董寶慶，王 振，李立亞，閭立新，吳 麗

(無錫科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 無錫 214028)

0 引言

我國職業(yè)院校技能大賽賽項規(guī)程中，參賽隊伍比賽工位的分配有一套抽簽機制。即先進行一次加密，選手按抽簽順序號依次抽取參賽編號。然后二次加密，選手憑參賽編號抽取比賽工位號，按此工位號就位參加比賽。裁判及工作人員無法得知工位上是哪個隊伍，參賽過程中的隊伍保密，能保障比賽公平。

當(dāng)前賽事仍然使用傳統(tǒng)的紙質(zhì)加密方式抽簽。賽后人工核對解密，獲得比賽工位和參賽隊伍的對應(yīng)關(guān)系。紙質(zhì)加密操作麻煩，需要制作抽簽工具。如果設(shè)計一款操作簡便，具有信息加密功能的比賽工位抽簽系統(tǒng)，可以提高工作的效率。

針對以上情況，我們利用Java 技術(shù)，并結(jié)合加密算法，開發(fā)了一款抽簽加密系統(tǒng)，加密過程中所有選手的信息都是以密文保存，只能在規(guī)定的電腦上進行加/解密，極大地保護了選手的隱私。

1 抽簽加密系統(tǒng)設(shè)計

本軟件由三個獨立的子系統(tǒng)構(gòu)成，分別為一次加密子系統(tǒng)，二次加密子系統(tǒng)和解密子系統(tǒng)。一次加密子系統(tǒng)的功能是為選手抽取參賽編號。憑參賽編號，使用二次加密子系統(tǒng)進行二次抽簽，抽取比賽工位號。比賽完成后，使用解密軟件對加密內(nèi)容逐級地解密。系統(tǒng)總體功能設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 子系統(tǒng)功能流程設(shè)計

加密系統(tǒng)各子系統(tǒng)間功能流轉(zhuǎn)如圖2所示。抽簽順序號在賽前說明會時抽取確定好，本系統(tǒng)不涉及該順序號的抽簽分配。

圖2 子系統(tǒng)功能流程圖

一次加密子系統(tǒng)模塊工作流程分如下幾步：首先初始化一次加密表，用系統(tǒng)當(dāng)前時間和參賽隊數(shù)量，生成隨機參賽編號，加密后保存在“一次加密表”中。系統(tǒng)根據(jù)賽隊抽簽順序號隨機抽取未經(jīng)分配的參賽編號，之后將順序號用組密鑰進行加密，將密文寫入與參賽編號行對應(yīng)的單元格中。將參賽編號密文生成二維碼，調(diào)用打印機打印在熱敏標簽上，交給參賽選手二次加密用。

二次加密子系統(tǒng)首先獲取參賽隊數(shù)量，根據(jù)賽隊數(shù)量初始化二次加密表，工位號用組密鑰加密，寫入“二次加密表”中。工作人員用掃碼槍掃描參賽編號二維碼，獲取二維碼中的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)從未分配的工位號中隨機抽取一個工位，寫入到該工位行所在的單元格，并打印交給選手，實現(xiàn)工位的隨機分配功能。

解密模塊使用參賽隊伍抽簽順序表和經(jīng)過一、二次加密子系統(tǒng)生成的“一次加密表”、“二次加密表”，根據(jù)各表中數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系，找出工位號和參賽隊伍的對應(yīng)關(guān)系，生成解密表，完成工位號的解密操作。

1.2 使用的表結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的加解密過程共會用到四張表格，分別為參賽隊伍抽簽順序表、一次加密表、二次加密表和解密表。

如圖3，參賽隊伍抽簽順序表由表頭和賽隊信息組成。主要包括賽隊ID、賽隊信息、抽簽順序號三類信息。賽隊信息由裁判在加密之前導(dǎo)入。根據(jù)本表，建立抽簽順序號和隊伍的對應(yīng)關(guān)系。

圖3 參賽隊伍抽簽順序表

如圖4，導(dǎo)入?yún)①愱犖槌楹烅樞虮砗?，系統(tǒng)會從此Excel 表格sheet1 中讀取表頭生成一次加密表表頭。系統(tǒng)根據(jù)工作人員輸入的抽簽順序號，分配隨機編號。一次加密表由表頭、抽簽順序號和參賽編號組成。參賽編號同時生成。輸入抽簽順序號后，系統(tǒng)會將此抽簽順序號隨機寫入抽簽順序號單元格所在列的某一行。本圖中有密文標注字樣的數(shù)據(jù)以密文存于表格中，無密文標注字樣的數(shù)據(jù)全部以明文保存，下文表格同理。一次加密表將參賽編號和抽簽順序號建立起聯(lián)系。

圖4 一次加密(關(guān)鍵信息)表

如圖5，進行第二次加密時，系統(tǒng)會要求輸入?yún)①惥幪?，根?jù)參賽編號分配賽位號。二次加密表中包含了參賽編號、賽位號。表中參賽編號與賽位號單元格一一對應(yīng)，賽位號隨表頭一起生成，參賽編號被隨機寫入到參賽編號單元格所在列的某一行。根據(jù)此表信息，將賽位號和參賽編號建立起對應(yīng)關(guān)系。

圖5 二次加密(關(guān)鍵信息)表

根據(jù)前三張表所建立的對應(yīng)關(guān)系，進行溯源，在解密表中由賽位號找到參賽編號，由參賽編號找到抽簽順序，由抽簽順序找到參賽隊伍信息，最終獲取解密表所需的數(shù)據(jù)。解密表除了表頭以外還包括賽位號、參賽編號、參賽隊伍、加密裁判簽名和仲裁組裁判簽名以及日期這些信息，解密表關(guān)鍵信息如圖6所示。解密表中的核心數(shù)據(jù)為賽位號、參賽編號及其參賽隊伍，理清了從參賽隊伍抽簽順序表，到一次加密表和二次加密表的線索，最終形成了解密表。

圖6 解密(關(guān)鍵信息)表

2 軟件安全設(shè)計

2.1 加密算法選用

MD5 散列算法用于生成唯一的“指紋”信息，本系統(tǒng)根據(jù)登錄時的三個MAC 地址，進行拼接等操作后，對得到的字符串進行MD5 散列處理。截取經(jīng)MD5散列后的某一段字符串作為種子，進行DES 加密，得到組密鑰。

DES 算法為密碼體制中的對稱加密體制，本系統(tǒng)使用64 位長度的密鑰進行DES 加密運算。DES 加密解密為同一套密鑰，初始密鑰長度為8字節(jié)。本系統(tǒng)根據(jù)初始密鑰長度，以“多刪少補”原則，選擇性刪除和補位操作，構(gòu)建64位密鑰。鑒于本系統(tǒng)對加密數(shù)據(jù)的使用時間不長，因而使用DES算法和64位長度的密鑰進行加密是安全的。

2.2 組密鑰生成

本軟件通過登錄時動態(tài)獲取計算機的MAC 地址（下文簡稱為MAC），經(jīng)過一系列算法，生成該組計算機共用的組密鑰。通過組密鑰，可以定義同組計算機。

如圖7所示，部署同組計算機時，首先確定一組計算機(默認為三臺)。進入部署界面，在各個計算機中分別獲取本地計算機的唯一標識，此時同組計算機的三個MAC 均已獲取到。把另外兩臺計算機的MAC對應(yīng)填入輸入框，與獲取的本機MAC 一起，進行一系列的操作，生成組密鑰。

圖7 部署計算機圖

生成過程，根據(jù)三個有序輸入的MAC，進行規(guī)則性排列拼接等操作，對混合生成的初始密鑰，進行散列處理，得到中間密鑰。對中間密鑰進行DES 加密處理，生成組密鑰。

如此，就可以使部署在三臺計算機上的三個子系統(tǒng)初始化得到相同的組密鑰，組密鑰登錄時即生成，存放在內(nèi)存中，程序退出時組密鑰銷毀，保證了密鑰存放的安全。

2.3 數(shù)據(jù)安全性設(shè)計

系統(tǒng)加密后生成的文件都是以密文形式保存在文件中。要獲得明文，需要用解密子系統(tǒng)進行操作。一、二次加密子系統(tǒng)沒有設(shè)置解密功能，這可以保證只有解密子系統(tǒng)才可解密，防止一、二次加密過程中因人為因素而發(fā)生數(shù)據(jù)泄露的情況。

Java Excel API 是一個開放源碼項目，它既能從本地系統(tǒng)中讀取Excel 電子表格,也能從輸入流中讀取Excel電子表格,導(dǎo)出各種樣式的Excel表。本系統(tǒng)使用此API，將要加密的信息以明文形式保存在內(nèi)存中，對明文進行加密，將加密后得到的密文寫入Excel表中，對重要數(shù)據(jù)進行加密轉(zhuǎn)化。只有通過組密鑰才可以正確解密文件中的信息，從而使計算機中的數(shù)據(jù)信息變得比較安全，由此可以減小抽簽信息的泄露的可能性。

表格中的數(shù)據(jù)采用雙隨機設(shè)計。在一次加密子系統(tǒng)中，生成的隨機參賽編號模擬實地抽簽時在抽簽箱中的參賽編號，根據(jù)系統(tǒng)時間戳，隨機生成參賽編號。為保證參賽編號的唯一性，生成時會判斷該編號是否已存在，若存在則繼續(xù)生成，直到生成的參賽編號唯一時才寫入文件。

此外，為增加安全性和隨機性，對將要在表格中放置的參賽編號的次序進行打亂處理，使得抽參賽編號的隨機性進一步增強，增強了抽簽數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)系的安全性。

每支賽隊抽簽時，使用抽簽程序進行算法處理，來模擬隨機性抽簽。當(dāng)系統(tǒng)得到一支賽隊要抽簽的指令時，使用計算機當(dāng)前系統(tǒng)時間，隨機生成一個位置號，判斷此位置號是否被占用，若為空則將賽隊信息放入，若不為空代表此位置號已被別的賽隊占用，繼續(xù)生成隨機位置號，直到找到空位。隨機位置號的生成和當(dāng)前時間有關(guān)，這保證了抽簽的隨機性。

3 可靠性設(shè)計

3.1 操作檢測功能

本軟件的操作檢測功能會根據(jù)用戶當(dāng)前的使用情況，判斷此時軟件運行的系統(tǒng)安全性和數(shù)據(jù)安全性。當(dāng)系統(tǒng)檢測到用戶的操作可能涉及軟件運行的危害性和軟件數(shù)據(jù)的破壞性、錯誤性時，根據(jù)危害性的大小和緊急程度，及時發(fā)出不同級別的提示信息。如一般性危害的彈窗提示和緊急性破壞的軟件停用一定時間等高級保護措施來確保軟件的安全。

3.2 斷電恢復(fù)

本軟件設(shè)計了斷電恢復(fù)功能，以應(yīng)對系統(tǒng)使用過程中出現(xiàn)的異常情況，如斷電、程序誤操作退出等。

一次加密子系統(tǒng)、二次加密子系統(tǒng)每次向文件中寫數(shù)據(jù)時，將數(shù)據(jù)同時寫入工作文件和備份文件。當(dāng)?shù)卿浵到y(tǒng)時，系統(tǒng)會檢測備份文件中的數(shù)據(jù)，來判斷是否有未完成的抽簽任務(wù)，如果有，則詢問用戶是否進行恢復(fù)操作，若點擊“是”則恢復(fù)上次抽簽任務(wù)，否則重新開啟新的一輪的抽簽流程。

4 結(jié)束語

本文通過對加密算法的學(xué)習(xí)和研究，創(chuàng)新的采用了計算機分組密鑰概念，采用了主流的散列算法和加密方式，設(shè)計了一種基于計算機硬件信息的密鑰共享機制。組內(nèi)計算機使用相同的組密鑰進行數(shù)據(jù)加密，保障了數(shù)據(jù)的互通。本系統(tǒng)為保護參賽過程中的信息安全，所有的重要信息都做了亂序處理且以密文保存。此軟件可以應(yīng)用在職業(yè)院校技能大賽這種抽簽計算機不能聯(lián)網(wǎng)、且需要安全保管防抽簽排位信息泄密的場合，適用范圍很廣。在后續(xù)研究中，將進一步優(yōu)化軟件的人性化操作設(shè)計、可靠性設(shè)計和安全性設(shè)計，提高軟件的易用性。