子型隨機加密系統對所得信息數據進行編碼處理，并在處理過程中，記錄公鑰文本、私鑰文本的定義長度，所得數據為對照(1)組變量。

4)應用文獻[4]多中繼物理層網絡編碼系統對所得信息數據進行編碼處理，并重復上述實驗步驟，所得數據為對照(2)組變量。

5)分別統計實驗組、對照(1)組、對照(2)組公鑰文本與私鑰文本之間的定義長度差值，并以此為基礎，研究主機元件對實景三維地理信息數據的按需加密處理能力。

3.2 數據處理

實驗組、對照組公鑰文本與私鑰文本定義長度的具體實驗數值如圖7和圖8所示。

圖7 公鑰文本定義長度

圖8 私鑰文本定義長度

根據圖7、圖8中的實驗結果，統計實驗組、對照組公鑰文本與私鑰文本之間的定義長度差，具體實驗結果如表1所示。

表1 公鑰文本、私鑰文本的定義長度差

分析表1可知，第2實驗組別處，實驗組公鑰文本、私鑰文本的定義長度差取得最大值為0.25 kB，整個實驗過程中，實驗組長度差均值為0.13 kB。第6實驗組別處，對照(1)組公鑰文本、私鑰文本的定義長度差取得最大值為0.75 kB，與實驗組最大值相比，增大了0.50 kB，整個實驗過程中，對照(1)組長度差均值為0.58 kB，與實驗組均值相比，增大了0.45 kB。第1實驗組別處，對照(2)組公鑰文本、私鑰文本的定義長度差取得最大值為0.69 kB，與實驗組最大值相比，增大了0.44 kB，整個實驗過程中，對照(2)組長度差均值為0.57 kB，與實驗組均值相比，增大了0.44 kB。

3.3 實驗結論

綜上可知本次實驗結論為：

1)文獻[3]PSK量子型隨機加密系統在控制公鑰文本、私鑰文本定義長度差方面的應用能力相對有限，因此該系統的應用，不足以解決由公鑰文本、私鑰文本不匹配造成的信息數據錯誤加密問題。

2)文獻[4]多中繼物理層網絡編碼系統對于公鑰文本、私鑰文本定義長度差值的控制能力也無法滿足實際應用需求，因此該方法的應用，也不足以解決由公鑰文本、私鑰文本不匹配造成的信息數據錯誤加密問題。

3)設計的基于區塊鏈的實景三維地理信息數據加密控制系統的應用，可以有效控制公鑰文本、私鑰文本之間的定義長度差值，從而解決由公鑰文本、私鑰文本不匹配造成的信息數據錯誤加密問題，符合按需加密處理實景三維地理信息數據的實際應用需求。

4 結束語

設計的實景三維地理信息數據加密控制系統，以區塊鏈技術為基礎，聯合CPU主機端調度模塊、數字簽名結構等多個硬件應用結構，在計算數據多項式表達條件的同時，對Curl加密節點進行按需部署。隨著這種新型控制系統的應用，由公鑰文本、私鑰文本不匹配造成的信息數據錯誤加密問題得到了較好解決，可以實現對實景三維地理信息數據的按需加密處理。