基于云端辅助的国土资源数字化档案信息自动加密方法.pdf

自动化技术与应用2024 年第 43 卷第 2 期计算机与通信技术Computer and Communication TechnologyTechniques ofAutomation&Applications基于云端辅助的国土资源数字化档案信息自动加密方法高丽萍1,季仕承2,郝玉忠3（1.内蒙古自治区不动产登记中心，内蒙古 二连浩特 012600；2.二连浩特市不动产登记服务中心，内蒙古 二连浩特 012600；3.锡林浩特市不动产登记服务中心，内蒙古 锡林浩特026099）摘要:为了保护国土资源数字化档案的安全性，解决由于云端监听导致信息被窃取的问题，提出基于云端辅助的档案信息自动加密方法。初始化加密体系中主要对象，生成各对象的公钥和私钥对。为防止提交给云的档案信息被窃取，拆分脱敏处理数据，再与已知假名组互相搭配后储存至云端。最后分段线性映射加密文件，对云端储存的数据明文和密钥字节做异或运算，完成数据储存加密。实验证明所提方法的加密性能较好，运算速度快，实际应用价值较高。关键词:公钥；私钥；拆分脱敏；分段线性映射；异或运算；数据加密中图分类号：TP309.2文献标识码:A文章编号:1003-7241(2024)02-0085-04Automatic Encryption Method of Land and Resources DigitalArchives Information Based on Cloud AssistanceGAO Li-ping1,JI Shi-cheng2,HAO Yu-zhong3(1.Inner MongoliaAutonomous Region Real Estate Registration Center,Erlianhot 012600 China;2.Erlianhot Real Estate Registration Service Center,Erlianhot 012600 China;3.Xilinhot Real Estate Registration Service Center,Xilinhot 026099 China)Abstract:In order to protect the security of digital archives of land and resources and solve the problem of information theft caused bycloud monitoring,an automatic encryption method of archives information based on cloud assistance is proposed.It initializes themain objects in the encryption system and generates the public key and private key pairs of each object.In order to prevent thefile information submitted to the cloud from being stolen,the desensitization data is split,matched with the known pseudonymgroup and stored in the cloud.Finally,the segmented linear mapping encryption file performs XOR operation on the data plain-text and key bytes stored in the cloud to complete data storage encryption.Experiments show that the proposed method has goodencryption performance,fast operation speed and high practical application value.Keywords:public key;private key;resolution desensitization;piecewise linear mapping;XOR operation;data encryption收稿日期:2022-05-28DOI:10.20033/j.1003-7241.（2024）02-0085-04.1引言计算机技术迅速发展的同时，也伴生了较多安全问题，信息的隐私备受威胁，这就使人们加强了对信息加密领域的研究。尤其是国土资源数字化档案信息的安全，不容受到侵犯。国土资源信息加密技术，就是在密码学的基础上，对重要数据进行进一步加密处理，使加密后的信息只可被指定人群使用。相关领域研究成果较为丰富，例如：张玉磊等人1提出一种敏感信息加密方法，以现存的格式保留加密为主要理论依据，通过密钥派生函数实现加密和解密过程，并且采用混合加密算法进一步提高传输的安全性。实验表明该方法具有一定的可行性，但是由于对称性加密机制相对简单，很容易被破解，不能满足对加密性能有高要求的信息资源库。糜小夫2结合密码学理论提出一种网络多模态信息动态加密方法，构建加密卡，并将其嵌入链路与网络层之间，实现加密功能转换，并通过PCI-E总线接口完成网络中各模块之间的数据交互。该方法加解密前后的明文保持一致，且抗攻击能力较强，但是由于加密过程较为复杂、需要产生的密钥数量较多，导致加解密运行时间长、时效性过低。韩培义等人3提出一种面向云存储的数据加密技术，采用Ja-vaScript分析技术识别适配类云应用，实现云应用的敏感数据加密，并集成安全网关的密文搜索功能，最大限度地保持应用的原有功能。该方法能够自动化加密各类云应用，且支持密文搜索，但是加密条件较为简单且针对性较强，不能适用于所有类型的信息加密。牛淑芬等人4提出一种基于云辅助的数据共享加密方案，该方法首先通过85计算机与通信技术Computer and Communication Technology自动化技术与应用2024 年第 43 卷第 2 期Techniques ofAutomation&Applications属性特征对文件中的数据进行加密，将密文上传到区块链中，通过区块链搜索关键字进一步确保密文的安全性。仿真实验结果表明该方法具有一定的安全性，但是解密过程容易丢失数据，导致密文保存不完整。基于此，结合云端辅助技术，提出一种针对国土资源数字化档案信息的自动加密方法。在云端辅助技术支持下，实现国土资源数字化档案信息的有效加密。2国土资源数字化档案信息自动加密此次提出的加密方法中主要包含的对象有：请求者、云、可信任机构和假名颁发机构，共4个实体。可信任机构主要负责系统的初始化，以及请求者、移动用户等实体的注册，并生成公共参数，完成密钥和感知任务的分发。请求者是任务的发起者，即需要获取档案中数据信息的人，请求者会将多数计算任务分配给云，云则主要负责接收加密数据，并可根据请求者的需求计算加密数据。假名颁发机构主要根据请求者需求给出多个假名，各假名间不存在任何关联，用户需要使用假名进行一次签名。2.1假名获取请求者首先根据Paillier加密体制5生成其自身的加密公钥hpk=(N,g)和私钥hsk=(N)。并且为了防止发送给云的数据被破解6，导致国土资源信息被泄露，用户会获得多个假名，假名颁发机构验证用户身份后，向其颁发匿名凭证如下：（1）式中，表示假名身份，表示与假名相对应的密钥，表示任务描述参数，表示假名颁发机构使用期内自身生成的签名7，主要用来证明假名是否真实，t表示所颁发证书的具体生命周期时间。为防止假名被窃取，通过用户Wi的公钥对各假名再次加密后，再将数据发送给用户。用户Wi接收到假名后，再次使用假名密钥ski解密接收到数据信息，获得假名组如下：（2）为了确保发送给云的数据信息不被恶意攻击者窃取，对数据进行拆分脱敏处理，并将被拆分后的数据和上文获得的假名互相搭配，再进行储存，这样即使恶意攻击者获得了拆分后数据中的一份数据也无法完整地获得其他分片数据。假设在云端保存的国土资源数据为mi，假名颁发机构给出的假名数量为ni，将数据mi分成mi1,mi2,mi,n，随后将拆分数据与其对应的假名组发送给云。采用请求者的加密公钥hpk=(N,g)再次进行加密，即：（3）当相关用户获得加密数据后，将加密数据与匹配，使用假名密钥skwi,j对ci,j进行进一步加密，加密所得签名可以表示为，则此时在云端的数据可以表示为：，。随后针对群组用户进行密钥恢复和验证8-9，若群组用户所持的私钥为子密钥，则为了保存密文的完整性，还需要进一步对私钥进行重构，再次证明私钥的合法性。设群组成员持有的子密钥为ki=(i,e1,zi)，则设置Q1=eiP和Ri=ziQA两个参数，来完成子密钥正确性地验证，并采用如式（4）所示的差值公式，得到一个t-1多项式，当f(x)=(mod N)时则认证成功。（4）2.2云端辅助储存加密为防止数据在储存过程中被恶意攻击，因此要针对存储过程进行加密处理，首先分段线性映射加密文件，对云端储存的数据明文和密钥字节做异或运算，完成数据的储存加密。设xv表示数据结构特征，通过式（5）的帐篷映射对用户权限控制结构进行拓展。（5）式中，为拓展可变参数，随后计算出分解后的加密信息的分段线性映射如下：（6）式中，表示帐篷映射的顶点位置，为n+1次迭代结果，为映射的伸长性参数。设表示映射的折叠性参数，则通过式（7）计算出映射密钥。（7）式中，表示映射控制参数，表示折叠可变参数，为映射控制参数的权向量。设表示映射的雪崩效应系数，、为第n次的迭代值，则通过式（8）可以得出映射密钥参数。（8）式中，、分别为第n+1次迭代值，w表示相邻数据86自动化技术与应用2024 年第 43 卷第 2 期计算机与通信技术Computer and Communication TechnologyTechniques ofAutomation&Applications块的分离权重，表示映射迭代值。随后进行帐篷映射处理，获得映射迭代值如下：（9）式中，表示信息中字长的整数区间，表示映射的拉伸过程，表示映射的折叠过程。对、进行取余运算，设为新密钥，为储存空间信息表，为扩散密钥矩阵，此时可通过式（10）求解出新密钥。（10）式中，为新密钥的长度。若为云储存信息的明文字节，为密钥的总字节，S为密文的总字节，则可通过式（11）对密文作异或运算，完成储存过程中的信息加密。（11）3仿真实验3.1颁发假名合理数量及有效性验证为验证算法是否可以在实际应用运行，以时间运行成本为前提，确定最佳的假名生成数量，不同假名数量下所用时间成本如图1所示。图1不同假名数量下的时间成本结果从图1中可以看出，随着假名数量的逐渐增多，需要加密和签名的数据也逐渐增多，因此其加密和签名的成本也会呈线性增长。当假名数量为x时，请求者和攻击者获得到完整信息的概率大致为1/(xn)x-1，由于国土资源管理信息系统的用户数量基数较大，因此随着x的增大，攻击者攻击成功的几率就越小，但是若在算法中颁发过多的假名，又会导致运行成本和运算时间增多，因此算法颁发假名数量应该控制在合理范围内。从图1中可得当x=2时，攻击者获得完整信息的概率为1/2n，即此时攻击者获得完整数据信息的概率就极低，且数据信息会隐藏在云端数据中其他多种数据内，当x5时加密和签名的耗时出现了大幅度增长，因此假名的颁发数量保持在2-5个即可。确定假名数量后对算法的加密性能进行验证，在12小时内，对数字化档案持续进行云端监听和口令入侵两种恶意攻击，分析以上两种攻击手段是否能够攻击成功，并将结果与文献1格式保留加密算法、文献2密码学多模态信息加密算法进行对比，如图2所示。图2不同算法对恶意攻击拦截率对比从图2中可知，所提方法的拦截成功概率能够一直稳定保持在98.96%以上，远高于其他两种方法，且能够在攻击时间较长的情况下仍然确保信息不被窃取，可以满足国土资源数据对加密算法的实际要求。3.2算法加密和解密效率验证验证假名数量为3时，本文方法生成私钥所用时间，并与上文所述的两种方法进行对比，结果如图3所示。图3不同方法私钥产生耗时对比从图3中可以看出随着用户数量的增加，三种方法的产生私钥时间也逐渐增加，但本文方法的增幅较低，且与其他两种方法相比，所用时长一直保持在最低状态，证明了所提方法在时效性方面更优。随后对某信息资源数据库进行数据信息加密，并将加密速度和解密速度，与格式保留加密算法、密码学的多模态信息加密算法两种方法进行对比，结果如图4、图5所示。从图4、图5中可以得知，网络多模态加密算法的总耗87计算机与通信技术Computer and Communication Technology自动化技术与应用2024 年第 43 卷第 2 期Techniques ofAutomation&Applications时相对较长，且解密用时也最慢；格式保留加密算法次之；而本文方法无论在加密和解密的过程中用时均最短，这是由于本文方法采用了小公钥算法并且运用帐篷映射能够一定程度减少运算量，提高运算速度。图4不同方法的加密总耗时图5不同方法的解密总耗时4结束语为了确保国土资源数字化档案信息的安全性，本文结合云端辅助功能提出了一种数据信息自动加密方法，并通过与传统方法相比，其算法在抗攻击性、加密及解密耗时方面都具有较大优势，且有效地解决了传统方法在数据计算和储存方面的负担。参考文献:1 张玉磊,骆广萍,张永洁,等.基于格式保留的敏感信息加密方案J.计算机工程与科学,2020,42(2):236-240.2 糜小夫.基于密码学的网络多模态信息动态加密系统设计J.现代电子技术,2020,43(4):51-53.3 韩培义,刘川意,王佳慧,等.面向云存储的数据加密系统与技术研究J.通信学报,2020,41(8):55-65.4 牛淑芬,杨平平,谢亚亚,等.区块链上基于云辅助的密文策略属性基数据共享加密方案J.电子与信息学报,2021,43(7):1864-1871.5 严新成,陈越,巴阳,等.云环境下支持可更新加密的分布式数据编码存储方案J.计算机研究与发展,2019,56(10):2170-2182.6 殷小虹,胡丹,胡全连.移动云计算环境下动态数据隐私密码机制仿真J.计算机仿真,2019,36(1):229-232.7 贾春福,王雅飞,陈阳,等.机器学习算法在同态加密数据集上的应用J.清华大学学报(自然科学版),2020,60(6):456-463.8 邓一新.基于全同态加密算法的医院财务数据安全存储系统J.自动化技术与应用,2022,41(7):44-47.9 夏凡,余修武,刘永,等.基于Elliptic-curve及Hilbert-curve的簇间数据压缩融合加密算法J.信息与控制,2019,48(2):239-244.作者简介:高丽萍（1975-），女，本科，副研究馆员，研究方向；成果档案数据整理。tion,2011.11 顾晓东,唐丹宏,黄晓华.基于深度学习的电网巡检图像缺陷检测与识别J.电力系统保护与控制,2021,49(5):91-97.12 白洁音,赵瑞,谷丰强,王姣.多目标检测和故障识别图像处理方法J.高电压技术,2019,45(11):3504-3511.13 丁国君,范开元,李一航,等.基于R-FCN区域全卷积网络的绝缘子红外图像识别研究J/OL.自动化技术与应用,2023,42(11):147-151.14 李蒙.基于YOLO的密集行人检测算法研究D.上海:上海师范大学,2021.15 姜云土,韩军,丁建,傅寒凝,王榆夫,曹伟.基于多特征融合的玻璃绝缘子识别及自爆缺陷的诊断J.中国电力,2017,50(5):52-58,64.16 李帷韬,焦点,张倩,韩慧慧,汤健,丁美双.基于深度迁移学习的玻璃绝缘子自爆状态智能认知方法研究J.中国电机工程学报,2020,40(11):3710-3721.17 秦钟,杨建国,王海默,杨佳睿,崔春晖.基于Retinex理论的低照度下输电线路图像增强方法及应用J.电力系统保护与控制,2021,49(3):150-157.18 潘建武.天际线检测关键算法研究D.湖南:湖南理工学院,2018.19 Kass M,Witkin A,Terzopoulos D.Snakes:active con-tour modelsJ.International Journal of Computer Vision,1988,1(4):321-331.20 徐斌,曹娜,王永利.结合最近邻和拓展稀疏表示的SAR图像目标识别方法J.南京理工大学学报,2021,45(5):567-574.21 刘琳.基于改进的Faster R-CNN目标检测算法研究D.吉林:吉林大学,2021.作者简介:王照（1987-），男，硕士，高级工程师，研究方向：配电网智能化和信息化研究与实践。(上接第44页)88