段 平
(西北工業(yè)大學(xué) 計算機學(xué)院,西安 710072)
區(qū)塊鏈?zhǔn)菙?shù)據(jù)信息領(lǐng)域的專業(yè)術(shù)語,大體上等同于一個開放性的共享數(shù)據(jù)庫,能夠直接存儲因系統(tǒng)運行而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)或信息參量,同時具備可公開、可追溯、可維護(hù)、可處理等多項應(yīng)用優(yōu)勢。這種數(shù)據(jù)共享機制主要存在于分布式信息存儲系統(tǒng)中,是計算機新型加密算法的主要表現(xiàn)形式[1]。與傳統(tǒng)處置手段不同,區(qū)塊鏈?zhǔn)潜忍貛胖贫鹊难苌拍?,在本質(zhì)上相當(dāng)于一個去除了中心化標(biāo)志的信息存儲結(jié)構(gòu),同時作為數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)的底層應(yīng)用技術(shù),區(qū)塊鏈還必須依靠連串信息密碼才能保障數(shù)據(jù)包組織的順利運行。
分層加密是以信息解碼為操作核心的數(shù)據(jù)處理技術(shù),能夠按照相關(guān)數(shù)據(jù)包的連接排列狀態(tài),丈量核心計算機與待處置信息之間的實值距離,再聯(lián)合系統(tǒng)信道內(nèi)的文本節(jié)點,妥善安排各級數(shù)據(jù)參量所處位置[2-3]。從適用對象角度來看,分層加密技術(shù)與區(qū)塊鏈技術(shù)具備高度共通性,二者結(jié)合能夠更好地適用多變的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境,從而解決一系列的連接控制問題。
由于待傳輸數(shù)據(jù)總量的不斷提升,相鄰結(jié)構(gòu)組織對于信息的響應(yīng)調(diào)度能力提出更高需求。現(xiàn)有共振控制系統(tǒng)利用PID元件記錄信息在信道內(nèi)的傳輸速率,再借助逆變器、載波器等設(shè)備加強核心干預(yù)主機對各級傳輸信息的綜合約束能力。但這種方法的鄰節(jié)點響應(yīng)時間過長,易導(dǎo)致單向傳輸數(shù)據(jù)平均流量受到一定的限制影響。為解決此問題,引入?yún)^(qū)塊鏈及分層加密技術(shù),在數(shù)據(jù)逆變器、傳輸斬波器、CPLD面板等硬件設(shè)備的支持下,設(shè)計一種全新的數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng),并通過暗明文數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)化的方式,實現(xiàn)控制鑰節(jié)點的全面托管,達(dá)到擴充單向傳輸數(shù)據(jù)流量的目的。
數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)硬件執(zhí)行結(jié)構(gòu)由核心控制電路、數(shù)據(jù)逆變器、傳輸斬波器、采樣控制芯片、CPLD控制面板五部分組成,具體搭建方法如下。
數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)核心電路由PWM控制主機、I/O主機、NRF24L01電阻、FSMC元件等多個設(shè)備共同組成。在數(shù)據(jù)輸入端保持良好接通狀態(tài)的情況下,信息流中的電壓及電流參量可分別進(jìn)入PWM控制主機中的脈沖及電流控制設(shè)備中,其中一部分電壓直接傳輸至控制電路外部,以供下級設(shè)備元件的直接應(yīng)用,另一部分電壓則經(jīng)過AD采樣設(shè)備的加工,以控制電流的形式進(jìn)入I/O主機中。FSMC元件作為核心用電設(shè)備,其中存儲大量的待傳輸數(shù)據(jù)信息,可根據(jù)NRF24L01電阻中電壓差的負(fù)載情況,調(diào)節(jié)輸入電流的平均傳輸密度,再將符合應(yīng)用需求的電壓信號傳輸至GPIO元件中[4-5]。在整個電量傳輸過程中,數(shù)據(jù)信息始終在發(fā)射端與接收端之間保持關(guān)聯(lián)調(diào)用狀態(tài),且能夠感知NRF24L01電阻中的電量應(yīng)用狀態(tài),進(jìn)而調(diào)整系統(tǒng)相鄰節(jié)點間的響應(yīng)表現(xiàn)形式。
圖1 系統(tǒng)核心控制電路
數(shù)據(jù)逆變器是重要的系統(tǒng)控制指令執(zhí)行元件,以IGBT調(diào)節(jié)裝置作為核心搭建設(shè)備,同時負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)控制電流的傳輸與定向電壓的分配處置。數(shù)據(jù)整合裝置與數(shù)據(jù)輸入端直接相連,可在感知IGBT逆變器連接狀態(tài)的同時,聯(lián)合所有待傳輸信息參量,并將這些散點數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)整成包狀傳輸實體。電流存儲器、電壓存儲器同屬于核心控制電路的下級負(fù)載元件,可按照系統(tǒng)內(nèi)暫存信息體的數(shù)量級條件,更改控制電流與控制電壓的上限承載條件,直至數(shù)據(jù)逆變器能夠完全適應(yīng)區(qū)塊鏈組織對信息參量的加密處理需求[6]。傳輸導(dǎo)流器是IGBT逆變器的行為表現(xiàn)裝置,直接控制蓄電池中電流信息的存儲總量。通常情況下,隨系統(tǒng)內(nèi)待控制數(shù)據(jù)總量的增加,IGBT逆變器的運轉(zhuǎn)速度也逐漸加快,傳輸導(dǎo)流器逐漸進(jìn)入極值調(diào)試狀態(tài),此時控制蓄電池快速吸收系統(tǒng)內(nèi)的所有可利用傳輸電子;隨系統(tǒng)內(nèi)待控制數(shù)據(jù)總量的減少,IGBT逆變器的運轉(zhuǎn)速度也逐漸降低,傳輸導(dǎo)流器逐漸進(jìn)入衰減調(diào)試狀態(tài),此時控制蓄電池將所有已存儲的可利用傳輸電子排放至系統(tǒng)環(huán)境中。
圖2 數(shù)據(jù)逆變器結(jié)構(gòu)圖
傳輸斬波器是系統(tǒng)核心控制電路的下級負(fù)載元件,以斬波調(diào)速模塊作為中央部署結(jié)構(gòu),向上可借助電源接口,承載來自系統(tǒng)輸出端的電量信息,向下可根據(jù)數(shù)據(jù)丈量尺的具體示數(shù),判斷單個信息參量的跨度直徑。在不考慮其它干擾影響的情況下,滿足系統(tǒng)控制需求的數(shù)據(jù)傳輸直徑必須保持在3.5~7.2 mm之間,過大或過小都不能使區(qū)塊鏈組織快速進(jìn)入分層加密狀態(tài)[7]。波長控制結(jié)構(gòu)是具備較強轉(zhuǎn)動能力的旋鈕裝置,可通過向左或向右偏轉(zhuǎn)的方式,使系統(tǒng)待傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)入斬波器結(jié)構(gòu)中,從而達(dá)到擴充單向傳輸數(shù)據(jù)流量的目的。輸出控制機位于傳輸斬波器中部,可將滿足系統(tǒng)控制需求的數(shù)據(jù)信息傳輸至下級應(yīng)用元件中,是物理功能與系統(tǒng)信道相似的斬波器連接設(shè)備。
圖3 傳輸斬波器結(jié)構(gòu)圖
斬波調(diào)速模塊由數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出、斬波接線三類柱狀接口共同組成。數(shù)據(jù)輸入接口與逆變器相連,負(fù)責(zé)導(dǎo)入系統(tǒng)中的待傳輸控制信息,數(shù)據(jù)輸出接口與采樣控制芯片相連,可將未完全消耗的系統(tǒng)信息傳輸至其它元件設(shè)備內(nèi)部。斬波接線柱主要起到負(fù)載平衡的物理功能,可根據(jù)波長控制結(jié)構(gòu)的實際行為變動量,選擇性調(diào)節(jié)旋鈕的連接松緊度,從而調(diào)節(jié)每次控制輸出的具體信息數(shù)據(jù)總量數(shù)值。
圖4 斬波調(diào)速模塊結(jié)構(gòu)圖
采樣控制芯片是數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)中的信息篩選元件,能夠按照客戶端的具體應(yīng)用需求,判斷系統(tǒng)內(nèi)的輸出數(shù)據(jù)信息是否滿足運行消耗標(biāo)準(zhǔn),從上至下由ARM板件、數(shù)據(jù)傳輸管腳、PWM板件、SPI附屬元件、應(yīng)用電阻R共同組成。采樣控制芯片內(nèi)包含4個完全相同的ARM板件,它們之間保持兩兩相連的并列傳輸關(guān)系,但同時接入系統(tǒng)的板件數(shù)量不得超過3個,即始終有1個ARM板件作為附屬應(yīng)用設(shè)備,僅作為參與性結(jié)構(gòu),為系統(tǒng)傳輸控制提供必要的連接數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)傳輸管腳負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)ARM板件的實際連接狀態(tài),可通過松弛度轉(zhuǎn)換的方式,調(diào)節(jié)控制芯片對于傳輸數(shù)據(jù)的采樣行為,從而影響系統(tǒng)內(nèi)控制指令的真實傳輸速率,使系統(tǒng)相鄰節(jié)點間的平均響應(yīng)時長不斷縮減[8]。SPI元件作為PWM板件的附屬設(shè)備,在采樣控制芯片中充當(dāng)負(fù)載調(diào)節(jié)的角色,一方面能夠?qū)?shù)據(jù)密集之處的信息調(diào)度至核心處置區(qū)域,另一方面也能完全適應(yīng)控制指令的傳輸應(yīng)用需求,使系統(tǒng)長時間保持相對活躍的調(diào)度控制狀態(tài)。電阻R位于采樣控制芯片最底層,具有相對較大的物理阻值,能分得系統(tǒng)中大量的傳輸控制電壓,從而抑制單向傳輸數(shù)據(jù)流的下降趨勢,為區(qū)塊鏈組織占據(jù)更多的系統(tǒng)加密處置空間。
圖5 采樣控制芯片結(jié)構(gòu)圖
CPLD面板中部為一塊主控芯片,可借助傳輸導(dǎo)線與數(shù)據(jù)逆變器、傳輸斬波器、采樣控制芯片等多個物理硬件設(shè)備相連,具備較強的區(qū)塊性感知能力,可按照核心控制計算機的具體傳輸需求,更改相連設(shè)備體的接入狀態(tài),從而解決由傳輸數(shù)據(jù)堆積而造成的控制連接閉鎖問題。CPLD主控芯片正上部為數(shù)據(jù)平衡裝置,能夠按照系統(tǒng)內(nèi)控制指令的傳輸狀態(tài),更改面板內(nèi)已存儲數(shù)據(jù)的排列形式,再借助ARM板件內(nèi)干預(yù)指令的行為等級,控制傳輸數(shù)據(jù)包之間的交流行為,從而降低系統(tǒng)鄰節(jié)點對于數(shù)據(jù)信息的敏感程度,降低系統(tǒng)內(nèi)的感知響應(yīng)時間[9]。接入插口是采樣控制芯片與CPLD控制面板的連接通道,通常情況下可長時間保持定向連通狀態(tài),在傳輸系統(tǒng)控制指令的同時,將不必要的電子分散至其它元件設(shè)備中。流量示數(shù)器顯示CPLD控制面板內(nèi)待處置信息的具體數(shù)量級水平,可隨系統(tǒng)執(zhí)行時間的延長而逐漸變化,但最大示數(shù)結(jié)果始終不超過系統(tǒng)的額定承載上限。
圖6 CPLD控制面板結(jié)構(gòu)原理圖
基于區(qū)塊鏈的需求分析是數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)搭建的必要物理環(huán)節(jié),具體操作流程由IMIX數(shù)據(jù)傳輸報文、區(qū)塊鏈文本兩個設(shè)計步驟共同組成。
IMIX數(shù)據(jù)傳輸報文是新型控制系統(tǒng)中最主要的信息共享形式,傳輸面積覆蓋極廣,囊括數(shù)據(jù)逆變器、傳輸斬波器、采樣控制芯片、CPLD控制面板及其它所有硬件執(zhí)行設(shè)備,由信息頭、信息體、信息尾三部分共同組成。信息頭也叫IMIX數(shù)據(jù)傳輸報文的開頭格式節(jié)點,相鄰域字符之間只能通過ASCII編碼加以區(qū)分,且域號在數(shù)量級曲線上的投影值越大,代表該類型報文的傳輸受控性越強,反之則代表報文的傳輸受控性越弱。信息體也叫IMIX數(shù)據(jù)傳輸報文的區(qū)間格式節(jié)點,依靠信息體序號、傳輸起止時間等字符區(qū)分不同類型的系統(tǒng)控制數(shù)據(jù),再按照每一個信息體的字段長度水平,將不同受控信息傳輸至系統(tǒng)的不同應(yīng)用元件之中,從而實現(xiàn)分流系統(tǒng)傳輸信息的目的[10-11]。信息尾也叫IMIX數(shù)據(jù)傳輸報文的目的格式節(jié)點,限定了各項系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)的實際作用位置,與其它兩類報文組成條件保持間接作用關(guān)系,但總體的從屬調(diào)節(jié)行為始終受到系統(tǒng)控制主機的綜合協(xié)調(diào)。下表列舉了幾類常見的IMIX數(shù)據(jù)傳輸報文形式。
表1 IMIX數(shù)據(jù)傳輸報文結(jié)構(gòu)
區(qū)塊鏈文本是一類指針型數(shù)據(jù)信息,直接作用于系統(tǒng)的核心控制主機,對IMIX數(shù)據(jù)傳輸報文起到輔助說明的作用,可面對不同的系統(tǒng)執(zhí)行結(jié)構(gòu),生成不同類型的傳輸應(yīng)用指令[12]。
1)針對核心控制電路的區(qū)塊鏈文本:密鑰頭結(jié)點所占比重較大,能夠干預(yù)電量信息在系統(tǒng)中的行進(jìn)狀態(tài),在IMIX數(shù)據(jù)傳輸報文處于足量狀態(tài)的情況下,能夠直接存儲于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫之中。
2)針對數(shù)據(jù)逆變器、傳輸斬波器的區(qū)塊鏈文本:密鑰組織中只含有中間應(yīng)用信息,能結(jié)合既定硬件執(zhí)行結(jié)構(gòu),更改控制指令的傳輸速率,從而緩解傳輸信道對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的抑制影響。
3)針對采樣控制芯片、CPLD控制面板的區(qū)塊鏈文本:密鑰組織由頭、尾節(jié)點共同組成,僅在小范圍內(nèi)影響區(qū)塊鏈組織的連接控制狀態(tài),對處于其它系統(tǒng)層次的執(zhí)行設(shè)備不產(chǎn)生干預(yù)性作用。
在區(qū)塊鏈需求分析條件的支持下,通過構(gòu)造單向數(shù)據(jù)函數(shù)、轉(zhuǎn)化明文數(shù)據(jù)、托管控制鑰節(jié)點的方式,完成基于分層加密技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸控制密鑰連接,實現(xiàn)新型數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)的順利應(yīng)用。
分層加密技術(shù)是指按層次分別采用多種加密方式完成數(shù)據(jù)加密,一般分為對稱加密和非對稱加密兩種體系。其中,DES算法是對稱加密算法,加密解密共用一套密鑰,該算法較為簡便,但容易被破解,因此對于保密性較強的數(shù)據(jù),需要采用RSA算法完成加密。RSA算法是一種非對稱加密算法,該算法能夠增加解密密鑰的長度,因此較難破解,加密性較好。采用分層加密技術(shù)能夠根據(jù)數(shù)據(jù)等級的不同采用不同加密方式,既保證加密安全性,同時也提升了加密效率。
單向函數(shù)是以區(qū)塊鏈文本為基礎(chǔ)建立的密鑰算法基礎(chǔ),能夠適應(yīng)系統(tǒng)環(huán)境中待控制數(shù)據(jù)所面對的所有傳輸情況,且與每次明文轉(zhuǎn)化操作所對應(yīng)的信息文件也始終保持高度的獨立性[13]。在分層加密技術(shù)處理過程中,單向數(shù)據(jù)函數(shù)存在不可逆的特點,即每個信息解只能從控制端信息指向客戶端信息,一方面可避免因數(shù)據(jù)交叉而出現(xiàn)的信息擁堵行為,另一方面也能適當(dāng)縮減系統(tǒng)鄰節(jié)點之間的物理距離,為控制固定響應(yīng)時間提供可能。設(shè)y0代表待控制數(shù)據(jù)信息的暗文格式指標(biāo),y1代表待控制數(shù)據(jù)信息的明文格式指標(biāo),u代表數(shù)據(jù)控制標(biāo)記的下限參量,w代表數(shù)據(jù)控制標(biāo)記的上限參量,聯(lián)立上述物理參數(shù),可將傳輸控制系統(tǒng)的單向數(shù)據(jù)函數(shù)表示為:
(1)
其中:Δf代表系統(tǒng)控制鑰節(jié)點承載信息在單位時間內(nèi)的變化量,l′代表數(shù)據(jù)明文轉(zhuǎn)化標(biāo)準(zhǔn)差,d0、d1分別代表與暗文格式數(shù)據(jù)、明文格式數(shù)據(jù)相關(guān)的轉(zhuǎn)化向量。
數(shù)據(jù)明文轉(zhuǎn)化是系統(tǒng)對信息參量實施傳輸控制的必要物理流程,需要核心控制主機、暗文服務(wù)器、明文服務(wù)器的共同參與,才能實現(xiàn)由個體數(shù)據(jù)指標(biāo)到集群數(shù)據(jù)指標(biāo)的轉(zhuǎn)變[14]。在系統(tǒng)硬件執(zhí)行設(shè)備保持穩(wěn)定信息輸出的情況下,暗文服務(wù)器以數(shù)據(jù)信息發(fā)送的方式,將待傳輸數(shù)據(jù)由系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)存至信號環(huán)境中,明文服務(wù)器在與核心數(shù)據(jù)主機建立信息連接的同時,聯(lián)合系統(tǒng)傳輸斬波器及數(shù)據(jù)逆變器生成獨立的密鑰體系,再借助輸出組織,將密鑰信息與待傳輸數(shù)據(jù)相連,實現(xiàn)一次完整的數(shù)據(jù)明文轉(zhuǎn)化處理。
圖7 數(shù)據(jù)明文轉(zhuǎn)化原理
(2)
在PKG加密系數(shù)的支持下,控制鑰節(jié)點始終呈現(xiàn)層次化分布狀態(tài)。首層加密節(jié)點會借助次級加密節(jié)點,向尾層加密節(jié)點傳輸與系統(tǒng)傳輸控制相關(guān)的數(shù)據(jù)信息,且隨著數(shù)據(jù)總量的提升,相鄰層結(jié)構(gòu)之間的加密處理距離也不斷縮短。為保證數(shù)據(jù)信息的完整性,除首層加密節(jié)點外,所有加密節(jié)點均與系統(tǒng)數(shù)據(jù)控制節(jié)點伴隨出現(xiàn),但后者僅負(fù)責(zé)記錄與密鑰組織相關(guān)的托管信息,不影響加密節(jié)點的實際處理行為[15]。至此,完成所有前期搭建準(zhǔn)備工作,在確保區(qū)塊鏈組織保持完整的情況下,實現(xiàn)新型數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)設(shè)計。
圖8 控制鑰節(jié)點托管原理
為突出說明基于區(qū)塊鏈及分層加密技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)的實用價值,設(shè)計如下對比實驗。選取兩臺完全相同的實驗主機,分別搭載新型傳輸控制系統(tǒng)和共振控制系統(tǒng),其中前者作為實驗組、后者作為對照組,在網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)環(huán)境中以固定信息空間作為實驗對象,分別記錄在相同實驗環(huán)境下,相關(guān)控制指標(biāo)的具體變化情況。
不斷調(diào)試網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)環(huán)境,使數(shù)據(jù)信息的輸出流量持續(xù)趨于穩(wěn)定,將實驗組、對照組系統(tǒng)同時接入互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)平臺中,記錄各項指標(biāo)參數(shù)的實際變化行為。
已知系統(tǒng)鄰節(jié)點響應(yīng)時間、單向傳輸數(shù)據(jù)流量都是影響相鄰結(jié)構(gòu)組織間流通數(shù)據(jù)響應(yīng)調(diào)度狀態(tài)的重要條件,通常情況下,響應(yīng)時間越短、數(shù)據(jù)流量越大,流通數(shù)據(jù)的響應(yīng)調(diào)度狀態(tài)越積極,反之則越稀疏。
以實驗組、對照組系統(tǒng)作為記錄對象,圖9~圖10分別反映了系統(tǒng)鄰節(jié)點響應(yīng)時間及單向傳輸數(shù)據(jù)流量的詳細(xì)變化趨勢。
圖9 系統(tǒng)鄰節(jié)點響應(yīng)時間對比
圖10 系統(tǒng)單向傳輸數(shù)據(jù)流量對比
分析圖9可知,本次實驗共取24次數(shù)值結(jié)果,前18次實驗組系統(tǒng)鄰節(jié)點響應(yīng)時間始終高于對照組,但從第19次開始,實驗組數(shù)值出現(xiàn)了明顯的下降趨勢。從數(shù)值角度來看,實驗組最大值未超過1.2 μs,但對照組最大值達(dá)到1.3 μs,高于實驗組數(shù)值水平。綜上可知,在相同實驗環(huán)境下,基于區(qū)塊鏈及分層加密技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)比共振控制系統(tǒng)更能抑制鄰節(jié)點響應(yīng)時間的上漲。
圖10中分別標(biāo)注了實驗組、對照組單向傳輸數(shù)據(jù)流量的最大值和最小值。分析圖10可知,實驗組、對照組單向傳輸數(shù)據(jù)流量均在實驗初始時達(dá)到極值狀態(tài),隨記錄時間的延長而不斷降低,但實驗組極大值達(dá)到9.6×1014T,遠(yuǎn)高于實驗組的2.1×1014T。綜上可知,在相同實驗環(huán)境下,基于區(qū)塊鏈及分層加密技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)確實能夠大幅度擴充數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的單向傳輸流量。
在區(qū)塊鏈組織的支持下,分層加密技術(shù)針對共振控制系統(tǒng)針對流通數(shù)據(jù)響應(yīng)調(diào)度能力較差的問題實施改進(jìn),且能夠聯(lián)合核心控制電路、數(shù)據(jù)逆變器、傳輸斬波器等設(shè)備,在控制信息采樣速率的同時,促進(jìn)IMIX數(shù)報文的快速傳輸。隨著待傳輸數(shù)據(jù)總量的提升,新型控制系統(tǒng)的CPLD面板逐漸占據(jù)主導(dǎo)應(yīng)用地位,既能分層處置單向函數(shù)的加密進(jìn)程,也能使控制鑰節(jié)點進(jìn)入全面托管狀態(tài),同步實現(xiàn)了單向傳輸數(shù)據(jù)流量的擴充與鄰節(jié)點響應(yīng)時間的縮減,更符合互聯(lián)網(wǎng)傳輸環(huán)境對于數(shù)據(jù)信息的實際處理需求。