大數(shù)據(jù)加密算法在數(shù)據(jù)安全保護(hù)中的應(yīng)用研究

(中共陜西省委黨校(陜西行政學(xué)院)文化與科技教研部，西安 710075)

0 引言

大數(shù)據(jù)是指數(shù)據(jù)規(guī)模較大，無法使用現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理的數(shù)據(jù)集，用戶的隱私和數(shù)據(jù)安全問題一直是大數(shù)據(jù)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的逐漸成熟，大數(shù)據(jù)技術(shù)被廣泛的運(yùn)用到各個(gè)領(lǐng)域，大數(shù)據(jù)加密算法和方案的研究受到廣泛關(guān)注。

在現(xiàn)有研究中，文獻(xiàn)[1]采用超混沌分組加密和AES混合加密方案，雖然提高了算法的執(zhí)行效率，但是忽視了AES加密算法的S盒迭代循環(huán)周期短的問題，文獻(xiàn)[2]采用雙混沌系統(tǒng)設(shè)計(jì)出一個(gè)數(shù)據(jù)加密模型，雖然也能夠提高數(shù)據(jù)加密的效率和安全性，但是沒有考慮到AES算法。本研究基于以上內(nèi)容，對(duì)兩組三倍混沌進(jìn)行改進(jìn)和AES算法進(jìn)行改造生成兩個(gè)新的四維混沌系統(tǒng)和新的AES算法，采用兩個(gè)四維混沌系統(tǒng)設(shè)計(jì)出一個(gè)分組加密方案，最后在Hadoop平臺(tái)上與改進(jìn)AES算法融合成一個(gè)加密算法。

1 Hadoop大數(shù)據(jù)平臺(tái)

Hadoop是一個(gè)分布式大數(shù)據(jù)平臺(tái)，主要由HDFS和MapReduce兩個(gè)核心組件組成，HDFS主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)，MapReduce主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的分布式計(jì)算[3]。

MapReduce會(huì)將從HDFS傳輸過來的數(shù)據(jù)集分成若干個(gè)獨(dú)立部分，然后由Map任務(wù)對(duì)這些獨(dú)立的部分分別進(jìn)行并行運(yùn)算來完成對(duì)它們的處理，運(yùn)算的結(jié)果則會(huì)傳輸給Reduce任務(wù)[4]。一般情況下，中間過程的運(yùn)算結(jié)果會(huì)存儲(chǔ)在本地磁盤中，只有最終的輸出結(jié)果和輸入會(huì)存儲(chǔ)在HDFS中。

2 兩個(gè)改進(jìn)超混沌系統(tǒng)

超混沌系統(tǒng)相比混沌系統(tǒng)在加密領(lǐng)域具有更高的應(yīng)用價(jià)值，因?yàn)槠渚哂懈鼮閺?fù)雜的動(dòng)力學(xué)行為[5]。

2.1 改進(jìn)超混沌系統(tǒng)1

文獻(xiàn)[6]提出了一種三維連續(xù)自治的混沌系統(tǒng)，其狀態(tài)方程為：

(1)

式(1)中，a，b，c，d為該三維系統(tǒng)的實(shí)際參數(shù)，x，y，z為該三維系統(tǒng)的狀態(tài)變量。該系統(tǒng)在a=20，b=5，c=10，d=7時(shí)會(huì)產(chǎn)生混沌吸引子，此時(shí)該系統(tǒng)會(huì)變成超混沌狀態(tài)，產(chǎn)生3個(gè)Lyapunov指數(shù)，分別為LE1=1.237 1，LE2=-0.029 1，LE3=-16.448 4。

(2)

經(jīng)過計(jì)算和分析，該系統(tǒng)在a=20，b=5，c=10，d=2時(shí)的3個(gè)Lyapunov指數(shù)為LE1=2.051 8，LE2=-0.017 2，LE3=-17.406 1，相比文獻(xiàn)[6]中提出的混沌系統(tǒng)，可以很明顯看出本研究的混沌系統(tǒng)的3個(gè)Lyapunov指數(shù)遠(yuǎn)大于文獻(xiàn)[6]的混沌系統(tǒng)Lyapunov指數(shù)，因此本研究的混沌系統(tǒng)具有比文獻(xiàn)[6]混沌系統(tǒng)更復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)特性，比文獻(xiàn)[6]中的混沌系統(tǒng)更非常適合用于大數(shù)據(jù)加密研究。

但是，該系統(tǒng)存在計(jì)算資源消耗高和結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，為此，采用狀態(tài)反饋控制法，引入一個(gè)第四維的狀態(tài)變量w[7]，并將狀態(tài)變量w引入到式(2)中的的第二個(gè)方程中，能夠得到一個(gè)新的四維混沌系統(tǒng):

(3)

該系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的超混沌系統(tǒng)，只有兩個(gè)非線性項(xiàng)，結(jié)構(gòu)更加簡單，除此之外，在相同的計(jì)算資源下，能夠產(chǎn)生比文獻(xiàn)[6]更長的混沌序列，因此比文獻(xiàn)[6]的混沌系統(tǒng)更適用于大數(shù)據(jù)加密。

2.2 改進(jìn)超混沌系統(tǒng)2

文獻(xiàn)[8]提出一個(gè)三維Bao混沌系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型為：

(4)

該系統(tǒng)中包含兩個(gè)非線性項(xiàng)的連續(xù)自治微分方程，式(4)中，a，b，c為該三維系統(tǒng)的實(shí)際參數(shù)，x，y，z為該三維系統(tǒng)的狀態(tài)變量。該系統(tǒng)在a=20，b=4，c=32時(shí)會(huì)產(chǎn)生混沌吸引子，此時(shí)該系統(tǒng)會(huì)呈超混沌狀態(tài)，產(chǎn)生3個(gè)Lyapunov指數(shù)，分別為LE1=2.887 3，LE2=-0.011 5，LE3=-18.904 9。

(5)

經(jīng)過計(jì)算和分析，該系統(tǒng)在a=20，b=8，c=32，d=3，e=5.7時(shí)，的3個(gè)Lyapunov指數(shù)為LE1=4.294 2，LE2=-0.006 2，LE3=-24.335 9，相比文獻(xiàn)[8]中提出的混沌系統(tǒng)，可以很明顯的看出改進(jìn)后的混沌系統(tǒng)的3個(gè)Lyapunov指數(shù)遠(yuǎn)大于文獻(xiàn)[8]的混沌系統(tǒng)Lyapunov指數(shù)，因此改進(jìn)后的混沌系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性比文獻(xiàn)[8]更復(fù)雜，比文獻(xiàn)[8]更適合用于大數(shù)據(jù)加密研究。

同樣的在式(5)的基礎(chǔ)上引入一個(gè)第四維的狀態(tài)變量w和一個(gè)控制參數(shù)d，然后將反饋控制項(xiàng)添加到式(5)的第一項(xiàng)中，能夠得到一個(gè)四維超混沌系統(tǒng)：

(6)

該系統(tǒng)在a=20，b=8，c=32，d=3，e=5.7時(shí)會(huì)產(chǎn)生超混沌吸引子，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算資源消耗上比文獻(xiàn)[8]的混沌系統(tǒng)更有優(yōu)勢(shì)。

3 改進(jìn)AES加密算法

S盒是AES算法的重要組成部分之一，而傳統(tǒng)的S盒迭代周期短，導(dǎo)致加密的安全性不高，存在被破解的可能，因此本研究對(duì)AES的S盒進(jìn)行改進(jìn)[9]。

3.1 S盒的結(jié)構(gòu)和原理

在AES算法中，S盒運(yùn)算是一種作用于狀態(tài)字節(jié)的可逆的非線性變換運(yùn)算，其定義為：

(7)

式(7)中，ai ,j-1為ai,j在GF(28)域中的乘法域：

(8)

因?yàn)橛嘘P(guān)運(yùn)算是在GF(28)域上進(jìn)行，所以運(yùn)算產(chǎn)生的計(jì)算結(jié)果也會(huì)在GF(28)域上，最終產(chǎn)生的S盒是由16×16個(gè)字節(jié)組成的矩陣，并且最終的結(jié)果具有非線性度，因?yàn)橛?jì)算的過程使用了乘法逆[10]。

3.2 改進(jìn)S盒方案

提高S盒的迭代周期方法有采用不同的仿射變換對(duì)、改變S盒的計(jì)算順序等方式[11]。因此本研究采用文獻(xiàn)[12]中的新仿射變換對(duì)(A7,6F)對(duì)傳統(tǒng)的S盒進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)的方法是采用新的仿射變換對(duì)(A7、6F)進(jìn)行兩次仿射變化，兩次變換之間要求乘法逆。

4 大數(shù)據(jù)加密算法設(shè)計(jì)

4.1 兩組超混沌加密方案

在設(shè)計(jì)混沌密碼的過程中，當(dāng)加密算法選擇的是連續(xù)時(shí)間混沌系統(tǒng)時(shí)，需要注意連續(xù)混沌序列離散化、密鑰參數(shù)選取對(duì)算法性能的影響[13]，除此之外，還要保證算法的安全性和實(shí)用性?；谝陨蟽?nèi)容，本研究的大數(shù)據(jù)加密方案如下：

(1)選取密鑰參數(shù)。選取密鑰參數(shù)的前提是混沌系統(tǒng)處于超混沌態(tài)，通過試驗(yàn)和計(jì)算系統(tǒng)達(dá)到超混沌系統(tǒng)時(shí)的參數(shù)，保持參數(shù)不變，選取的密鑰參數(shù)為上述兩個(gè)超混沌系統(tǒng)的8個(gè)初始值，這樣能夠保證算法具有足夠大的密鑰空間[14]。

(2)對(duì)混沌序列進(jìn)行預(yù)處理。第一步對(duì)混沌系統(tǒng)進(jìn)行離散化處理，本研究采用的是四階RungeKutta法，第二部舍棄迭代序列的前100個(gè)值，舍棄前100個(gè)值的原因是為了讓生成的混沌序列的隨機(jī)性高[15]，第三步對(duì)混沌序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，使得混沌序列能夠適應(yīng)于字節(jié)加密，計(jì)算方法為：

(9)

式(9)中，mod為模去余數(shù)運(yùn)算，i=1,2，??為向下取整運(yùn)算，px(i)(k)，py(i)(k)，pz(i)(k)，pw(i)(k)為經(jīng)過計(jì)算得到的8個(gè)混沌序列，它們的取值范圍為[0,256]。

(3)混淆處理。超混沌系統(tǒng)生成的狀態(tài)變量會(huì)存在一定的關(guān)聯(lián)性，在被攻擊時(shí)，這些關(guān)聯(lián)性會(huì)為攻擊者提供一定的信息，會(huì)提高被攻破的概率，為了提高算法的性能，減少被攻破的概率[16]，本研究對(duì)生成的兩組混沌序列進(jìn)行混淆處理，混淆處理的方法為：

(10)

式(10)中，⊕為異或運(yùn)算符號(hào)，pi(k),i=1,2,3,4為經(jīng)過運(yùn)算后得到的可以用于大數(shù)據(jù)加密的超混沌序列，最終得到的這些序列之間的關(guān)聯(lián)性全部被破壞，從而提高了算法的安全性[17]。

(4)分組加密。將步驟(3)中得到的4個(gè)序列對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，加密方法是將數(shù)據(jù)按字節(jié)分組，每4個(gè)字節(jié)為一組進(jìn)行加密，具體的加密過程為：

(11)

式(11)中，M為需要進(jìn)行加密處理的數(shù)據(jù)明文，C為經(jīng)過超混沌分組加密后得到的密文。加密方案如圖1所示。

圖1 超混沌系統(tǒng)加密方案

4.2 基于MapReduce的超混沌系統(tǒng)和改進(jìn)AES的混合加密算法

本研究的加密算法是在Hadoop大數(shù)據(jù)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的，采用Hadoop平臺(tái)中的MapReduce編程模塊對(duì)加密算法進(jìn)行編程，MapReduce由Map和Reduce兩個(gè)函數(shù)組成，其中Map函數(shù)負(fù)責(zé)將上述超混沌數(shù)據(jù)加密和改進(jìn)AES算法進(jìn)行融合[18]，Reduce函數(shù)負(fù)責(zé)在數(shù)據(jù)加密完成后的將所有的數(shù)據(jù)合并。具體步驟為：

(1)對(duì)大數(shù)據(jù)集進(jìn)行分片處理，將存儲(chǔ)在HDFS上的大數(shù)據(jù)集按照Hadoop2.0的默認(rèn)大小進(jìn)行分塊，每塊128 MB。

Output:

call farctional-hyperchaos-Ⅰ(KCHAOS)

call farctional-hyperchaos-Ⅱ(KCHAOS)

C(4(k-1)+1)=M(4(k-1)+1)⊕p1(k)

C(4(k-1)+2)=M(4(k-1)+2)⊕p2(k)

C(4(k-1)+3)=M(4(k-1)+3)⊕p3(k)

C(4(k-1)+4)=M(4(k-1)+4)⊕p4(k)

call AES-encrypt(KAES)

其中：KCHAOS為超混沌系統(tǒng)密鑰，KAES為改進(jìn)AES算法密鑰。

(4)數(shù)據(jù)合并完成后，會(huì)存儲(chǔ)在HDFS上，存儲(chǔ)完成后即完成整個(gè)加密過程。

同樣的解密算法的設(shè)計(jì)基本與加密算法相同，唯一不同的是解密算法中的Map函數(shù)進(jìn)行的是解密操作而不是加密，只有當(dāng)解密密鑰和加密密鑰完全匹配時(shí)，才會(huì)得到原始的明文數(shù)據(jù)，如果不能完全匹配，則不能得到明文數(shù)據(jù)[21]。因?yàn)椴捎昧司哂懈訌?fù)雜動(dòng)力學(xué)的超混沌系統(tǒng)和迭代周期長的AES算法，使得本研究的加密算法的安全性得到了很大的提高。

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

選擇在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用高性能計(jì)算機(jī)對(duì)本研究的算法進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算機(jī)的硬件配置CPU為，inter corei7-9700H，運(yùn)行內(nèi)存為3 200 MHz 8 G×2,硬盤大小為512 G固態(tài)。首先需要部署多個(gè)虛擬機(jī)，虛擬機(jī)的布置采用的是VMware workstation 12軟件，虛擬機(jī)的配置為單核CPU和1 GB的運(yùn)行內(nèi)存，然后再虛擬機(jī)上部署Hadoop大數(shù)據(jù)平臺(tái)，Hadoop的版本為2.7.3，算法的編程采用的是JAVA，JAVA版本為Jdk8，IDE的開發(fā)環(huán)境為Eclips3.8。試驗(yàn)所用的數(shù)據(jù)為大小為1 GB和2 GB的大數(shù)據(jù)集，采用Map對(duì)其進(jìn)行默認(rèn)分塊，每塊的大小為128 MB。

首先對(duì)本研究算法的密鑰長度進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證方法為對(duì)比驗(yàn)證，對(duì)比的對(duì)象為文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[8]中的加密算法，本研究的加密算法的密鑰長度為超混沌系統(tǒng)的長度和改進(jìn)AES算法長度之和，本研究將兩個(gè)超混沌系統(tǒng)的初始值作為超混沌系統(tǒng)密鑰參數(shù)，密鑰空間可以表示為：

KCHAOS∈{x1(0),y1(0),z1(0),w1(0),x2(0)y2(0),z2(0),w2(0)}

這里設(shè)置密鑰的精度為10-15，然后選取雙精度的密鑰參數(shù)，通過計(jì)算可以得到超混沌系統(tǒng)的密鑰長度為432 bit，在再加上改進(jìn)AES算法的256 bit，一共為688 bit。將本研究算法的密鑰長度與其他文獻(xiàn)算法的密鑰長度進(jìn)行對(duì)比，可以得到表1數(shù)據(jù)。

表1 密鑰長度對(duì)比

從表中數(shù)據(jù)可以看出，本文算法的密鑰長度明顯高于其他算法，密鑰長度能夠影響密文被破譯的難度，密鑰的長度越長，則被破譯的可能性就越低，算法的安全性就越高。

然后對(duì)本文算法的效率進(jìn)行驗(yàn)證，將本文算法中的超混沌加密方案和改進(jìn)AES算法的效率分別進(jìn)行驗(yàn)證，采用兩種算法對(duì)上述1 GB和2 GB大小的數(shù)據(jù)集分別進(jìn)行加密，逐步增加計(jì)算節(jié)點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)不同節(jié)點(diǎn)下的加密時(shí)間，可以得到圖2的加密時(shí)間對(duì)比圖。

圖2 加密時(shí)間對(duì)比圖

從圖2中可以看出，雖然本研究的算法計(jì)算時(shí)間略微高于AES算法，但是隨著計(jì)算節(jié)點(diǎn)的增加，本研究算法的計(jì)算效率顯著提高。

最后對(duì)算法密鑰的敏感性和統(tǒng)計(jì)性進(jìn)行分析，密鑰的敏感性決定算法的安全性，試驗(yàn)結(jié)果表明，只有當(dāng)密鑰完全匹配時(shí)，才會(huì)得到明文數(shù)據(jù)。當(dāng)密鑰的參數(shù)誤差為10-15時(shí)會(huì)產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，無法獲取明文數(shù)據(jù)，并且會(huì)生成跟明文數(shù)據(jù)具有較大差異的密文，此時(shí)的密鑰參數(shù)解密數(shù)據(jù)直方圖如圖3所示。

圖3 微小誤差下的密鑰參數(shù)解密數(shù)據(jù)直方圖

從圖中可以看出本研究算法的密鑰敏感性優(yōu)秀，在達(dá)到臨界值后能夠產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，使得破譯的難度增大。

加密前后的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)據(jù)值對(duì)比如圖4所示。

圖4 加密前后的文本數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖

從圖中可以看出，原始具有一定規(guī)律分布的明文數(shù)據(jù)經(jīng)過本研究算法的加密之后呈無相關(guān)性的隨機(jī)分布狀態(tài)。

綜上所述，本研究的大數(shù)據(jù)加密算法性能優(yōu)秀。

6 結(jié)束語

本研究將利用MapReduce將雙超混沌加密算法與改進(jìn)AES算法合并生成一個(gè)新的加密算法，通過試驗(yàn)證明了算法的可行性，并得出以下結(jié)論：

1)數(shù)據(jù)加密中密鑰的空間大小會(huì)影響加密算法的安全性，本研究將兩個(gè)三維混沌系統(tǒng)進(jìn)行改造生成了兩個(gè)四維混沌系統(tǒng)，提高了混動(dòng)加密方案的密鑰長度。

2)傳統(tǒng)的AES加密算法的迭代周期短，可能會(huì)存在被破譯的風(fēng)險(xiǎn)，本研究采用新的仿射變換對(duì)生成一個(gè)新的S盒序列，提高了AES算法的迭代周期。

3)混沌系統(tǒng)具有非常復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)特性，不僅能夠用于數(shù)據(jù)加密，還能用于其他類型文件的加密，系統(tǒng)的維數(shù)越高，動(dòng)力學(xué)特性越復(fù)雜，加密效果越好。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本研究的數(shù)據(jù)加密算法具有密鑰空間大、安全性能高，加密效率高等優(yōu)勢(shì)，在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全保護(hù)方面具有一定的研究價(jià)值，但是由于人為疏忽，難免會(huì)存在一些問題，在后續(xù)的研究中需要進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)和完善。