地理信息野外采集系統(tǒng)加密模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

唐先龍

摘 要? 湖南省第二測繪院已經(jīng)成功研發(fā)了地理信息野外采集系統(tǒng)，具有通用性強、定位精度高、用戶體驗好等諸多優(yōu)點。為了保障存儲數(shù)據(jù)的安全性，本文提出一種基于RSA加密算法的自定義數(shù)據(jù)格式，重新設(shè)計了底層數(shù)據(jù)存儲機制。

關(guān)鍵詞? 地理信息數(shù)據(jù)加密;數(shù)據(jù)加密;數(shù)據(jù)庫設(shè)計

中圖分類號：TN915 文獻標識碼：A

Design and Implementation of Encryption Module for Geographic Information Field Acquisition System

Tang Xianlong

（1. Hunan Second Surveying and Mapping Institute， Changsha Hunan? 410119）

Abstract： The Second Surveying and Mapping Institute of Hunan Province has successfully developedGeographic Information Field Acquisition System，which has many advantages， such as strong universality， high positioning accuracy，good user experience and so on.In order to ensure the security of data storage， this paper proposes a custom data format based on RSA encryption algorithm， and redesigns the underlying data storage mechanism.

Keywords： geographic Information data encryption; embedded data base encryption; data base design

0? 引言

湖南省第二測繪院（以下簡稱“二院”）已經(jīng)成功研發(fā)了地理信息野外采集系統(tǒng)（以下簡稱“易采”），并在近三年的實踐中證明了易采的價值，能夠顯著提高野外地理空間數(shù)據(jù)采集的效率，具有通用性強、定位精度高、用戶體驗好等諸多特點。為了進一步在推廣易采，保證移動端數(shù)據(jù)的安全性，本文提出基于RSA非對稱加密算法與sqlite嵌入式數(shù)據(jù)庫研發(fā)數(shù)據(jù)加密模塊。

1? 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 非對稱加密算法

非對稱加密算法強度復(fù)雜、安全性依賴于算法與密鑰，能夠很好的將信息進行加密[1]。非對稱密鑰體制有兩種密鑰，其中一個是公開的稱為公鑰，另一個是私鑰。在確保私鑰不泄露的前提下，確保了數(shù)據(jù)在傳輸、存放過程中的安全性。目前廣泛使用SSL協(xié)議也是在此基礎(chǔ)上設(shè)計而來，是整個互聯(lián)網(wǎng)安全的基礎(chǔ)性算法。RSA是一種常用的非對稱加密算法，通過其實現(xiàn)信息的高強度的加密與解密過程。

1.2 sqlite 輕量級嵌入式數(shù)據(jù)庫

移動操作系統(tǒng)中集成了sqlite數(shù)據(jù)庫。sqlite數(shù)據(jù)庫是一款非常流行的嵌入式數(shù)據(jù)，它不僅性能很好，而且只消耗很少的內(nèi)存;另外它還是開源的，任何人都可以使用它[2]。采用C語言編寫，具有極高的性能。通過其實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效存儲。

2? 設(shè)計與實現(xiàn)

地理信息系統(tǒng)通常以兩種格式之一來存儲空間數(shù)據(jù)：矢量格式或柵格格式。這兩種格式是實用且有效的[3]。本文設(shè)計一種加密模塊，通過RSA（一種非對稱加密算法）實現(xiàn)信息的加密與解密，然后將數(shù)據(jù)存儲至設(shè)計的數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)柵格與矢量數(shù)據(jù)的存儲、讀取能力。

2.1 柵格數(shù)據(jù)切片模型設(shè)計

柵格數(shù)據(jù)常用于底圖展示，可以將柵格數(shù)據(jù)預(yù)先進行切片。地圖切片的目的是為了能夠大幅度地提高用戶瀏覽地圖信息的速度[4]。切片就是按照一定的規(guī)則，把地圖切成指定大小的圖片進行保存，通過指定區(qū)域和層級進行瓦片的調(diào)取。從而達到減少存儲存儲容量，同時提升柵格數(shù)據(jù)顯示速度。

柵格數(shù)據(jù)切片存儲格式，參考了MBtiles規(guī)范[5]，是基于sqlite嵌入式數(shù)據(jù)庫研發(fā)的切片存儲方式，該規(guī)范已被廣泛應(yīng)用于切片數(shù)據(jù)存儲，使用該格式將充分利用現(xiàn)有程序接口，降低編碼實現(xiàn)難度。

柵格數(shù)據(jù)切片模型由3個數(shù)據(jù)表（元數(shù)據(jù)表、切片數(shù)據(jù)表、切片索引表）、1個視圖、2個索引組成，文件后綴定義為yci。

元數(shù)據(jù)表：用于描述數(shù)據(jù)的信息，常用語存放數(shù)據(jù)的生產(chǎn)日期、數(shù)學基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)精度、數(shù)據(jù)版本如表1。

切片數(shù)據(jù)表：用于存放加密后的切片實際數(shù)據(jù)內(nèi)容，定義如表2。

切片索引表：用于存放切片行列號位置信息，定義如表3。

切片視圖：通過tile_id 將images與 map 表進行關(guān)聯(lián)：形成包含zoom_level，tile_column，tile_row，tile_data 四列的視圖。

索引：images表 tile_id 建立 Unique 和 ASC索引，命名為 image_index;map 表通過 zoom_level，tile_column，tile_row 建立 Unique和 ASC，命名為 map_index。

2.2 矢量數(shù)據(jù)模型設(shè)計

矢量數(shù)據(jù)是由點、線、面三種主要空間要素（geometry）與屬性信息（attribute）組成，基于sqlite數(shù)據(jù)庫存放矢量數(shù)據(jù)，將空間要素與屬性要素分解為數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的列。其中空間要素信息參考了WKB（OGC well-known binary）數(shù)據(jù)格式，該格式是開放地理空間聯(lián)盟（OGC）規(guī)定的一種二進制格式，可用于空間要素數(shù)據(jù)在客戶端應(yīng)用程序和SQL數(shù)據(jù)庫之間進行交換。

矢量數(shù)據(jù)模型由2個數(shù)據(jù)表（元數(shù)據(jù)表、空間要素表）、2個索引組成，文件后綴定義為ycv。

元數(shù)據(jù)表：用于描述數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)信息，用于存放數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型、加密字段、生產(chǎn)日期、數(shù)學基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)精度、數(shù)據(jù)版本。結(jié)構(gòu)如表4。必須包含以下三行數(shù)據(jù)：

type：描述矢量數(shù)據(jù)的類型，可選值為（Point、MultiPoint、LineString、MultiLineString、Polygon、MultiPolygon）。

epsg：空間引用標識符，該值由epsg（European Petroleum Survey Group）負責維護并發(fā)布坐標參照系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集參數(shù)，以及坐標轉(zhuǎn)換描述，常見的有4490/4326/4546/4547/3857等。用相應(yīng)的數(shù)值代表數(shù)據(jù)的坐標信息。

encode：已加密屬性字段，以|符號隔開。

空間要素表：用于存放加密后的空間要素信息，結(jié)構(gòu)如表5。由于空間要素已經(jīng)被加密，無法建立索引，將導致矢量數(shù)據(jù)加載速度緩慢，因此應(yīng)用yc_bound字段提取空間要素的大致范圍，并以此建立空間索引，兼顧安全性與加載速度。其他屬性字段可增加相應(yīng)字段。

索引：根據(jù) uuid 列建立 Unique 和 ASC 索引，命名為 uuid_index;根據(jù) yc_bound列建立空間索引。

2.3 數(shù)據(jù)存儲

柵格切片存儲，在工作站中通過GDAL將柵格數(shù)據(jù)進行切片，依次讀取單個切片并利用RSA非對稱加密算法將切片二進制流進行加密，并將級別、行列號、元數(shù)據(jù)信息寫入對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫表。同時計算切片二進制流md5值，內(nèi)容相同的切片只會保存一次，進一步降低柵格數(shù)據(jù)存儲容量。

矢量數(shù)據(jù)存儲，讀取矢量的空間要素，利用RSA非對稱加密算法將其加密，同時按照空間要素類型計算空間范圍，并將其他屬性信息、元數(shù)據(jù)一次寫入對應(yīng)的數(shù)據(jù)表。

2.4 數(shù)據(jù)讀取

柵格切片讀取，根據(jù)級別、行列號信息，讀取對應(yīng)切片數(shù)據(jù)，然后tile_data進行解密，得到正常圖片二進制流。

矢量數(shù)據(jù)讀取，通過OGR是開源GIS軟件GDAL的矢量模塊，其定義了一套矢量空間數(shù)據(jù)模型，提供對多種矢量數(shù)據(jù)空間格式的讀寫能力。OGR 采用數(shù)據(jù)源驅(qū)動機制，用戶可以方便的將自定義空間數(shù)據(jù)格式編寫成數(shù)據(jù)驅(qū)動[6]。矢量數(shù)據(jù)的讀取需要從yc_bound中預(yù)先取出可能在顯示范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，再對空間要素（yc_geom）字段進行解密，以后的流程與常規(guī)矢量數(shù)據(jù)讀取無異。

3? 結(jié)論

本文設(shè)計基于RSA非對稱加密算法，其加密和解密直接在內(nèi)存中進行，不產(chǎn)生臨時數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)在存取的安全性。同時由于采用RSA非對稱加密算法，計算復(fù)雜度更高，相比傳統(tǒng)對稱加密算法存在一定的性能損失。由于對數(shù)據(jù)表進行了較大改動設(shè)計，現(xiàn)有軟件無法直接使用易采安卓端的生產(chǎn)的數(shù)據(jù)，需要預(yù)先進行轉(zhuǎn)換，接下來考慮通過sqlite底層預(yù)留的加密解密接口實現(xiàn)無侵入式改造。

參考文獻/References

[1]任彥燕.oracle數(shù)據(jù)庫中RSA算法的應(yīng)用[J].山西電子技術(shù)，2017（6）：66-67.

[2]耿佳琪，何文通，陳燦等.野外科考中移動終端自定義地圖技術(shù)研究于應(yīng)用[J].科研信息化技術(shù)與應(yīng)用，2016，7（5）.

[3]王淑晴，孫翠羽，鄭新奇.地理信息系統(tǒng)導論[M].電子工業(yè)出版，2016：102.

[4]葛亮，何濤，王均輝，譚盼華.基于GDAL的瓦片切割技術(shù)研究[J]，測繪與空間地理信息，2014（7）：130-132.

[5]馬獲蕾，湯海鳳.Android系統(tǒng)中SQLite數(shù)據(jù)庫的研究[J].電腦知識與技術(shù)，2012（28）：6243-6245.

[6]陳振，陳榮國，謝炯，張明波.自定義空間數(shù)據(jù)格式的擴展與應(yīng)用[J].測繪科學技術(shù)報，2011，28（2）：138-140.