唐新梅，覃開(kāi)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(jì)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(lái)了極大的便利，縮短了人和人之間的距離，淡化了國(guó)和國(guó)之間的界限。但是隨之也形成了越來(lái)越嚴(yán)重的安全問(wèn)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(lái)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)需要解決的一大難題。相關(guān)專家也重點(diǎn)針對(duì)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(guò)DGHV全同態(tài)算法對(duì)隱私數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，同時(shí)將節(jié)點(diǎn)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(cuò)誤的能力。夏凡等人利用橢圓曲線進(jìn)行公鑰加密，對(duì)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(shí)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(wèn)題，導(dǎo)致運(yùn)算開(kāi)銷增加，加密時(shí)間增加，節(jié)點(diǎn)生命周期降低。為此，提出大數(shù)據(jù)移動(dòng)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(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的生命周期，降低加密時(shí)間以及運(yùn)算開(kāi)銷。

2 方法

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

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

N

個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的，其中

G

=(

V

，

E

)

(1)

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

v

，且網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)均為

t

=0，能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行感知獲取對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，同時(shí)各個(gè)節(jié)點(diǎn)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(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)進(jìn)行融合的過(guò)程被稱為完全融合。即不論節(jié)點(diǎn)

v

接收到多少信息，都能夠?qū)⑵浞庋b在一個(gè)數(shù)據(jù)包內(nèi)實(shí)現(xiàn)傳輸。

3)在大數(shù)據(jù)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能影響作為嚴(yán)重的即為節(jié)點(diǎn)沖突問(wèn)題，需要借助協(xié)議沖突模型來(lái)解決節(jié)點(diǎn)沖突。

4)當(dāng)全部節(jié)點(diǎn)能夠在一個(gè)單位內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，將其記為一個(gè)時(shí)間片(

Timeslot

)。

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在工作的過(guò)程中，大數(shù)據(jù)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)所消耗的能量比例是較大的。為了簡(jiǎn)化描述，設(shè)定網(wǎng)絡(luò)中全部節(jié)點(diǎn)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(guò)計(jì)算不同節(jié)點(diǎn)的功耗累計(jì)得到。利用式(2)給出融合過(guò)程中的網(wǎng)絡(luò)損耗：

(2)

通過(guò)式(2)可知，融合過(guò)程中使用能耗的多少主要取決于節(jié)點(diǎn)在各個(gè)狀態(tài)所占用的時(shí)間。在周期性融合的過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)均處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)。降低損耗最為直接有效的方法就是使節(jié)點(diǎn)在監(jiān)聽(tīng)時(shí)間段內(nèi)盡可能處于睡眠狀態(tài)，則此時(shí)網(wǎng)絡(luò)損耗計(jì)算式為

(3)

針對(duì)于式(2)和式(3)，當(dāng)計(jì)算數(shù)據(jù)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的能耗問(wèn)題時(shí)，首先需要單一計(jì)算不同節(jié)點(diǎn)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(duì)網(wǎng)絡(luò)損耗進(jìn)行分析以及統(tǒng)計(jì)：

針對(duì)于由

n

個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)共同經(jīng)歷了

n

*

d

單位時(shí)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(gè)網(wǎng)絡(luò)中，大數(shù)據(jù)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合問(wèn)題可描述為以下的形式：

當(dāng)網(wǎng)路中各個(gè)節(jié)點(diǎn)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(jì)以及分析。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行的過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠向其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送以及接收信息，同能夠分析不同數(shù)據(jù)的具體來(lái)源，刪除數(shù)據(jù)集合中無(wú)利用價(jià)值的信息。

在基于時(shí)間驅(qū)動(dòng)融合的過(guò)程中，首先需要將時(shí)間離散化為周期，節(jié)點(diǎn)僅需要進(jìn)行一次感知就能夠獲取對(duì)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(shí)間段

O

開(kāi)始，當(dāng)系統(tǒng)中的全部信息均發(fā)送至sin

k

節(jié)點(diǎn)，則停止。數(shù)據(jù)融合調(diào)度是進(jìn)行大數(shù)據(jù)移動(dòng)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(shí)也是為了得到最佳傳輸時(shí)序，以最快的速度實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合。為了能夠?qū)⒐?jié)點(diǎn)全部節(jié)點(diǎn)在最短的時(shí)間內(nèi)匯集到根節(jié)點(diǎn)，以下需要計(jì)算

t

時(shí)刻對(duì)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(shí)間片的調(diào)度序列，即

S

={

S

，

S

，…，

S

}

(6)

由于

MNIL

(

T

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

S

。

通過(guò)時(shí)分復(fù)用思想，組建以最大獨(dú)立集為基礎(chǔ)的樹(shù)形結(jié)構(gòu)

L

={

L

，

L

，…，

L

}

(7)

對(duì)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過(guò)預(yù)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)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(shí)通過(guò)近似最大權(quán)獨(dú)立集為允許通信的鏈路分配傳輸時(shí)隙，則

IM

(

S

)=

I

(

v

)

(9)

2.2 大數(shù)據(jù)移動(dòng)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(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換隱私隱寫加密過(guò)程中的節(jié)點(diǎn)能夠針對(duì)相同時(shí)間以及區(qū)域內(nèi)的信息感知，其中節(jié)點(diǎn)重要具有以下幾方面特性：

1)大數(shù)據(jù)移動(dòng)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(shí)間不同，導(dǎo)致不同節(jié)點(diǎn)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(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的相關(guān)性和節(jié)點(diǎn)距離也存在一定的聯(lián)系。如果兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離較近，則說(shuō)明數(shù)據(jù)之間的相關(guān)度越高；反之，則說(shuō)明數(shù)據(jù)之間的相關(guān)程度就越低。

在協(xié)議層，無(wú)法降低或者消除大數(shù)據(jù)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的冗余性。為了更好的解決上述問(wèn)題，將全部的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)匯總到物理層，首先對(duì)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(jiǎn)化操作過(guò)程，能夠在物理層中引入分布式信源編碼，通過(guò)該項(xiàng)技術(shù)能夠有效實(shí)現(xiàn)不聯(lián)通信源之間的壓縮問(wèn)題，同時(shí)在已知編碼的情況，還能夠節(jié)點(diǎn)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(lái)自多個(gè)信源且沒(méi)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(duì)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(guò)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(dú)立解碼以及聯(lián)合解碼的過(guò)程。

圖1 獨(dú)立解碼以及聯(lián)合解碼流程圖

對(duì)兩個(gè)互相關(guān)的信號(hào)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(duì)

X

、

Y

進(jìn)行獨(dú)立編碼，同時(shí)在譯碼端進(jìn)行無(wú)失真地聯(lián)合譯碼，此時(shí)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(jí)的分布式信源編碼方式進(jìn)行大數(shù)據(jù)移動(dòng)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(gè)節(jié)點(diǎn)所監(jiān)測(cè)到數(shù)值是連續(xù)不間斷的，同時(shí)不同節(jié)點(diǎn)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(shì)，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(duì)于任意監(jiān)測(cè)場(chǎng)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(zhǎng)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(guò)模值編碼，能夠?qū)?p>d

進(jìn)行

k

-

bit

的長(zhǎng)度編碼，即

(12)

式中，

index

(

d

)代表

d

在樣本空間集合

Ω

中的編號(hào)。針對(duì)譯碼端，利用節(jié)點(diǎn)

i

的數(shù)據(jù)編碼形式

Encode

(

d

)，同時(shí)結(jié)合邊數(shù)據(jù)

d

，獲取大數(shù)據(jù)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)數(shù)據(jù)

(13)

聚合簽名是一種將

n

個(gè)來(lái)自

n

個(gè)不同簽名者對(duì)

n

個(gè)不同消息

m

的簽名，匯集成的一個(gè)數(shù)據(jù)簽名技術(shù)，主要通過(guò)驗(yàn)證方完成身份驗(yàn)證，判定簽名的來(lái)源。另外，需要注意的是：由于網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)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(xiàng)技術(shù)更加注重描述網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的編碼關(guān)系，其中各個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的編碼關(guān)系，同時(shí)需要進(jìn)行如下設(shè)定：

1)編碼鏈表CLINK：

主要用來(lái)描述節(jié)點(diǎn)間編碼關(guān)系一個(gè)單向編碼鏈。

2)解碼鏈表DLINK：

主要用來(lái)描述節(jié)點(diǎn)之間解碼關(guān)系的一個(gè)單向編碼鏈。

整個(gè)大數(shù)據(jù)移動(dòng)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(gè)步驟。

1)初始化階段

①通過(guò)相關(guān)先驗(yàn)知識(shí)中的密鑰形成算法，針對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)

i

，需要形成一個(gè)密鑰對(duì)，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(diǎn)在采集到大數(shù)據(jù)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)后，使用信源編碼的方式對(duì)全部節(jié)點(diǎn)的邊信息進(jìn)行編碼。為了簡(jiǎn)化操作過(guò)程，主要通過(guò)二信源相關(guān)的編碼方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行形式轉(zhuǎn)換。

3)數(shù)據(jù)融合

當(dāng)節(jié)點(diǎn)在接收到

t

個(gè)子節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的數(shù)據(jù)包后，分別采用不同的處理方式對(duì)數(shù)據(jù)包的各個(gè)部分進(jìn)行處理以及分析，對(duì)于數(shù)據(jù)部分采用加法操作，即

(15)

在完成節(jié)點(diǎn)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(guò)程，不同節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)在編碼后，將其進(jìn)行組合，獲取一個(gè)新的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)基站?；竟?jié)點(diǎn)得到了各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的編碼信息，通過(guò)信源編碼的譯碼過(guò)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(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的相關(guān)性，對(duì)大數(shù)據(jù)移動(dòng)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(dòng)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(jì)算式為

(18)

3 仿真研究

為了驗(yàn)證所提大數(shù)據(jù)移動(dòng)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(cè)試。

1)加密時(shí)間/min

第一組實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)針對(duì)各個(gè)算法不同數(shù)據(jù)通信量下的加密時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同算法的加密時(shí)間對(duì)比結(jié)果

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

2)節(jié)點(diǎn)生命周期/s

第二組仿真測(cè)試將不同算法中的節(jié)點(diǎn)生命周期作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以下給出具體的實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果。

表1 不同算法的節(jié)點(diǎn)生命周期對(duì)比結(jié)果

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

3)運(yùn)算開(kāi)銷/元

第三組實(shí)驗(yàn)對(duì)比三種不同算法的運(yùn)算開(kāi)銷，具體的實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同算法的運(yùn)算開(kāi)銷對(duì)比結(jié)果

分析圖4中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，所提算法的運(yùn)算開(kāi)銷最低；文獻(xiàn)[2]算法的運(yùn)算開(kāi)銷次之；文獻(xiàn)[3]算法的運(yùn)算開(kāi)銷最高。主要原因?yàn)樗崴惴ㄔ趯?shí)際應(yīng)用的過(guò)程中有效解決了數(shù)據(jù)融合問(wèn)題，刪除整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的冗余數(shù)據(jù)，降低整個(gè)算法的計(jì)算量，促使整個(gè)算法的運(yùn)算開(kāi)銷得到大幅度降低。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)加密算法存在節(jié)點(diǎn)生命周期低、加密時(shí)間長(zhǎng)以及運(yùn)算開(kāi)銷高等問(wèn)題，提出大數(shù)據(jù)移動(dòng)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(shí)間，提升節(jié)點(diǎn)生命周期，減少整個(gè)算法運(yùn)算開(kāi)銷。