分布式環(huán)境下計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)加密技術(shù)的優(yōu)化

分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行靈活，具有優(yōu)秀的延展性和可靠性，已被廣泛應(yīng)用于企業(yè)管理和社交媒體的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中。然而由于分布式網(wǎng)絡(luò)中沒有控制處理中心，信息在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸路徑較多，因此需要對其進(jìn)行加密處理。傳統(tǒng)的加密技術(shù)不可避免的對整體系統(tǒng)產(chǎn)生消耗，同時(shí)加密所需時(shí)間較長，為此本文提出了一種基于混沌理論的分布式環(huán)境下計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)加密技術(shù)的優(yōu)化方案。首先對混沌理論進(jìn)行了研究并詳細(xì)介紹了加密系統(tǒng)的構(gòu)成和軟件設(shè)計(jì)，將混沌序列作為一次性口令，對比分析了傳統(tǒng)加密技術(shù)和優(yōu)化后加密方法的系統(tǒng)消耗和時(shí)耗，結(jié)果表明，采用混沌理論對分布式環(huán)境下計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)機(jī)密技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化可以顯著提高其時(shí)效性，同時(shí)降低加密技術(shù)對系統(tǒng)的占用率，是一種行之有效的網(wǎng)絡(luò)加密技術(shù)優(yōu)化方法。

【關(guān)鍵詞】分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 加密技術(shù)優(yōu)化 混沌理論

1 引言

分布式環(huán)境下的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是指將網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)子區(qū)域，這些子區(qū)域由不同的管理者進(jìn)行管理。當(dāng)管理者需要獲取其余子區(qū)域的信息時(shí)則需要進(jìn)行通信。在分布式網(wǎng)絡(luò)中，不設(shè)有控制處理中心，網(wǎng)絡(luò)中的任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)和另外兩個(gè)節(jié)點(diǎn)相互鏈接，這就為信息傳輸路徑提供了多種多樣的選擇。分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)具有運(yùn)行靈活，網(wǎng)絡(luò)管理流量較少，自身可靠性和延展性較強(qiáng)等優(yōu)勢，同時(shí)容易進(jìn)行維護(hù)，所用代碼可以重復(fù)，因此被廣泛應(yīng)用于企業(yè)管理和社交媒體等的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中。然而正是由于分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)不存在中心節(jié)點(diǎn)，用戶信息較為分散，從網(wǎng)絡(luò)中的任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以輕松獲取用戶的個(gè)人隱私信息，容易造成信息泄露和濫用，因此在分布式環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)安全問題越來越引起學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前采用的網(wǎng)絡(luò)安全控制策略分為保證操作系統(tǒng)安全，網(wǎng)關(guān)保密，采用防火墻及加解密技術(shù)等，其中加解密技術(shù)應(yīng)用較為普遍。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)加密技術(shù)在分布式網(wǎng)絡(luò)中雖然可以起到一定的安全防護(hù)作用，但其對系統(tǒng)的占用較大，同時(shí)耗時(shí)較長，因此需要對其進(jìn)行優(yōu)化。

本文在分布式網(wǎng)絡(luò)加密技術(shù)中引入了混沌理論?；煦缡菍^程進(jìn)行研究的一種非線性的動力學(xué)理論，所采用的混沌序列具有復(fù)雜性和不確定性的特點(diǎn)，這為其應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)安全方面提供了可能性。本文將混沌理論引入分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的加密技術(shù)優(yōu)化過程中，介紹了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和軟件的運(yùn)行流程，將迭代產(chǎn)生的混沌序列作為一次性口令，通過對口令的認(rèn)證實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)加密的優(yōu)化。結(jié)果表明所提優(yōu)化方法對系統(tǒng)性能的消耗較小，運(yùn)算速度較快，達(dá)到了對分布式網(wǎng)絡(luò)加密技術(shù)優(yōu)化的目的。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

本文提出的基于混沌理論的分布式環(huán)境下計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)加密系統(tǒng)共分為三層，分別為應(yīng)用層，接口層和加密層，如圖1所示 。應(yīng)用層包含各種應(yīng)用程序，這些程序用于調(diào)用加密接口；接口層則主要由簽名、加密、身份認(rèn)證和證書等接口構(gòu)成，同時(shí)含有抽象的底層加密接口。這一層結(jié)構(gòu)隱藏了應(yīng)用層算法實(shí)現(xiàn)的具體細(xì)節(jié)，只為上一層提供簡便的接口，方便應(yīng)用程序安全服務(wù)的運(yùn)行；加密層中含有對應(yīng)于接口的各種算法，主要負(fù)責(zé)各種具體算法的實(shí)現(xiàn)。

2.2 加密系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 混沌理論

混沌屬于偽隨機(jī)運(yùn)動，發(fā)生在確定的非線性系統(tǒng)中。對于一個(gè)系統(tǒng)來說，當(dāng)參數(shù)和初始條件給定時(shí)，運(yùn)動具有確定性，然而其長期狀態(tài)與初始狀態(tài)密切相關(guān)。而混沌函數(shù)的特性是可以擴(kuò)大拉長和重疊折返，因此不可預(yù)測，對具有非線性特點(diǎn)的迭代方程進(jìn)行研究：

其中LE為Lyapunov特征指數(shù)，表示兩點(diǎn)間平均指數(shù)的幅散率。只要在混沌區(qū)間對A和xB分別取值，其迭代軌跡就會以指數(shù)形式發(fā)散，同時(shí)初始值的差異很小時(shí)，其迭代軌跡會產(chǎn)生很大的變化，因此初始值是獲取迭代序列的重要因素。將上述特點(diǎn)引入加密理論就獲得了基于混沌理論的加密方法。對于分布式環(huán)境下的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)加密需要對用戶進(jìn)行身份認(rèn)證，而一次性口令是一種行之有效的防御措施，由于混沌具有對初始條件敏感、迭代序列多樣的特點(diǎn)，因此采用混沌理論的一次性口令可以作為用戶身份識別的依據(jù)。圖2為基于混沌理論的一次性口令認(rèn)證過程，首先A將帶有用戶名的連接請求發(fā)送至B，經(jīng)B確認(rèn)后發(fā)送初始身份X0，在傳輸?shù)耐瑫r(shí)對信息進(jìn)行加密和簽名處理，之后進(jìn)過混沌算法處理迭代生成一次性口令，最后經(jīng)B解密并保存并與A生成的口令比較，如果結(jié)果相同則反饋A成功登錄。

2.2.2 基于混沌理論的網(wǎng)絡(luò)加密技術(shù)的軟件設(shè)計(jì)

圖3所示為基于上述混沌理論的網(wǎng)絡(luò)加密技術(shù)軟件工作流程，在初始化后，軟件需要先后對信息加密，異常事件和設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行判別，對信息加密的判別涉及到信息排隊(duì)分類，密鑰管理和加密/脫密程序， 其中信息排隊(duì)分類程序是將信息根據(jù)不同密級經(jīng)行分類，并根據(jù)緩存格式和時(shí)延大小進(jìn)行排隊(duì)，密鑰管理程序則主要負(fù)責(zé)動態(tài)地分配和管理各個(gè)工作密鑰，加密/脫密程序則是對將排隊(duì)完畢的信息采用系統(tǒng)算法完成加密/脫密過程的處理；異常事件判別所需的程序負(fù)責(zé)處理加密時(shí)出現(xiàn)的異常事件，如非法脫密或非法用戶入侵等；在設(shè)備運(yùn)行判別中，終端/節(jié)點(diǎn)自動求助程序則起到在加密裝置出現(xiàn)問題時(shí)將故障設(shè)備關(guān)停并切換其他正常運(yùn)行設(shè)備的作用。

3 加密性能優(yōu)化結(jié)果分析

3.1 系統(tǒng)開銷

在對分布式環(huán)境下計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行加密時(shí)需要考慮加密技術(shù)對整個(gè)系統(tǒng)性能開銷的影響，圖4為優(yōu)化前后系統(tǒng)性能開銷的對比分析，可以看出采用混沌理論后，相比較于傳統(tǒng)的機(jī)密技術(shù)系統(tǒng)消耗下降，這是由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)沒有采用過多的結(jié)構(gòu)層，從而減少了層與層之間的調(diào)用開銷，另一方面，采用混沌理論的加密技術(shù)只需要對迭代序列（用作一次性口令）進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)傳輸和處理過程中對系統(tǒng)的占用較少。

3.2 加密時(shí)耗

采用混沌理論對分布式環(huán)境下計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)加密技術(shù)的優(yōu)化還體現(xiàn)在加密時(shí)耗上，對加密時(shí)耗的計(jì)算如式3所示：

Tj=∑mi=1PiTji （3）

式中Tji為j加密方法處理數(shù)據(jù)流i所需時(shí)間，Pi為處理數(shù)據(jù)流i的操作頻數(shù)。

如表1所示，對比了兩種加密技術(shù)消耗的時(shí)間，雖然采用混沌理論的加密技術(shù)在初始化和提取過程中的耗時(shí)（分別為64934?s和8956?s）略高于傳統(tǒng)加密技術(shù)，但前者的加密時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于后者，分別為43765?s和17224?s，這是因?yàn)榛诨煦缋碚摰募用芗夹g(shù)在對數(shù)據(jù)流的處理過程中有很多是不需要進(jìn)行加密和認(rèn)證的，而傳統(tǒng)加密技術(shù)則需要對每項(xiàng)數(shù)據(jù)流進(jìn)行加密和認(rèn)證，因此會消耗大量的時(shí)間，可以看出將混沌理論引入加密技術(shù)中可以大大提高分布式環(huán)境下計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)加密的效率。

圖5為兩種加密技術(shù)運(yùn)算時(shí)間隨信息長度的變化，可以看出隨著信息長度的增加，兩種加密技術(shù)的運(yùn)算時(shí)間均有所增大，但總體來說基于混沌理論的分布式環(huán)境下計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)加密技術(shù)的運(yùn)算時(shí)間均低于傳統(tǒng)的加密技術(shù)，其時(shí)效性較高。

4 結(jié)束語

傳統(tǒng)的分布式網(wǎng)絡(luò)加密技術(shù)存在靈活性差，系統(tǒng)占用率高，耗時(shí)長的缺點(diǎn)。本文引入混沌理論對分布式環(huán)境下計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)加密技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化可以明顯降低由于加密對系統(tǒng)性能造成的損耗，其加密時(shí)間較短，可以廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)加密技術(shù)優(yōu)化的過程中。

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作者簡介

王珂（1980-），女（漢族），河南省鄭州市人。碩士研究生。講師。主要研究方向計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。

作者單位

鄭州旅游職業(yè)學(xué)院信息工程系 河南省鄭州市 450000