嵌入式異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)密文數(shù)據(jù)動態(tài)捕獲方法

李 波，聶增麗，暢君元

(1. 重慶工程學(xué)院，重慶 400056；2. 重慶郵電大學(xué)，重慶 400065)

1 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展與普及應(yīng)用，數(shù)據(jù)外包服務(wù)憑借低廉的價格、按需購買等諸多優(yōu)勢，被越來越多的用戶所關(guān)注與依賴，這除了使人們的生活形式得到了大幅度的改善，也引發(fā)了諸如數(shù)據(jù)機(jī)密性、完整性以及可用性等一系列的安全問題。其中，個人或者團(tuán)隊在管理隱私或者敏感數(shù)據(jù)方面會大量應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)[1]，所以需要將數(shù)據(jù)安全性作為至關(guān)重要的考慮指標(biāo)。對數(shù)據(jù)實施加密是確保數(shù)據(jù)機(jī)密性的一種有效手段，但當(dāng)密文[2]數(shù)據(jù)產(chǎn)生過多時，就無法繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)源的集成，使數(shù)據(jù)丟失原本屬性。

因此，為了實現(xiàn)異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)密文數(shù)據(jù)的集成增量與速率提升，本文提出一種嵌入式異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)密文數(shù)據(jù)動態(tài)捕獲方法。對數(shù)據(jù)時間信息實施尺度變換，獲取初始數(shù)據(jù)頻率信息，基于不同的初始數(shù)據(jù)獲得不同的小波系數(shù)，采用小波變化對其進(jìn)行重構(gòu)，隨后令物聯(lián)網(wǎng)簇數(shù)據(jù)分類滿足平方誤差和為最小值，利用映射函數(shù)轉(zhuǎn)換最小二乘支持向量機(jī)，并選取松弛變量代替其中的對應(yīng)指標(biāo)，實現(xiàn)帶約束極小值優(yōu)化問題的變換，通過拉格朗日乘函數(shù)的創(chuàng)建，提出對偶優(yōu)化問題，從而推導(dǎo)出其約束條件，采用核函數(shù)對最小二乘支持向量機(jī)的非線性回歸表達(dá)式進(jìn)行架構(gòu)，完成異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合與冗余濾除，依據(jù)對稱加密算法與公鑰加密算法，對物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，通過達(dá)成明文數(shù)據(jù)的混合加密得到密文數(shù)據(jù)，根據(jù)密文數(shù)據(jù)信號表達(dá)式，采用部分相干積累法強(qiáng)化數(shù)據(jù)信號能量，經(jīng)過歸一化處理對高斯白噪聲的分布情況進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)密文數(shù)據(jù)的動態(tài)捕獲。

2 嵌入式異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)密文數(shù)據(jù)生成

為了更好地實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)密文數(shù)據(jù)的動態(tài)捕獲，應(yīng)深入探析嵌入式異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)密文數(shù)據(jù)的形成過程。

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

采用小波變換[3]對嵌入式異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)的初始數(shù)據(jù)進(jìn)行平移變換處理，尺度變換數(shù)據(jù)時間信息，獲取初始數(shù)據(jù)頻率信息。假設(shè)物聯(lián)網(wǎng)初始數(shù)據(jù)s(t)中存在噪聲e(t)，兩者關(guān)系式如下所示

s(t)=f(t)+δe(t)

(1)

式中，高質(zhì)量數(shù)據(jù)表示為f(t)。

因為噪聲會干擾物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸，使可用數(shù)據(jù)被掩蓋，無法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而造成能耗與帶寬的浪費(fèi)，所以，要先完成初始數(shù)據(jù)的過濾處理。假定小波變換函數(shù)ψ(t)為平方可積函數(shù)，且符合下列不等式

(2)

采用下列積分方程式來表示小波變換

(3)

對于異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的小波變換去噪，通過變換初始數(shù)據(jù)獲得不同的小波系數(shù)，依據(jù)閾值對噪聲系數(shù)進(jìn)行去除，通過小波變換重構(gòu)留存的小波系數(shù)，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的降噪處理。

由于物聯(lián)網(wǎng)的簇[4]中傳感器距離較近，有很大可能性會出現(xiàn)對同一目標(biāo)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的情況，引發(fā)嚴(yán)重的簇中數(shù)據(jù)時間與空間冗余，所以，通過K-means算法來冗余濾除與融合簇中所含數(shù)據(jù)。

由物聯(lián)網(wǎng)簇中n個數(shù)據(jù)構(gòu)成的D={x1，x2，…，xn}樣本集合，如果令數(shù)據(jù)分類滿足平方誤差和為最小值，則得到類別集合C={C1，C2，…，Ck}，其中，k為類別個數(shù)，因此，利用下列公式對平方誤差和進(jìn)行界定

(4)

式中，第i個類別數(shù)據(jù)的平均矢量為μi，其界定公式如下所示

(5)

物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)融合通過最小二乘支持向量機(jī)[5]算法得以實現(xiàn)，若{(xi，yi)，i=1，2，…，n}數(shù)據(jù)集合中的xi為輸入，yi指代輸出，那么，采用映射函數(shù)φ(x)變換最小二乘支持向量機(jī)，下式即為得到的數(shù)學(xué)表達(dá)式

f(x)=wTφ(x)+b

(6)

式中，最小二乘支持向量機(jī)的權(quán)重矢量與偏置量分別為w、b。

(7)

優(yōu)化問題的約束條件如下所示

yi-wTφ(x)+b=ei

(8)

式中，最小二乘支持向量機(jī)輸出偏差為ei，正則化因子為γ。

利用拉格朗日[7]乘子αi對拉格朗日乘函數(shù)進(jìn)行創(chuàng)建，以簡化極小值優(yōu)化問題，使最小二乘支持向量機(jī)的學(xué)習(xí)效率得到提升，得出下列所示的對偶優(yōu)化問題

(9)

推導(dǎo)出對偶優(yōu)化問題的約束條件，如下所示

(10)

由于嵌入式異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)預(yù)處理存在非線性變化屬性，所以，采用核函數(shù)[8]對最小二乘支持向量機(jī)的非線性回歸表達(dá)式進(jìn)行架構(gòu)，分別如下所示

K(xi，xj)=φ(xi)Tφ(xj)

(11)

(12)

式中K(xi，xj)的界定公式如下所示

(13)

其中，核寬度表示為σ。

各簇頭均會融合自身簇中的數(shù)據(jù)，因傳感器接收到較多異構(gòu)數(shù)據(jù)，使異構(gòu)數(shù)據(jù)之間產(chǎn)生冗余，所以，在求取各簇頭數(shù)據(jù)的融合權(quán)重后，利用權(quán)重對物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

2.2 數(shù)據(jù)加密

采用混合加密算法對預(yù)處理后的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，生成嵌入式異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)密文數(shù)據(jù)?；旌霞用芩惴ㄖ袑ΨQ算法加密與解密的密鑰相同，各元素單元均由一個五元組集合所組成，通過下列表達(dá)式描述各元素單元

CS={M，C，K，e，d}

(14)

式中，明文數(shù)據(jù)集合為M，且M={m}；密文數(shù)據(jù)集合為C，且C={c}；密鑰[9]集合為K，且K={k}；指定的加密映射分別為e、d，e描述的是密鑰對明文數(shù)據(jù)實施加密生成密文數(shù)據(jù)的階段，d表示的則為密鑰對密文數(shù)據(jù)實施解密生成明文數(shù)據(jù)的階段。其中，密鑰k為加密與解密過程中的關(guān)鍵因素。

混合加密算法中公鑰加密法的元素單元組成與五元組對應(yīng)功能均相同于對稱加密法，唯一不同的便是密鑰集合e。對稱加密法的密鑰具有獨(dú)一性，可以加密與解密，獲知對象只有用戶自己，而公鑰加密法的加密公鑰ek則能夠被所有用戶獲知，解密私鑰dk與加密公鑰ek之間僅有對應(yīng)關(guān)系。

為了保證密文數(shù)據(jù)的安全性，分別利用對稱加密法與公鑰加密法，對明文數(shù)據(jù)實施混合加密，因為反向進(jìn)行加密操作就是解密過程，所以，密文數(shù)據(jù)的解密還需要使用算法生成的對應(yīng)私鑰才能得以實現(xiàn)。將兩種算法處理的密文進(jìn)行整合，得到最后的密文數(shù)據(jù)。

3 密文數(shù)據(jù)動態(tài)捕獲方法設(shè)計

3.1 快速傅里葉變換載波頻率估算方法

采用下列表達(dá)式對異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)密文數(shù)據(jù)的接收信號進(jìn)行描述

R(iTs)=AD(iTs-τ)C(iTs-τ)

*cos[2π(f0+fd)iTs+φ0]+n(i)

(15)

式中，輸入信號多普勒頻移表示為fd，載波中心頻率為f0，信號幅度表示成A，測控數(shù)據(jù)與偽碼調(diào)制分別是D(*)與C(*)，碼相位延遲表示為τ，初始載波相位為φ0，基于中頻帶寬的高斯噪聲是n。

I(k)=0.5AD(k)R(ρ(k))Sa[πTΔfd(k)]

(16)

Q(k)=0.5AD(k)R(ρ(k))Sa[πTΔfd(k)]

(17)

Δfd(k)=fd(k)-d(k)

(18)

(19)

(20)

T=nTs

(21)

密文數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換，應(yīng)滿足下列表達(dá)式

A′=0.5AR(ρ(k))*Sa[πTΔfd(k)]

(22)

根據(jù)上列表達(dá)式，轉(zhuǎn)換I、Q兩路密文數(shù)據(jù)信號為下列表達(dá)式

(23)

(24)

3.2 單點駐留時長與快速傅里葉點數(shù)選擇

通過局部相干積累法，相關(guān)接收碼與本地偽碼，最后實施累計，以使捕獲方法的處理增益有所提升。雖然相干積累能夠強(qiáng)化密文數(shù)據(jù)信號能量，但是也會同時引發(fā)多普勒失諧，也就是會導(dǎo)致累計的相關(guān)值隨著載波頻率偏移量的變大而減小，而且頻譜分析累計值同樣會在一定程度上降低峰值。

針對相干積累，依據(jù)積分累計時間的信號關(guān)系，積累信號能量，由于高斯噪聲在此期間并不存在相關(guān)性，所以，噪聲取值是0，無法進(jìn)行能量積累。因數(shù)據(jù)跳變將對能量積累產(chǎn)生影響，因此，采用非相干積累來進(jìn)行通信數(shù)據(jù)傳輸。非相干積累過程里，應(yīng)平方處理相干積分的I與Q兩路密文數(shù)據(jù)信號，從而完成線性計算。其中的平方運(yùn)算不僅增加了信號能量，也積累了噪聲能量，所以，平方損耗即為噪聲能量變大所產(chǎn)生的信噪比損耗。

假設(shè)相干積累值為I(k)和Q(k)，令A(yù)′與φ(k)分別滿足下列等式

A′=0.5AR(ρ(k))Sa[πTΔfd(k)]

(25)

φ(k)=Δfd(k)kT+φ0

(26)

就能夠推導(dǎo)得出下列相干積累值I(k)和Q(k)對應(yīng)的表達(dá)式：

(27)

(28)

歸一化處理所得密文數(shù)據(jù)信號，得出下列式(24)的改寫表達(dá)式

(29)

關(guān)于非相干積累，經(jīng)過變換的密文數(shù)據(jù)值表達(dá)式如下所示

(30)

式中，非相干積累次數(shù)表示為k。

通過上述流程的完成，即可對密文數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)捕獲。

4 仿真研究

4.1 仿真環(huán)境

仿真環(huán)境采用英特爾奔騰4.3GHz主頻處理器，運(yùn)行內(nèi)存為3GB，操作系統(tǒng)是centos2.6.18內(nèi)核Linux，控制芯片為英特爾82543型號，網(wǎng)卡的型號是Pro1000，網(wǎng)卡驅(qū)動程序是E1000型號。

物聯(lián)網(wǎng)仿真拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)拓?fù)涫疽鈭D

圖1(a)中的兩網(wǎng)卡用交叉線進(jìn)行直連，一個是接收端，一個是發(fā)送端；圖1(b)是一種帶有鏡像性能的千兆交換機(jī)，鏡像端口選取為捕獲密文數(shù)據(jù)包所用的端口，對剩余端口密文數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)聽，完成密文數(shù)據(jù)的捕獲實驗。

4.2 密文數(shù)據(jù)接收流量性能分析

為了驗證本文方法的精準(zhǔn)性與有效性，分別采用基于塊級的數(shù)據(jù)捕獲方法、倒排索引方法以及本文方法，對動態(tài)捕獲指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行獲取，整理得到下列接收流量統(tǒng)計表。

表1 密文數(shù)據(jù)接收流量統(tǒng)計表(單位Mbps)

當(dāng)密文數(shù)據(jù)規(guī)格為64 kB時，塊級方法的密文數(shù)據(jù)接收流量為298Mbps，倒排索引方法的密文數(shù)據(jù)接收流量為278Mbps，本文方法的密文數(shù)據(jù)接收流量為402Mbps。當(dāng)密文數(shù)據(jù)規(guī)格為1024kB時，塊級方法的密文數(shù)據(jù)接收流量為718Mbps，倒排索引方法的密文數(shù)據(jù)接收流量為701Mbps，本文方法的密文數(shù)據(jù)接收流量為827Mbps。綜合表中數(shù)據(jù)得出結(jié)論，本文方法的流量接收性能隨著密文數(shù)據(jù)的不斷增大而大幅度提升，且所接收的密文數(shù)據(jù)流量遠(yuǎn)高于塊級方法。

4.3 密文數(shù)據(jù)接收速率性能分析

表2為三種動態(tài)捕獲方法的接收速率指標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表。

表2 密文數(shù)據(jù)接收速率統(tǒng)計表(單位pps)

當(dāng)密文數(shù)據(jù)規(guī)格為64 kB時，塊級方法的密文數(shù)據(jù)接收速率為652095 pps，倒排索引方法的密文數(shù)據(jù)接收速率為632115 pps，本文方法的密文數(shù)據(jù)接收速率為674083 pps。

通過表中數(shù)據(jù)可以看出，兩方法均與數(shù)據(jù)規(guī)格成反比關(guān)系，但相對比塊級方法的接收速率，本文方法的速率更快，具有顯著的優(yōu)越性。

4.4 密文數(shù)據(jù)捕獲用時

為了驗證不同方法對密文數(shù)據(jù)的捕獲效率，統(tǒng)計采用塊級方法、倒排索引方法以及本文方法的數(shù)據(jù)捕獲用時，得到結(jié)果如所示。

圖2 不同方法下密文數(shù)據(jù)捕獲用時

分析圖2可知，對于數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)來說，不同方法的捕獲用時不同。當(dāng)數(shù)據(jù)量為100 bit時，塊級方法的密文數(shù)據(jù)捕獲用時為5s，倒排索引方法的密文數(shù)據(jù)捕獲用時為5s，本文方法的密文數(shù)據(jù)捕獲用時為0.3s。當(dāng)數(shù)據(jù)量為900 bit時，塊級方法的密文數(shù)據(jù)捕獲用時為29s，倒排索引方法的密文數(shù)據(jù)捕獲用時為32s，本文方法的密文數(shù)據(jù)捕獲用時為3.5s，本文方法密文數(shù)據(jù)捕獲用時明顯低于其它兩種方法。綜合整體結(jié)果可知，本文方法的數(shù)據(jù)捕獲用時一直較低，具有較大優(yōu)勢。

5 結(jié)論

本文提出一種嵌入式異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)密文數(shù)據(jù)動態(tài)捕獲方法。通過實驗可以得出以下結(jié)論：

1)當(dāng)密文數(shù)據(jù)規(guī)格為1024 kB時，本文方法的密文數(shù)據(jù)接收流量為827Mbps，說明本文方法的密文數(shù)據(jù)接收流量大。

2)當(dāng)密文數(shù)據(jù)規(guī)格為64 kB時，本文方法的密文數(shù)據(jù)接收速率為674083 pps，說明本文方法的密文數(shù)據(jù)接收速率快。

3)當(dāng)數(shù)據(jù)量為900 bit時，本文方法的密文數(shù)據(jù)捕獲用時僅為3.5s，密文數(shù)據(jù)捕獲效率較高。