大數(shù)據(jù)移動通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換隱私隱寫加密

唐新梅，覃開賢

(1. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)風(fēng)景園林學(xué)院，四川 雅安 625014；2. 南寧師范大學(xué)，廣西 南寧 530299)

1 引言

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，給人們的生活以及工作帶來了極大的便利，縮短了人和人之間的距離，淡化了國和國之間的界限。但是隨之也形成了越來越嚴(yán)重的安全問題，大量的敏感數(shù)據(jù)直接利用公共信道進(jìn)行傳遞以及交換，為第三方提供了盜取、查看以及篡改的可能，信息安全已經(jīng)成為當(dāng)前以及未來長時間內(nèi)需要解決的一大難題。相關(guān)專家也重點針對通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)加密方面的內(nèi)容進(jìn)行了研究，例如王采芬等人通過DGHV全同態(tài)算法對隱私數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，同時將節(jié)點的身份信息嵌入到數(shù)字簽名中，使方案包含追查以及修復(fù)錯誤的能力。夏凡等人利用橢圓曲線進(jìn)行公鑰加密，對數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮融合，降低同類數(shù)據(jù)的傳輸量，最大程度地降低加密壓縮算法的復(fù)雜度，有效實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)加密。以上方法雖然取得了十分顯著的研究成果，但是由于未考慮網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合問題，導(dǎo)致運算開銷增加，加密時間增加，節(jié)點生命周期降低。為此，提出大數(shù)據(jù)移動通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換隱私隱寫加密算法。仿真結(jié)果表明，所提算法能夠延長網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點的生命周期，降低加密時間以及運算開銷。

2 方法

2.1 大數(shù)據(jù)移動通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合

設(shè)定大數(shù)據(jù)移動通信網(wǎng)絡(luò)是由

N

個節(jié)點組成的，其中

G

=(

V

，

E

)

(1)

整個網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點均勻分布在設(shè)定的區(qū)域內(nèi)，在研究的過程中，只需要考慮節(jié)點

v

，且網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點能夠完成數(shù)據(jù)的傳輸以及發(fā)送等相關(guān)操作，具體需要進(jìn)行如下假設(shè)：1)當(dāng)全部節(jié)點均為

t

=0，能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行感知獲取對應(yīng)的數(shù)據(jù)，同時各個節(jié)點數(shù)據(jù)均能夠被封裝在數(shù)據(jù)包內(nèi)。2)大數(shù)據(jù)移動通信網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)進(jìn)行融合的過程被稱為完全融合。即不論節(jié)點

v

接收到多少信息，都能夠?qū)⑵浞庋b在一個數(shù)據(jù)包內(nèi)實現(xiàn)傳輸。

3)在大數(shù)據(jù)移動通信網(wǎng)絡(luò)中，對網(wǎng)絡(luò)性能影響作為嚴(yán)重的即為節(jié)點沖突問題，需要借助協(xié)議沖突模型來解決節(jié)點沖突。

4)當(dāng)全部節(jié)點能夠在一個單位內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳輸時，將其記為一個時間片(

Timeslot

)。

整個網(wǎng)絡(luò)在工作的過程中，大數(shù)據(jù)移動通信網(wǎng)絡(luò)各個節(jié)點所消耗的能量比例是較大的。為了簡化描述，設(shè)定網(wǎng)絡(luò)中全部節(jié)點的結(jié)構(gòu)一致，不同融合周期內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)損耗可通過計算不同節(jié)點的功耗累計得到。利用式(2)給出融合過程中的網(wǎng)絡(luò)損耗：

(2)

通過式(2)可知，融合過程中使用能耗的多少主要取決于節(jié)點在各個狀態(tài)所占用的時間。在周期性融合的過程中，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點均處于監(jiān)聽狀態(tài)。降低損耗最為直接有效的方法就是使節(jié)點在監(jiān)聽時間段內(nèi)盡可能處于睡眠狀態(tài)，則此時網(wǎng)絡(luò)損耗計算式為

(3)

針對于式(2)和式(3)，當(dāng)計算數(shù)據(jù)移動通信網(wǎng)絡(luò)的能耗問題時，首先需要單一計算不同節(jié)點的能量消耗；然后將其相加，獲取網(wǎng)絡(luò)的總能耗。但是這樣并不利于從整體分析影響網(wǎng)絡(luò)損耗的各種影響因素。為了獲取更加理想的效果，以下從整體角度對網(wǎng)絡(luò)損耗進(jìn)行分析以及統(tǒng)計：

針對于由

n

個節(jié)點組成的通信網(wǎng)絡(luò)，設(shè)定融合周期為

d

，則在完整的融合周期內(nèi)，全部節(jié)點共同經(jīng)歷了

n

*

d

單位時間，則網(wǎng)絡(luò)損耗的預(yù)算公式為

W

=(

w

+

w

-2

w

)×

m

+

n

×

d

×

w

(4)

在整個網(wǎng)絡(luò)中，大數(shù)據(jù)移動通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合問題可描述為以下的形式：

當(dāng)網(wǎng)路中各個節(jié)點獲取感知信息后，需要將其進(jìn)行匯總，方便后續(xù)進(jìn)行統(tǒng)計以及分析。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)在運行的過程中，網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點能夠向其它節(jié)點發(fā)送以及接收信息，同能夠分析不同數(shù)據(jù)的具體來源，刪除數(shù)據(jù)集合中無利用價值的信息。

在基于時間驅(qū)動融合的過程中，首先需要將時間離散化為周期，節(jié)點僅需要進(jìn)行一次感知就能夠獲取對應(yīng)的數(shù)據(jù)。其中，網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)完整的融合周期大部分是從時間段

O

開始，當(dāng)系統(tǒng)中的全部信息均發(fā)送至sin

k

節(jié)點，則停止。數(shù)據(jù)融合調(diào)度是進(jìn)行大數(shù)據(jù)移動通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換隱私隱寫加密的重要步驟之一，同時也是為了得到最佳傳輸時序，以最快的速度實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合。為了能夠?qū)⒐?jié)點全部節(jié)點在最短的時間內(nèi)匯集到根節(jié)點，以下需要計算

t

時刻對應(yīng)的傳輸序列，即|

S

|=|

MNIL

(

T

)|

(5)

結(jié)合求近似最大非沖突的子集的算法，構(gòu)建時間片的調(diào)度序列，即

S

={

S

，

S

，…，

S

}

(6)

由于

MNIL

(

T

)小于等于樹中帶葉節(jié)點的數(shù)量，需要結(jié)合相對度數(shù)排序結(jié)果組建集合

S

。

通過時分復(fù)用思想，組建以最大獨立集為基礎(chǔ)的樹形結(jié)構(gòu)

L

={

L

，

L

，…，

L

}

(7)

對網(wǎng)絡(luò)的能量消耗進(jìn)行預(yù)測，通過預(yù)測結(jié)果實時調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以獲取最終的數(shù)據(jù)融合平衡數(shù)，即

L

={

l

，

l

，…，

l

，…，

l

}

(8)

將上述的數(shù)據(jù)集合進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度處理，同時通過近似最大權(quán)獨立集為允許通信的鏈路分配傳輸時隙，則

IM

(

S

)=

I

(

v

)

(9)

2.2 大數(shù)據(jù)移動通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換隱私隱寫加密

通常情況下，大數(shù)據(jù)移動通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換隱私隱寫加密過程中的節(jié)點能夠針對相同時間以及區(qū)域內(nèi)的信息感知，其中節(jié)點重要具有以下幾方面特性：

1)大數(shù)據(jù)移動通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的相關(guān)性和觀察事件兩者之間是存在一定聯(lián)系的，由于時間不同，導(dǎo)致不同節(jié)點之間的相關(guān)程度也存在較大的差異性。

2)不同大數(shù)據(jù)移動通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的相關(guān)性和節(jié)點距離也存在一定的聯(lián)系。如果兩個節(jié)點之間的距離較近，則說明數(shù)據(jù)之間的相關(guān)度越高；反之，則說明數(shù)據(jù)之間的相關(guān)程度就越低。

在協(xié)議層，無法降低或者消除大數(shù)據(jù)移動通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的冗余性。為了更好的解決上述問題，將全部的節(jié)點數(shù)據(jù)匯總到物理層，首先對其進(jìn)行壓縮處理，然后再分別發(fā)送至不同的服務(wù)器。為了簡化操作過程，能夠在物理層中引入分布式信源編碼，通過該項技術(shù)能夠有效實現(xiàn)不聯(lián)通信源之間的壓縮問題，同時在已知編碼的情況，還能夠節(jié)點解碼。

分布式信源編碼DSC是組建在Slepian—Wolf基礎(chǔ)上的一種方法，主要是將來自多個信源且沒有明顯通信的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合編碼。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的單一源速率滿足對應(yīng)的約束條件就能夠進(jìn)行聯(lián)合編碼，但是在操作的過程中，需要提供網(wǎng)絡(luò)的具體結(jié)構(gòu)。利用圖1詳細(xì)給出獨立解碼以及聯(lián)合解碼的過程。

圖1 獨立解碼以及聯(lián)合解碼流程圖

對兩個互相關(guān)的信號源

X

、

Y

進(jìn)行編碼，假設(shè)

X

、

Y

知道彼此互相關(guān)信息，則聯(lián)合概率為

p

(

x

，

y

)。在Slepian—Wolf編碼理論中將

Y

稱作為邊信息，分別對

X

、

Y

進(jìn)行獨立編碼，同時在譯碼端進(jìn)行無失真地聯(lián)合譯碼，此時需要滿足以下的約束條件

(10)

在上述分析的基礎(chǔ)上，以下采用輕量級的分布式信源編碼方式進(jìn)行大數(shù)據(jù)移動通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換隱私隱寫加密。在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，各個節(jié)點所監(jiān)測到數(shù)值是連續(xù)不間斷的，同時不同節(jié)點的差值也在可控范圍內(nèi)，這樣不僅能夠有效發(fā)揮編碼的優(yōu)勢，還能夠增加網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換隱私隱寫加密效果。

針對于任意監(jiān)測場景，如果其感知數(shù)據(jù)大小范圍為[min

s

，max

s

]，采集樣本間的最小距離為Δ，設(shè)定樣本數(shù)據(jù)的長度為

n

-

bit

，則樣本空間集合為

Ω

={

d

|

d

=min

s

+

i

×Δ，

i

∈0，1，…，2-1}

(11)

通過模值編碼，能夠?qū)?p>d

進(jìn)行

k

-

bit

的長度編碼，即

(12)

式中，

index

(

d

)代表

d

在樣本空間集合

Ω

中的編號。針對譯碼端，利用節(jié)點

i

的數(shù)據(jù)編碼形式

Encode

(

d

)，同時結(jié)合邊數(shù)據(jù)

d

，獲取大數(shù)據(jù)移動通信網(wǎng)絡(luò)的真實數(shù)據(jù)

(13)

聚合簽名是一種將

n

個來自

n

個不同簽名者對

n

個不同消息

m

的簽名，匯集成的一個數(shù)據(jù)簽名技術(shù)，主要通過驗證方完成身份驗證，判定簽名的來源。另外，需要注意的是：由于網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點的編碼結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)自身的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在十分明顯的差異。所以，該項技術(shù)更加注重描述網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的編碼關(guān)系，其中各個節(jié)點之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和編碼關(guān)系示意圖

結(jié)合圖2，以下構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點的編碼關(guān)系，同時需要進(jìn)行如下設(shè)定：

1)編碼鏈表CLINK：

主要用來描述節(jié)點間編碼關(guān)系一個單向編碼鏈。

2)解碼鏈表DLINK：

主要用來描述節(jié)點之間解碼關(guān)系的一個單向編碼鏈。

整個大數(shù)據(jù)移動通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換隱私隱寫加密算法主要包含四個步驟。

1)初始化階段

①通過相關(guān)先驗知識中的密鑰形成算法，針對各個節(jié)點

i

，需要形成一個密鑰對，即：(

PK

=

v

，

SK

=

x

)

(14)

②形成編碼鏈表。

2)編碼和簽名

終端感知節(jié)點在采集到大數(shù)據(jù)移動通信網(wǎng)絡(luò)后，使用信源編碼的方式對全部節(jié)點的邊信息進(jìn)行編碼。為了簡化操作過程，主要通過二信源相關(guān)的編碼方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行形式轉(zhuǎn)換。

3)數(shù)據(jù)融合

當(dāng)節(jié)點在接收到

t

個子節(jié)點所發(fā)送的數(shù)據(jù)包后，分別采用不同的處理方式對數(shù)據(jù)包的各個部分進(jìn)行處理以及分析，對于數(shù)據(jù)部分采用加法操作，即

(15)

在完成節(jié)點融合之后，可直接進(jìn)行聚合操作，即

(16)

4)數(shù)據(jù)加密：

根據(jù)數(shù)據(jù)的融合過程，不同節(jié)點的數(shù)據(jù)在編碼后，將其進(jìn)行組合，獲取一個新的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)基站?；竟?jié)點得到了各個節(jié)點數(shù)據(jù)的編碼信息，通過信源編碼的譯碼過程，執(zhí)行算法如下所示

(17)

在上述分析的基礎(chǔ)上，分析大數(shù)據(jù)移動通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的相關(guān)性，對大數(shù)據(jù)移動通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行信源編碼，以達(dá)到大數(shù)據(jù)移動通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換隱私隱寫加密的目的，具體的計算式為

(18)

3 仿真研究

為了驗證所提大數(shù)據(jù)移動通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換隱私隱寫加密算法的綜合有效性，在VisualC++2010，操作系統(tǒng)Windows7，CPU2.00GHz，內(nèi)存2GB環(huán)境下進(jìn)行仿真測試。

1)加密時間/min

第一組實驗重點針對各個算法不同數(shù)據(jù)通信量下的加密時間進(jìn)行對比，具體的實驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同算法的加密時間對比結(jié)果

分析圖3可知，當(dāng)數(shù)據(jù)通信量為15GB時，文獻(xiàn)[2]算法的通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)隱寫加密時間為2.6GB，文獻(xiàn)[3]算法的通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)隱寫加密時間為3.6min，本文算法的通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)隱寫加密時間為0.32min。當(dāng)數(shù)據(jù)通信量為50GB時，文獻(xiàn)[2]算法的通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)隱寫加密時間為6.9min，文獻(xiàn)[3]算法的通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)隱寫加密時間為4.8min，本文算法的通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)隱寫加密時間為1.5min。這主要是由于所提算法在實際應(yīng)用的過程中，有效解決了大數(shù)據(jù)移動通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的融合問題，刪除了網(wǎng)絡(luò)中無利用價值的信息，促使所提算法的加密時間得到有效降低。

2)節(jié)點生命周期/s

第二組仿真測試將不同算法中的節(jié)點生命周期作為評價指標(biāo)，以下給出具體的實驗對比結(jié)果。

表1 不同算法的節(jié)點生命周期對比結(jié)果

分析表1可知，不同算法的節(jié)點生命周期不同。當(dāng)任務(wù)輸出大小為15kB時，文獻(xiàn)[2]算法的節(jié)點生命周期為12s，文獻(xiàn)[3]算法的節(jié)點生命周期為14s，本文算法的節(jié)點生命周期為18s。當(dāng)任務(wù)輸出大小為50kB時，文獻(xiàn)[2]算法的節(jié)點生命周期為54s，文獻(xiàn)[3]算法的節(jié)點生命周期為49s，本文算法的節(jié)點生命周期為71s。所提算法的節(jié)點生命周期明顯更長一些，由于所提算法有效解決了大數(shù)據(jù)移動通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的融合問題，促使所提算法中節(jié)點的生命周期得到有效延長。

3)運算開銷/元

第三組實驗對比三種不同算法的運算開銷，具體的實驗對比結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同算法的運算開銷對比結(jié)果

分析圖4中的實驗數(shù)據(jù)可知，所提算法的運算開銷最低；文獻(xiàn)[2]算法的運算開銷次之；文獻(xiàn)[3]算法的運算開銷最高。主要原因為所提算法在實際應(yīng)用的過程中有效解決了數(shù)據(jù)融合問題，刪除整個網(wǎng)絡(luò)中的冗余數(shù)據(jù)，降低整個算法的計算量，促使整個算法的運算開銷得到大幅度降低。

4 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)加密算法存在節(jié)點生命周期低、加密時間長以及運算開銷高等問題，提出大數(shù)據(jù)移動通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換隱私隱寫加密算法。仿真結(jié)果表明，所提算法有效降低了加密時間，提升節(jié)點生命周期，減少整個算法運算開銷。