張乃心

摘 要： 傳統(tǒng)存儲系統(tǒng)存在存儲速率低、性能差，無法做到資源快速共享與獲取，為此，提出海量教育資源加密壓縮存儲系統(tǒng)設(shè)計。綜合考慮存儲系統(tǒng)整個架構(gòu)與功能，設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖，并對模塊接口進(jìn)行分析。采用多級目錄存儲方法，對密文態(tài)源文件進(jìn)行存儲壓縮，并通過密鑰信息加密變換，實(shí)現(xiàn)對信息隱藏保護(hù)。通過設(shè)計對比實(shí)驗(yàn)得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)存儲速率高、性能良好，可快速對資源進(jìn)行獲取與共享，方便校內(nèi)師生和校外求學(xué)者獲取教育資源。

關(guān)鍵詞： 海量教育資源； 加密； 壓縮； 存儲； 密鑰； 信息隱藏

中圖分類號： TN02?34； TP359 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）11?0065?04

Design of encryption and compression storage system for massive education resource

ZHANG Naixin

（Jincheng College of Sichuan University， Chengdu 611731， China）

Abstract： The traditional storage system has low storage rate and poor performance， and can′t share and acquire the resource quickly. Therefore， the design of massive education resource encryption and compression storage system is proposed. The whole architecture and function of storage system are synthetically considered to design the structure diagram， and analyze the module interface. The multi?level directory storage method is used to store and compress the source files in the form of ciphertext， and realize the information hidden protection by means of encryption transformation of the secret key information. The contrast experiment was designed to obtain the experimental conclusion. The experimental results show that the system has high storage rate and good performance， can acquire and share the resources quickly， and is convenient to the acquisition of education resources for learners.

Keywords： massive education resource； encryption； compression； storage； secret key； information hiding

0 引 言

近幾年，我國各大高校蓬勃發(fā)展，通過對高校擴(kuò)建和異地成立分校來促進(jìn)學(xué)校經(jīng)濟(jì)的快速增長，同時，對海量教育資源的需求也隨之水漲船高。然而目前各大高校依然獨(dú)立自主辦學(xué)，無法做到資源共享，人們對教育資源需求日益增加，但是資源數(shù)量卻有限，這就導(dǎo)致教育資源無法滿足人們需求的現(xiàn)象發(fā)生，為此，緩解教育資源短缺問題是目前急需解決的問題之一。對書籍資源、場地資源、教師資源等的存儲是一個漫長的積累過程，為此設(shè)計存儲系統(tǒng)對資源進(jìn)行合理應(yīng)用[1]。傳統(tǒng)資源存儲系統(tǒng)無法對文件進(jìn)行加密處理，并且存儲速率低、性能差，基于此，提出海量教育資源加密壓縮存儲系統(tǒng)的設(shè)計。

合理設(shè)計存儲系統(tǒng)可緩解教育資源短缺與人們對資源日益增長需求之間的矛盾，還可提高教育資源的利用效率，促使校內(nèi)師生和校外求學(xué)者都能方便獲取教育資源，大大提高存儲效率。

1 存儲系統(tǒng)硬件設(shè)計

在進(jìn)行海量教育資源系統(tǒng)存儲加密壓縮硬件部分設(shè)計時，需要綜合考慮存儲系統(tǒng)整個架構(gòu)與功能，方便存儲服務(wù)軟件功能實(shí)現(xiàn)。存儲系統(tǒng)歸根結(jié)底由底層硬件制成，也是為用戶提供資源管理的重要保障，該系統(tǒng)總體設(shè)計框架如圖1所示。

由圖1可知，教育資源歸檔是實(shí)現(xiàn)文件上傳、壓縮與加密存儲功能的基礎(chǔ)，其中包括資源文件預(yù)處理、分詞、信息存儲、資源文件壓縮與加密等步驟。而安全控制是對訪問權(quán)限設(shè)置，防止非法用戶自由入侵，在重要數(shù)據(jù)存儲的地方進(jìn)行加密[2]。

系統(tǒng)硬件設(shè)置部分實(shí)際上是模仿流水線上的裝配設(shè)置，不同模塊接口設(shè)計都需從公共數(shù)據(jù)里獲取需要的部分進(jìn)行處理，比如，對資源文件進(jìn)行壓縮與加密處理需要的就是資源文件內(nèi)容，該處理過程所需的文件信息具有結(jié)構(gòu)屬性，具體模塊接口設(shè)計流程如圖2所示。

由圖2可知：在整個模塊接口設(shè)計過程中存在許多并行處理部分，構(gòu)建XML模塊對文件進(jìn)行傳輸時，可同時進(jìn)行文件索引，此時壓縮模塊可對接收文件進(jìn)行壓縮處理，對經(jīng)過處理后的文件設(shè)置密碼，完成加密存儲[3]。

1） 分詞模塊。教育資源文件經(jīng)過提取之后，出現(xiàn)倒排索引的現(xiàn)象，需要關(guān)鍵詞作為索引詞條，進(jìn)行分詞模塊處理。其中最重要的就是建立詞條和詞典，然后設(shè)置倒排索引秩序，該模塊接口所需功能是從文本字符串中將關(guān)鍵字進(jìn)行提取，并設(shè)置高級行為，利用接口對分詞模塊進(jìn)行規(guī)范，方便文件根據(jù)分詞快速存儲[4]。

2） XML模塊。XML模塊的設(shè)計是為了方便用戶信息輸入與讀取，以及系統(tǒng)信息處理，并生成有關(guān)教育資源信息的XML文件。

3） 壓縮模塊。針對不同壓縮文件采用不同壓縮算法，壓縮接口實(shí)現(xiàn)也是不同的，根據(jù)資源數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)獲取文件種類信息，對返回最佳信息資源進(jìn)行壓縮，形成壓縮源文件。

4） 密碼模塊。為了確保系統(tǒng)安全，對資源文件進(jìn)行加密。同密鑰管理一樣，使用壓縮源文件，根據(jù)關(guān)鍵詞索引重要資料，并以密文形式存在，該模塊進(jìn)行加密的同時要保證效率，促使接口模塊實(shí)現(xiàn)分組加密功能[5]。

2 存儲系統(tǒng)功能設(shè)計

2.1 教育資源壓縮功能設(shè)計

教育資源進(jìn)行壓縮的目的是對接收文件輸入?yún)⒖贾颠M(jìn)行調(diào)節(jié)與解壓，使輸出文件為結(jié)果文件，具體功能設(shè)置如圖3所示。

通常情況下，當(dāng)輸入文件較小時，進(jìn)行文件壓縮速度明顯較快，但是處理大文件時耗費(fèi)時間較多。該文件壓縮過程在2 GHz處理器上運(yùn)行，可達(dá)到1 MB/s；解壓過程也在該處理器上進(jìn)行，可達(dá)到10～20 MB/s。為了簡化壓縮與解壓過程，在該功能設(shè)計中加入了默認(rèn)參數(shù)選項(xiàng)，方便文件進(jìn)行加密時，快速搜索到解壓后的文件[6]。

2.2 教育資源加密功能設(shè)計

該功能設(shè)計需通過對密鑰信息進(jìn)行加密變換，從而實(shí)現(xiàn)對信息的隱藏保護(hù)。密文信息通過密鑰和解密過程還原成明文信息，具體實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。

對密文態(tài)源文件進(jìn)行存儲壓縮時，采用多級目錄存儲方法，方便文件分類加密處理[7]。在安全應(yīng)用環(huán)境中，教育資源的存儲、查詢都需要全程加密，并且在客戶端進(jìn)行，這就給密鑰管理帶來一定的難度。因此，必須設(shè)計合理的密鑰管理機(jī)制，通過特殊手段確保文件查詢請求來自合法用戶，并確保密鑰在安全環(huán)境中使用[8]。

存儲系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)4個功能模塊對資源信息進(jìn)行加密，分別是關(guān)鍵詞加密、XML文檔加密、壓縮源文件加密、通信加密[9]。設(shè)置KM為密鑰，其中KM1為關(guān)鍵詞加密主密鑰；KM2為XML文檔進(jìn)行加密的主密鑰；KM3為壓縮源文件進(jìn)行加密的主密鑰；KM4為通信加密的主密鑰。系統(tǒng)根據(jù)密碼算法產(chǎn)生4個獨(dú)立的64位主密鑰KM1，KM2，KM3，KM4。由此產(chǎn)生二級密鑰數(shù)據(jù)集合：[CKDS=KI，KM，KU，KS，KF1，…，KFn]，其中[KI]為二級密鑰的索引密鑰、[KM]為終端密鑰、KU為用戶密鑰、[KS]為會話密鑰、密鑰集為[KF1]～[KFn]（[n]為訪問控制基本文件分類數(shù)）。將此密鑰放置于安全區(qū)域，方便系統(tǒng)隨時獲取，同時方便數(shù)據(jù)恢復(fù)時使用[10]。

3 實(shí) 驗(yàn)

海量教育資源加密壓縮存儲系統(tǒng)設(shè)計的實(shí)驗(yàn)在原型系統(tǒng)文件歸檔和文件檢索性能基礎(chǔ)上進(jìn)行驗(yàn)證，其中涉及各個具體功能模塊。系統(tǒng)研發(fā)采用Java語言，操作系統(tǒng)為Windows 10，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，在某大學(xué)實(shí)驗(yàn)室對存儲系統(tǒng)進(jìn)行局域網(wǎng)測試[11]，選擇4臺主機(jī)對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行設(shè)置，具體設(shè)置情況如表1所示。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)主要利用文本和視頻文件收集到的不同種類文件大約有8萬個。針對不同文件種類采用不同的文件壓縮方法是提高壓縮效率的有效方法之一。由實(shí)驗(yàn)可知，解壓時間明顯小于文件壓縮時間，正是因?yàn)橄到y(tǒng)中進(jìn)行文件壓縮時涉及多個滑動窗口，而窗口內(nèi)部資源需要與字典進(jìn)行匹配，其中字符串的匹配是最耗費(fèi)時間的，而對文件進(jìn)行解壓時，是不需要字符串進(jìn)行匹配的。

3.1 存儲性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)存儲性能，將傳統(tǒng)存儲系統(tǒng)與本文存儲系統(tǒng)性能進(jìn)行對比與分析，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，由于傳統(tǒng)存儲系統(tǒng)沒有良好的加密壓縮功能，使存儲頁面出現(xiàn)亂碼、文件自由上傳、沒有經(jīng)過加密文件可自由刪除，導(dǎo)致用戶可隨意查看文件，個人信息存在安全風(fēng)險。而本文設(shè)計的資源加密壓縮存儲系統(tǒng)可改善上述問題，具有良好的加密壓縮存儲性能。

為了更加直觀地分析這兩種系統(tǒng)的存儲性能，對文件存儲效率展開對比分析，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)文件資源小于等于450 kb時，傳統(tǒng)存儲效率與本文設(shè)計的存儲效率相差較小，都呈直線上升趨勢，且最高可達(dá)到60%左右。但是隨著文件逐漸增大，傳統(tǒng)系統(tǒng)存儲效率卻逐漸下降，而本文設(shè)計系統(tǒng)存儲效率持續(xù)上升，由此可知，傳統(tǒng)系統(tǒng)存儲效率低于本文設(shè)計系統(tǒng)的存儲效率。

3.2 存儲速率實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

將傳統(tǒng)存儲系統(tǒng)與本文存儲系統(tǒng)對文件存儲所耗費(fèi)的時間進(jìn)行對比，驗(yàn)證本文設(shè)計系統(tǒng)的高效性，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，隨著文件逐漸增大，傳統(tǒng)系統(tǒng)存儲速率大幅度降低，而本文設(shè)計的系統(tǒng)存儲速率呈小幅度下降趨勢，但最終穩(wěn)定在110 kb/ms左右。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

經(jīng)過上述一系列實(shí)驗(yàn)測試內(nèi)容，可得出該系統(tǒng)設(shè)計具有合理性。傳統(tǒng)存儲系統(tǒng)沒有良好的加密壓縮功能，使個人信息存在安全風(fēng)險，且存儲速率較低，性能較差，而本文設(shè)計的資源加密壓縮存儲系統(tǒng)可改善上述問題，具有良好的加密壓縮存儲性能，且存儲速率較快。

4 結(jié) 語

隨著高校不斷擴(kuò)建，應(yīng)用海量教育資源加密壓縮存儲系統(tǒng)可提高資源存儲效率。通過建立數(shù)據(jù)中心，對教育資源進(jìn)行統(tǒng)一化管理，在滿足資源日益增長的同時，為高校教育提供一種快速便捷的資源存儲方式。無論是校內(nèi)師生，還是校外學(xué)習(xí)者，都可利用該系統(tǒng)將海量資源進(jìn)行存儲，以便隨時查看。通過對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知，該系統(tǒng)具有良好的性能和快速儲存功能，高效存儲性能必將推動我國教育全面發(fā)展，為我國高校學(xué)生資源存儲提供有效途徑。

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