雙混沌系統(tǒng)下的大數(shù)據(jù)環(huán)境并行加密模型設(shè)計(jì)探討

張舜標(biāo)

（廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510507）

本篇主要設(shè)計(jì)基于雙混沌系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)環(huán)境并行加密模型，基于復(fù)雜矩陣，構(gòu)造并行加密機(jī)制，結(jié)合混沌相位掩碼，構(gòu)造雙重加密函數(shù)，對(duì)大數(shù)據(jù)環(huán)境信息進(jìn)行擴(kuò)散，有助于同時(shí)對(duì)大數(shù)據(jù)環(huán)境多幅圖像完成并行加密、解密，降低串?dāng)_效應(yīng)，該加密機(jī)制高度安全，擁有較高的安全性，發(fā)揮積極設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)效益。

1 關(guān)于雙混沌系統(tǒng)的概述

1.1 混沌系統(tǒng)的理論

在非線(xiàn)性系統(tǒng)中，混沌（Chaos）是其獨(dú)有的非周期運(yùn)動(dòng)形式，也正是由于混沌具備非周期性特征，使得混沌與密碼學(xué)之間具有特殊的關(guān)聯(lián)。在混沌系統(tǒng)中，不僅會(huì)對(duì)初值具有敏感性，其數(shù)據(jù)也具有隨機(jī)性，是基于交叉理論的系統(tǒng)，將混沌系統(tǒng)應(yīng)用到密碼學(xué)領(lǐng)域，能夠發(fā)揮抗干擾、保密、更換密鑰等作用，發(fā)揮應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

1.2 應(yīng)用雙混沌系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

在實(shí)際大環(huán)境數(shù)據(jù)加密模型設(shè)計(jì)中，分析混沌系統(tǒng)，可以知道該系統(tǒng)就是能夠以隨機(jī)密鑰這種計(jì)算方式，只需少量參數(shù)的情況下，利用混沌序列對(duì)信息進(jìn)行加密，不僅計(jì)算的量較少，也能夠滿(mǎn)足實(shí)際中無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)加密、解密基本要求。然而，在實(shí)際中，由于混沌系統(tǒng)的加密算法安全性不足，易于被破解，亟待提高系統(tǒng)中算法的復(fù)雜度。因此，應(yīng)用雙混沌系統(tǒng)中，不能夠?qū)⒍喾N混沌模型進(jìn)行混合，同時(shí)，在雙混沌系統(tǒng)中，擁有的算法密鑰空間也很大，對(duì)于明文以及密鑰較為敏感，發(fā)揮應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。因此，雙混沌系統(tǒng)更加應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，不僅可以對(duì)明文信息進(jìn)行加密，成功地克服上述缺點(diǎn)，發(fā)揮應(yīng)用有效性。

2 設(shè)計(jì)雙混沌系統(tǒng)下的大數(shù)據(jù)環(huán)境并行加密模型

2.1 設(shè)計(jì)加密和解密Map函數(shù)

在Map階段函數(shù)中，其輸人為數(shù)據(jù)集中鍵值對(duì)集組成的鍵值對(duì)的集合，也就是集，而起輸出的則是鍵值< key2，value2 >，在并行加密模型的加密與解過(guò)程中，一個(gè)Map函數(shù)之中，也均包含有下key2與ualue2兩個(gè)函數(shù)，如下所示：

key2=Reprensentlndividual（keyl）

ualue2=Encyl（uzluel）

ualue2=Dncyl（uzluel）

其中，Reprensentlndividual

2.2 設(shè)計(jì)模型中的Sort函數(shù)

在雙混沌系統(tǒng)下，設(shè)計(jì)的大數(shù)據(jù)環(huán)境并行加密模型中，Sort函數(shù)的輸入部分，主要是Map函數(shù)的輸出，而Sort函數(shù)的輸出，則是將無(wú)的序鍵值對(duì)集，轉(zhuǎn)化為一個(gè)有序的鍵值對(duì)集，其實(shí)際的處理過(guò)程如下所示：

1）能夠調(diào)用鍵值映射函數(shù)，根據(jù)Reprensentlndividual（key2，…），生成一個(gè)新鍵值，即可以生成在多個(gè)鍵值中，唯一與之相對(duì)應(yīng)的新鍵值key3；

2）可以收集基于Map函數(shù)的輸出結(jié)果，從而可以得到一個(gè)無(wú)序的鍵值對(duì)，如list { < key2，value2> }，并能夠?qū)⑵錁?gòu)成一個(gè)有序的鍵值對(duì)列表；

3）對(duì)有序鍵值對(duì)列表listl { < key2，value2}中的重復(fù)的鍵值進(jìn)行刪除，得到無(wú)重復(fù)元素的序列鍵值對(duì)列表list2{}；

4）將list2 {}賦給value3；

2.3 設(shè)計(jì)Reduce函數(shù)

Reduce函數(shù)的輸入中，需根據(jù)Sort函數(shù)輸出得到的鍵值對(duì)，然后輸出，輸出為明文或密文大數(shù)據(jù)，Reduce函數(shù)的具體操作過(guò)程如下：

1）提取由Sort函數(shù)輸出得到的鍵值對(duì)，將value3這個(gè)有序列表中的所有密鑰數(shù)據(jù)塊和明文數(shù)據(jù)塊提取出來(lái)；

2）將每個(gè)密鑰數(shù)據(jù)塊或明文數(shù)據(jù)塊中的明文或密文與對(duì)應(yīng)的密鑰k2和k3分離；

3）將密文與k2進(jìn)行異或得到新的Logistic映射初始迭代次數(shù)b，將明文與k3進(jìn)行異或得到Tent映射對(duì)應(yīng)的新的迭代次數(shù)b’；

4）將b和b’添加到歷史Logistic映射的初始迭代次數(shù)集合和Tent映射的初始迭代次數(shù)集合中。

5）將分離了密鑰k2和k3的明文或密文前后連接組成新的大數(shù)據(jù)集，作為最終加密或解密的大數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)大數(shù)據(jù)的并行加密或解密。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 安全性驗(yàn)證仿真

為驗(yàn)證基于雙混沌系統(tǒng)設(shè)計(jì)的大數(shù)據(jù)環(huán)境并行加密模型的可行性，構(gòu)建出仿真實(shí)驗(yàn)的環(huán)境，其中的硬件服務(wù)器平臺(tái)，就是Dell 的PowerEdge 8910設(shè)備，而本次仿真的軟件平臺(tái)，則是Hadoop，在其服務(wù)器內(nèi)還包含24核Intel Xeon處理器，內(nèi)存2006，以加密算法為例，隨機(jī)輸人一組由于明文構(gòu)成的數(shù)據(jù)集，明文的類(lèi)型包含文本、圖片、音頻和視頻數(shù)據(jù)，采用文中設(shè)計(jì)的基于Map-Reduce并行加密框架模型，對(duì)大數(shù)據(jù)環(huán)境中的信息進(jìn)行明文方式的加密。

同時(shí)，可以基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，仿真得到在大數(shù)據(jù)環(huán)境中，這個(gè)文本類(lèi)型數(shù)據(jù)在并行加密模型中的明文數(shù)據(jù)與密文數(shù)據(jù)。

在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，基于雙混沌系統(tǒng)，對(duì)文本類(lèi)型的明文數(shù)據(jù)實(shí)施并行加密之后，其在統(tǒng)計(jì)學(xué)方面的特性已經(jīng)發(fā)生較大的變化，這就說(shuō)明應(yīng)用雙混沌系統(tǒng)并行加密模型，對(duì)大數(shù)據(jù)環(huán)境的數(shù)據(jù)進(jìn)行并行加密，能夠獲得較好的數(shù)據(jù)加密效果。同時(shí)，在該并行加密模型中，因?yàn)榧用芩惴ㄒ约敖饷芩惴ㄖ?，?duì)于控制參數(shù)以及初始化中僅僅有兩個(gè)混飩迭代次數(shù)，故此可知在該并行加密模型中存在著很大的密鑰空間，即使攻擊者在已知算法中應(yīng)用了Logistic映射和Tent映射，也無(wú)法通過(guò)窮舉來(lái)獲得這4個(gè)初始參數(shù)，因此，該加密算法具有較好的安全性。

3.2 應(yīng)用性能仿真分析

可對(duì)一組圖像信息進(jìn)行并行加密中，下圖是參數(shù)λ[0.001，4]，imk取1000，X0取0.6時(shí)的結(jié)果，其中Y1在圖（a）和（b）中分別表示不同λ對(duì)應(yīng)的Xn序列值和周期數(shù)（若周期數(shù)>20，則認(rèn)為chaotic，輸出值為0）由圖可知，當(dāng)λ<1時(shí)，產(chǎn)生的序列為一固定值，等于零；當(dāng)λ<3時(shí)，系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)解，即解是不動(dòng)點(diǎn)，周期數(shù)為1。

仿真結(jié)果中，在輸入中重新界定λ的范圍，可以方便的研究不同區(qū)間內(nèi)的特性如下圖1所示。

圖1 λ=[3.7，3.9]，X0=0.6

觀察到的混沌區(qū)中，選取一個(gè)λ以便觀察系統(tǒng)對(duì)Xn序列初值的敏感度，不妨取λ=3.82，X0分別取0.6和0.60001，初值的誤差甚至小于程序中用于判斷兩個(gè)變量相等的error，同樣的，程序只在imk取1時(shí)會(huì)有以下輸出，結(jié)果如下圖2，由于整個(gè)序列不便于比較，只截取了前后各約50個(gè)點(diǎn)。

圖2 λ=3.82，序列值隨迭代步數(shù)變化

有圖2可知，在前20個(gè)序列點(diǎn)，數(shù)據(jù)基本還保持一致，隨著迭代步數(shù)逐漸增大，誤差被逐漸放大，提升加密算法的應(yīng)用性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，基于雙混沌系統(tǒng)，優(yōu)化大數(shù)據(jù)環(huán)境的并行加密模型，應(yīng)用該并行加密模型，能夠?qū)Υ髷?shù)據(jù)環(huán)境中的多種類(lèi)型數(shù)據(jù)進(jìn)行分組并行加密，可以高效對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密、解密，算法執(zhí)行速度快，提高數(shù)據(jù)安全性與加密效率，發(fā)揮積極影響。

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