段曉聰

(廣州華商學(xué)院數(shù)據(jù)科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 511300)

在一個開放性網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，分布式數(shù)據(jù)庫是其必不可少的一部分，它主要用來對采集的各類數(shù)據(jù)實行數(shù)據(jù)分享，將其輸送到各個客戶端中供給用戶使用[1]。所有的數(shù)據(jù)庫都具備數(shù)據(jù)共享的特點，但由于分布式數(shù)據(jù)庫所處的環(huán)境具有公開性，導(dǎo)致分布式數(shù)據(jù)庫極易出現(xiàn)安全問題，遭受到外界的攻擊[2]。除了遭受到黑客攻擊及病毒攻擊外，分布式數(shù)據(jù)庫還存在安全系統(tǒng)脆弱、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議脆弱的缺陷，針對分布式數(shù)據(jù)庫潛在的劣勢，需要加強分布式數(shù)據(jù)庫的安全性及存儲性。所以為了解決上述存在的問題，需要對分布式數(shù)據(jù)庫加密存儲方法實行研究。

陳曉琳等人[3]提出分布式數(shù)據(jù)庫Greenplum 在地震前兆數(shù)據(jù)存儲中的應(yīng)用方法，由于分布式數(shù)據(jù)庫具有數(shù)據(jù)共享服務(wù)，所以在發(fā)生地震前會先采集地震數(shù)據(jù)，并根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)設(shè)計出分布式數(shù)據(jù)庫存儲方案，利用該方案構(gòu)建出分布式數(shù)據(jù)庫環(huán)境，用其對數(shù)據(jù)處理后再加密，最終將加密后的數(shù)據(jù)存儲到分布式數(shù)據(jù)庫，該方法處理的數(shù)據(jù)存有欠缺，存在加密效率差的問題。孫僖澤等人[4]提出基于可搜索加密機制的數(shù)據(jù)庫加密方法，該方法優(yōu)先在數(shù)據(jù)庫中建立了一個可查詢框架，便于查詢加密數(shù)據(jù)，再設(shè)計出一個數(shù)據(jù)庫加密方案，將其引入到數(shù)據(jù)庫中防止數(shù)據(jù)泄露，大大提升了數(shù)據(jù)的安全性，以加密方案為基礎(chǔ)引入安全索引結(jié)構(gòu)，采用密碼技術(shù)加密數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)，并存儲加密數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的加密存儲，該方法設(shè)計的可查詢框架不夠完善，存在解密時間長的問題。

為了解決傳統(tǒng)方法中存在的分布式數(shù)據(jù)庫加密效率差，數(shù)據(jù)解密耗時長的問題，本文在上述研究方法的基礎(chǔ)上，提出基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)分簇策略的分布式數(shù)據(jù)庫加密存儲方法。通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)分簇策略降低網(wǎng)絡(luò)能耗，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分簇，以提高計算機網(wǎng)絡(luò)的加密存儲效率。構(gòu)建分布式加密存儲模型，通過分布式數(shù)據(jù)庫加密、存儲、解碼等操作，實現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)庫加密存儲。

1 分布式數(shù)據(jù)庫

為研究分布式數(shù)據(jù)庫加密存儲方法，對分布式數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)體系及無線傳感網(wǎng)絡(luò)分簇做出研究。分析得出分布式數(shù)據(jù)庫在數(shù)據(jù)傳輸過程中會出現(xiàn)服務(wù)器分布負(fù)載高的問題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫的容錯性低、安全性差。構(gòu)建能量損耗模型獲取無線傳感網(wǎng)絡(luò)適當(dāng)?shù)姆执財?shù)，對無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點分簇，采用加權(quán)傳輸距離代價函數(shù)計算節(jié)點及原始聚類中心的距離，有效均衡無線傳感網(wǎng)絡(luò)分簇過程中的節(jié)點能耗，達到改善計算機網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量及網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的。

1.1 分布式數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)體系

一般情況下分布式數(shù)據(jù)庫是通過一組數(shù)據(jù)組合而成的，這些數(shù)據(jù)都來自不同的計算機網(wǎng)絡(luò)中，且全部都分布在不同的計算機上，在各個計算機網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，每個數(shù)據(jù)的結(jié)點都存有獨立性，這樣有利于人們對數(shù)據(jù)的應(yīng)用。應(yīng)用數(shù)據(jù)時，需要利用計算機網(wǎng)絡(luò)的通信系統(tǒng)將數(shù)據(jù)輸入到全局應(yīng)用中，令其執(zhí)行，而該應(yīng)用就是分布式數(shù)據(jù)庫[5]。

在分布式數(shù)據(jù)庫中包含兩種系統(tǒng)，其中DDBMS管理系統(tǒng)是可以構(gòu)建、管理及維護數(shù)據(jù)庫的一個軟件，也是分布式數(shù)據(jù)庫必不可少的一部分。

由于應(yīng)用于分布式數(shù)據(jù)庫開放性網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)這一特點，分布式數(shù)據(jù)庫就適用于較分散的部門，這樣該部門可以把需要存儲的數(shù)據(jù)存放在本地數(shù)據(jù)庫中，以此減少通信費用，加快數(shù)據(jù)響應(yīng)時間，降低數(shù)據(jù)冗余[6]。

但因為分布式數(shù)據(jù)庫內(nèi)潛存的數(shù)據(jù)較多，極易導(dǎo)致數(shù)據(jù)在傳輸過程中出現(xiàn)服務(wù)器分布負(fù)載高的問題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫的容錯性低、安全性差。所以針對分布式數(shù)據(jù)庫存在的問題，需要對分布式數(shù)據(jù)庫的加密存儲實行研究。

1.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)分簇

提升分布式數(shù)據(jù)庫的加密存儲效果前，首先需要利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)分簇策略改善計算機網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點能量及網(wǎng)絡(luò)生命周期，以此改善網(wǎng)絡(luò)的能耗，使計算機網(wǎng)絡(luò)的能耗達到均衡的效果，增強分布式數(shù)據(jù)庫在計算機網(wǎng)絡(luò)中的加密存儲效率。

①確立分簇數(shù)

在無線傳感網(wǎng)絡(luò)分簇算法中成簇是該算法的關(guān)鍵部分，確立適當(dāng)?shù)姆执財?shù)也是設(shè)立分簇策略的核心。

通常來說，當(dāng)分簇數(shù)量過多時，就會導(dǎo)致分簇開銷大；當(dāng)分簇數(shù)量過少時，各個簇中的節(jié)點就會增多，因此增加了簇首的負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致簇首會消耗大量的能耗，直至死亡。所以確立適當(dāng)?shù)姆执財?shù)可以提高計算機網(wǎng)絡(luò)鏈路的輸送效率，以此達到能量損耗均衡的目的[7]。

為了能夠更好地確立無線傳感網(wǎng)絡(luò)的分簇數(shù)，構(gòu)建一個能量損耗模型，以此獲取適當(dāng)?shù)姆执財?shù)，實現(xiàn)分簇數(shù)的確立。因為建立的模型主要組成部分為電路、功率及接收電路[8]，所以在構(gòu)建模型時所耗損的能量就用下述方程描述:

式中，ETx描述的是耗能，b描述的是發(fā)送端，d描述的是接收端，Eelec描述的是電路在發(fā)送及接收時產(chǎn)生的能耗，u1、u2均描述的是不同輸送距離下的能耗系數(shù)。

根據(jù)式(1)可知，數(shù)據(jù)在接收期間的耗能標(biāo)記為:ERX＝b＋Eelec。式中，ERX描述的是接收數(shù)據(jù)時的耗能。

數(shù)據(jù)在發(fā)送和接收時所產(chǎn)生的距離臨界值表達式為:d0＝。根據(jù)設(shè)定的臨界值方程表達式，設(shè)定簇內(nèi)節(jié)點輸送數(shù)據(jù)時產(chǎn)生的耗能通過Eno－CH描述，那么建立的能耗損耗模型方程表達式就可以標(biāo)記如下:

式中，K描述的是分簇數(shù)量，A描述的是分布區(qū)域長度，N描述的是節(jié)點總數(shù)量。

根據(jù)式(2)可得，當(dāng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的A及N的數(shù)據(jù)確立后，就可以將網(wǎng)絡(luò)中的損耗參數(shù)引入到式(2)中，以此確立出合適的分簇數(shù)K，完成對分簇數(shù)K的確立。

②確立原始聚類中心

根據(jù)設(shè)定的分簇數(shù)K，采用K－均值算法對無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點分簇[9]。由于在節(jié)點分簇時需要利用K－均值算法對數(shù)據(jù)實行聚類，而原始聚類中心會對聚類的結(jié)果造成影響，所以為了確保聚類效果，需要確定原始聚類中心。具體步驟如下:

1)優(yōu)先計算數(shù)據(jù)集合X中的兩個節(jié)點，以此獲取兩個節(jié)點之間的距離D(xi，xj)，從中得出兩個距離最近的節(jié)點，通過集合Sm描述。獲取到Sm后需要在X中消除其余兩個節(jié)點。

2)重新建立一個集合X，從中取得新的Sm后將其引入到步驟1)中的Sm，同時消除X內(nèi)的節(jié)點。

3)重復(fù)步驟2)，直至節(jié)點數(shù)量低于N/K為止；若節(jié)點個數(shù)n

4)經(jīng)過上述步驟后，直至取得最終形成K個集合的節(jié)點，對其計算后得到原始聚類中心，完成確立。

構(gòu)建的無線傳感網(wǎng)絡(luò)能量損耗模型主要用來對數(shù)據(jù)實行發(fā)送、傳輸及融合處理等，從而產(chǎn)生能量損耗。為了提升無線傳感網(wǎng)絡(luò)分簇效率，需要均衡損耗的能源。因此采用加權(quán)傳輸距離代價函數(shù)[10]表示節(jié)點及原始聚類中心的距離，用方程表達式定義如下:

式中，D(xi，cj)描述的是傳輸距離的代價函數(shù)，d1(xi，cj)描述的是距離，cj描述的是聚類中心，Sink描述的是匯聚節(jié)點，d2(cj，Sink)描述的是cj與Sink之間的距離，Rnode描述的是通信半徑，Darea描述的是直徑。φ1與φ2描述的是權(quán)重因子。

式(3)可以有效均衡無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點能耗。因而根據(jù)均衡后的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，對其實行節(jié)點分簇，從而實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)分簇，達到改善計算機網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量及網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的[11]，那么具體分簇流程如圖1 所示。

分析圖1 可知，部署無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，計算最佳分簇數(shù)目，計算節(jié)點與聚類中心的距離，或取得節(jié)點距離最近的兩個點，并通過加權(quán)傳輸距離代價函數(shù)重新計算其原始聚類中心，均衡無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點能耗，確定節(jié)點分簇。

圖1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)分簇流程

2 分布式數(shù)據(jù)庫加密存儲

基于上述無線傳感網(wǎng)絡(luò)分簇流程，實現(xiàn)分簇，均衡了計算機網(wǎng)絡(luò)中的分布式數(shù)據(jù)庫能耗，提升了分布式數(shù)據(jù)庫的加密存儲效率。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建加密存儲模型，利用該模型對分布式數(shù)據(jù)庫進行存儲、加密、解密、明文獲取等過程，實現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)庫的加密存儲。

2.1 構(gòu)建加密存儲模型

為了能夠更好地實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，首先構(gòu)建一個分布式加密存儲模型，構(gòu)建的模型如圖2 所示。

根據(jù)圖2 可知，在構(gòu)建的模型中主要具備用戶及管理員、SS 存儲服務(wù)器、AA 屬性服務(wù)器及CAA中心授權(quán)服務(wù)器等。而構(gòu)建的模型總共由加密、存儲及解密三個部分組成。

圖2 構(gòu)建的分布式加密存儲模型

2.2 分布式數(shù)據(jù)庫加密存儲流程

利用構(gòu)建的模型加密存儲分布式數(shù)據(jù)庫，具體流程如下所示:

①首先需要利用該模型對分布式數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)實行初始化，優(yōu)先在數(shù)據(jù)庫中選取兩個p階群的數(shù)據(jù)，分別表示為G和G1。利用該模型對G和G1實施雙線性映射，即e:G×G→G1。其中還包含由G生成的數(shù)據(jù)元g，再通過模型生成主密鑰y0∈，而模型中的屬性服務(wù)器AA 則可以生成與AA 相對應(yīng)的私鑰，即。

②根據(jù)設(shè)立的密鑰，對分布式數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)加密。在AA中確立數(shù)據(jù)屬性集，即Ac，而與Ac相對應(yīng)的則是第w個AA 的分管屬性集。隨機選取一個AA 中的門限值dw∈，以此用作解密用戶的屬性交集個數(shù)。再利用屬性l對AA 中的數(shù)據(jù)編碼，從中得到數(shù)據(jù)的加密消息集，定義為:{M1，M2，…，Mk}。并從{M1，M2，…，Mk}中確立一個統(tǒng)一的消息標(biāo)識hID，通過模型內(nèi)的主公鑰Y＝gyo計算{M1，M2，…，Mk}后，就能夠得到分布式數(shù)據(jù)庫內(nèi)的消息密文[12]。

③獲取到密文后，用戶就可以在z個SS 中選擇想要加密的服務(wù)器，并把取得的密文輸送到想要加密的服務(wù)器中，完成加密分發(fā)。

④加密完服務(wù)器后，需要用戶對想要查看的服務(wù)器解密，所以用戶需要向服務(wù)器發(fā)出解密請求，利用模型中的屬性服務(wù)器AA 對用戶的ID 識別后即可解密。

通過接收用戶發(fā)出的解密請求Aj及CAA 給予的密鑰Dc，由AA 將部分密鑰發(fā)送給用戶手中，該部分密鑰用方程表達式定義如下:

用戶取得部分密鑰后，就可以對部分密鑰計算，以此取得最終解密結(jié)果，完成解密。

若想在解密后獲取最原始的分布式數(shù)據(jù)庫明文信息，就需要對解密后的數(shù)據(jù)解碼，以此獲得數(shù)據(jù)明文。

進行無線傳感網(wǎng)絡(luò)分簇后，改善了計算機網(wǎng)絡(luò)的生命周期，均衡了網(wǎng)絡(luò)的能耗，提升了分布式數(shù)據(jù)庫的加密存儲效率，通過構(gòu)建分布式加密存儲模型對分布式數(shù)據(jù)庫實行加密、存儲、解碼等操作，最終實現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)庫加密存儲的研究。

3 仿真分析

為了驗證基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)分簇策略的分布式數(shù)據(jù)庫加密存儲方法的有效性，需要對該方法實行仿真分析、對比測試。

采用基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)分簇策略的分布式數(shù)據(jù)庫加密存儲研究方法(本文方法)、云實驗室數(shù)據(jù)庫資源云存儲屬性基加密仿真(文獻[3]方法)和基于可搜索加密機制的數(shù)據(jù)庫加密方案方法(文獻[4]方法)實行測試對比。分布式數(shù)據(jù)庫在加密存儲時，若需要加密存儲的數(shù)據(jù)屬性集數(shù)量過大，那么耗費的加密存儲時間就長。所以為了確保分布式數(shù)據(jù)庫在加密存儲時的效率，需要采用本文方法、文獻[3]方法和文獻[4]方法分別對分布式數(shù)據(jù)庫進行加密、解密、存儲測試。本次仿真分析選擇的數(shù)據(jù)集為Non-local Neural Networks[13]，在該數(shù)據(jù)集內(nèi)共選取750 個數(shù)據(jù)屬性集，利用三種方法對屬性集開展加密時間測試。測試平臺為MySQL5.5，運行環(huán)境為Muntul4.04LTE.Proxy。加密、解密、及存儲時間結(jié)果如下:

①設(shè)立測試時間共為60 s，其中最佳加密時間為15 s，若在最佳時間內(nèi)完成對屬性集的加密，那么該方法的加密效率最優(yōu)，表明了該方法的加密效果好，具體測試結(jié)果如圖3 所示。

圖3 三種方法的加密時間測試

圖3 中，本文方法加密750 個數(shù)據(jù)屬性集時，所用時間均不超過15 s，表明了本文方法在最佳時間范圍內(nèi)完成了對屬性集的加密。文獻[3]方法加密時間逐漸升高，最終達到34.3 s，與本文方法相比，文獻[3]方法的加密效率較差。

②以上述設(shè)定參數(shù)為基礎(chǔ)，在60 s 內(nèi)對加密的數(shù)據(jù)屬性集實行解密，同時設(shè)置的最佳范圍時間為20 s，利用三種方法對屬性集實施解密時間測試，依據(jù)測試結(jié)果驗證解密效率。測試結(jié)果如圖4 所示。

圖4 三種方法的解密時間測試

圖4 中，本文方法的解密時間要小于文獻[3]方法和文獻[4]方法，可見本文方法的解密效率最高，而文獻[4]方法的解密效率最低。本文方法對750 個數(shù)據(jù)屬性集的解密時間均不超過12 s，屬于最佳解密時間，由此可見本文方法的解密時間最快。

③根據(jù)上述加密數(shù)據(jù)，利用本文方法、文獻[3]方法和文獻[4]方法對加密后的數(shù)據(jù)屬性集實行存儲時間測試，選取600 個需要存儲的加密數(shù)據(jù)屬性集，本次測試時間為60 s，設(shè)定最佳存儲時間為10 s，那么測試結(jié)果如圖5 所示。

圖5 三種方法的存儲時間測試

分析圖5 可知，在整體測試中，本文方法的存儲時間都屬于最佳存儲時間，在3.8 s～6.0 s 之間，且沒有超出設(shè)定范圍。但與其相反的是，文獻[3]方法和文獻[4]方法在6 組測試中，僅在第一組測試時處于最佳存儲時間內(nèi)，因而判定本文方法的存儲效率最高。

綜上所述，本文方法的加密、解密、存儲效率都要優(yōu)于其余兩種方法，這主要是因為該方法分簇了計算機網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，以此均衡了網(wǎng)絡(luò)能量，提升了分布式數(shù)據(jù)庫的加密存儲效率，使該方法對數(shù)據(jù)的加解密、存儲效果最佳。

4 結(jié)束語

在計算機網(wǎng)絡(luò)中，由于分布式數(shù)據(jù)庫所處的環(huán)境為公開環(huán)境，所以會導(dǎo)致分布式數(shù)據(jù)庫受到黑客攻擊，使數(shù)據(jù)遭受到篡改，針對分布式數(shù)據(jù)庫加密存儲方法存在的問題，提出基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)分簇策略的分布式數(shù)據(jù)庫加密存儲方法。該方法以分布式數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)體系為基礎(chǔ)，利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)分簇策略對計算機網(wǎng)絡(luò)節(jié)點實行分簇，以此均衡網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量，再構(gòu)建一個加密存儲模型，對分布式數(shù)據(jù)庫加密存儲，實現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)庫的加密存儲。仿真結(jié)果表明，該方法對750 個數(shù)據(jù)屬性集的加密時間均不超過15 s，數(shù)據(jù)存儲時間都在3.8 s～6.0 s 之間，較對比方法均有較大的提升。由此可見，本文方法對分布式數(shù)據(jù)庫加密存儲有效性極高，具備長遠的發(fā)展前景。