輕量級物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)三維空間安全交換方法仿真

曲 藝

(北部灣大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，廣西 欽州 535000)

1 引言

如今物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為大家交換和共享信息的重要途徑，人們的生活也與互聯(lián)網(wǎng)緊密連接，所以，越來越多人使用現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)體系去連接物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，一它可以大幅度減少上層應(yīng)用的研究成本，二強(qiáng)化了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的通用性[1]。但目前從研究結(jié)果上來看，對于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用之間的數(shù)據(jù)通信與交換方式還不夠完善，存在許多格式差異問題，不利于交換到現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)體系當(dāng)中。

通過三維空間的拉伸與壓縮，實現(xiàn)輕量級[2]的數(shù)據(jù)交換，該方法無論在數(shù)據(jù)儲存量上，還是對人的認(rèn)識感知上都優(yōu)于二維空間，同時應(yīng)用監(jiān)測機(jī)制[3]，解決了在數(shù)據(jù)交換過程中的安全問題。該方法首先將二維網(wǎng)格拉伸算法轉(zhuǎn)換到三維空間，然后通過分割比對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，基于此數(shù)據(jù)存儲方法，能夠在拉伸操作中讓數(shù)據(jù)更新的時間變短，使復(fù)雜度降低，同時對大量級數(shù)據(jù)交換提出了一種局部多區(qū)域拉伸方法，有效縮短了數(shù)據(jù)交換時間[4]。大多數(shù)的三維空間交換方法是通過XML(eXtensible Markup language)壓縮來完成[5]，但在物聯(lián)網(wǎng)前端感知中一般采用低成本、高效率的嵌入式系統(tǒng)，計算方法、儲存量和網(wǎng)絡(luò)速度都會受到一定程度上的限制，并對交換的輕量性有較高要求[6]，其次，因為物聯(lián)網(wǎng)中使用的數(shù)據(jù)交換除了數(shù)據(jù)內(nèi)容自身，還包括了自描述的控制信息，會產(chǎn)生大量的信息冗余，從而延長了數(shù)據(jù)交換時間、提高了數(shù)據(jù)交換成本。綜上所述，XML操作的復(fù)雜性高且開銷大，對于低成本、儲存量受限的物聯(lián)網(wǎng)前段感知系統(tǒng)負(fù)擔(dān)過重，難以實現(xiàn)輕量級的壓縮方式。

為了解決這些問題，提出了一種物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)三維空間安全交換方法EasiDEF，經(jīng)過實驗結(jié)果證實EasiDEF比經(jīng)典方法提高了5～10倍的壓縮效果，能夠在物聯(lián)網(wǎng)的資源受限環(huán)境中支持輕量級數(shù)據(jù)交換。

2 數(shù)據(jù)交換的邏輯結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)交換邏輯結(jié)構(gòu)是指交換方法針對于制定格式穩(wěn)定的不同結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，進(jìn)行同一匹配、轉(zhuǎn)換、篩選、轉(zhuǎn)運和加載的處理結(jié)構(gòu)[7]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 交換結(jié)構(gòu)

由圖1可知，改交換結(jié)構(gòu)的特點是對數(shù)據(jù)交換約束能力較強(qiáng)，數(shù)據(jù)能夠預(yù)定義的跨域安全交換，具體的交換步驟如下所示：

步驟1：交換數(shù)據(jù)匹配過程。內(nèi)部空間數(shù)據(jù)預(yù)處理區(qū)中的交換匹配，是由制定的交換方法從系統(tǒng)中提取交換信息，然后將其轉(zhuǎn)換為相同格式進(jìn)行統(tǒng)一加密處理，最后放入緩沖區(qū)域內(nèi)。

步驟2：交換數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程。對發(fā)送節(jié)點上特定交換程序的完整性進(jìn)行檢驗，檢驗結(jié)束后關(guān)閉特定程序控制點，打開內(nèi)部空間處理區(qū)與交換主節(jié)點的特定程序，把數(shù)據(jù)從內(nèi)部空間中的緩沖區(qū)轉(zhuǎn)換到主節(jié)點的緩沖區(qū)中，處理完成后啟動特定程序控制點。

步驟3：交換數(shù)據(jù)篩選過程。利用數(shù)據(jù)交換程序的檢驗結(jié)果與交換方法對緩沖區(qū)中交換信息做篩選處理，再將制定處理后的交換篩選信息轉(zhuǎn)換到相匹配的接收緩沖區(qū)中。

步驟4：交換數(shù)據(jù)加載過程。對接收節(jié)點上的特定交換程序完整性進(jìn)行檢驗，檢驗完成后關(guān)閉特定程序控制點，打開特定程序，由信息交換轉(zhuǎn)換到公開數(shù)據(jù)處理區(qū)的交換緩沖區(qū)中，再將匹配區(qū)的交換傳輸?shù)较到y(tǒng)中。整個交換結(jié)構(gòu)都在制定的管控下運行。

3 輕量級物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)三維空間安全交換方法

物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)信息中重要的一部分，它是一種離散型數(shù)據(jù)[8]。本文數(shù)據(jù)的安全交換是在三維空間基礎(chǔ)上通過拉伸和壓縮完成，從三維空間中選取一個維度進(jìn)行拉伸，其它空間上的數(shù)據(jù)則被壓縮。針對數(shù)據(jù)交換的安全問題，提出一種監(jiān)控機(jī)制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的實時性以及安全性。

3.1 安全監(jiān)測機(jī)制

為了加強(qiáng)數(shù)據(jù)交換的安全型，在交換的初級階段與穩(wěn)定運行階段添加了監(jiān)測機(jī)制，為此設(shè)置一個獨立節(jié)點來安裝監(jiān)控，實時檢測交換內(nèi)容，并增加了入侵檢測規(guī)定[9]，一旦發(fā)現(xiàn)攻擊便直接給基站發(fā)送報警信息，以便進(jìn)行及時處理，流程如圖2所示。

圖2 監(jiān)測流程

由圖2可知，若產(chǎn)生報警信號，則直接進(jìn)入黑名單，此檢測流程下的數(shù)據(jù)交換更加具有保障性，其具體的內(nèi)容如下所示：

1)數(shù)據(jù)收集。數(shù)據(jù)收集階段所得到的信息都是復(fù)雜的，為了能夠有效完成后續(xù)的進(jìn)程，要對儲存前的信息進(jìn)行過濾，將過濾后得到的數(shù)據(jù)儲存起來，在限定時間內(nèi)或者內(nèi)存信息量過多時再刪除。

2)規(guī)定使用。規(guī)定使用階段是把儲存的數(shù)據(jù)用既定規(guī)定來檢驗，若信息沒有完成其中某條規(guī)定，則失效次數(shù)會加1。

3)入侵檢測。入侵檢測部分是通過系統(tǒng)中的統(tǒng)計分析技術(shù)，把統(tǒng)計后的失效數(shù)量和設(shè)定的失效閾值進(jìn)行對比，若失效的數(shù)量大于失效閾值，那么就算是一次入侵。所以，每當(dāng)發(fā)生異常行為的數(shù)量大于某個閾值時，監(jiān)測節(jié)點就判定其為攻擊行為。

4)發(fā)出報警信號。發(fā)出報警信號階段是監(jiān)測節(jié)點將報警信號發(fā)送給基站。

5)進(jìn)入黑名單。在所有過程結(jié)束后，每一個節(jié)點都會接收一份黑名單，自動標(biāo)記黑名單節(jié)點，若遇到次節(jié)點，發(fā)送信息就會被屏蔽。

3.2 三維空間數(shù)據(jù)交換

拉伸算法是建立在三維空間范圍內(nèi)的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法，三維體空間有六個面連接構(gòu)成，其中各有兩個面垂直于x軸、y軸和z軸，若要觀察密集空間內(nèi)的數(shù)據(jù)，需要拉伸對應(yīng)的六個面來組成這種空間，與x軸、y軸和z軸垂直的面被統(tǒng)一控制，如圖3所示。

圖3 三維空間平面分割比

若只移動一個面，則位于該平面的所有數(shù)據(jù)的位置都會發(fā)生變化，并需要對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，對于實際位置的數(shù)據(jù)儲存空間難以完成這種交換方法，但若是只針對一個平面去制定一個拉伸區(qū)域，則改變制定的位置就是局部的，降低了數(shù)據(jù)交換的復(fù)雜程度，該拉伸算法其公式如下所示。

首先對三維空間進(jìn)行分割，如式(1)所示：

xA=(x5-x3)×x4+x3=(0.78-0.45)×0.4+0.45

=0.582

(1)

(2)

則數(shù)據(jù)點在A上的坐標(biāo)為

xp=l*t+xs

yp=m*t+ys

zp=n*t+zs

(3)

其中

(4)

由此得到的拉伸距離為

(5)

三維空間的數(shù)據(jù)交換采用EasiDEF方法，它是在XML序列化的基礎(chǔ)上進(jìn)行輕量級物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換，通過壓縮方式減少了數(shù)據(jù)交換數(shù)量，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)在不同系統(tǒng)中數(shù)據(jù)交換的問題。

XML序列化的過程實際上就是將文件轉(zhuǎn)變?yōu)樽址?，主要是對文件進(jìn)行壓縮，減少冗余數(shù)據(jù)，其次是對字符串傳輸運行做處理，其主要核心是通過元素標(biāo)簽(Tag)來展現(xiàn)XML數(shù)據(jù)，包含了XML文件中的元素(Element)、屬性(Attribute)、文本(Text)。例如：“X”標(biāo)簽代表XML文件中的Element，“X4root”代表字符信息長度為4的元素“root”，“X4root”是一種完整性的標(biāo)簽組合，所以，在XML中所有的字符元素，都能夠在EasiDEF序列化的方式下用標(biāo)簽來代表。標(biāo)簽組合還包含了Tag數(shù)據(jù)長度(Length)與數(shù)據(jù)值(Value)，縮寫為TLV，由于在XML中元素一般會以“”為起始端和結(jié)束端，會導(dǎo)致有大量的冗余信息，但利用標(biāo)簽化[10]的這種方法能夠解決這種問題，有效縮短了數(shù)據(jù)的長度，并且數(shù)據(jù)不會出現(xiàn)重復(fù)的情況，大幅度減少了冗余信息，經(jīng)典方法在利用XML時，需要對每一個字符都進(jìn)行掃描，檢驗XML的元素與屬性名稱以及字符信息在某個位置結(jié)束，這樣的方法不僅浪費時間，而且不利于實際應(yīng)用。但XML的標(biāo)簽化方法，就解決了這一問，提高了操作的時效性。因為在EasiDEF中，可以提前觀測到文本信息的長度，根據(jù)文本信息的長度可判斷出交換數(shù)據(jù)的長度和需要支配空間的范圍，避免了像XML方法只能在掃描到結(jié)束字符時，才能夠知道交換數(shù)據(jù)的長度，所以EasiDEF方法的優(yōu)點在于有一定的預(yù)判能力，可提前處理數(shù)據(jù)所需要的系統(tǒng)資源[11]。

EasiDEF是由頭部(EasiDEF Header)和主體(EasiDEF Body)構(gòu)成，EasiDEF頭部包含了識別EasiDEF的差別標(biāo)識位(Distinguishing Flag)、頭部長度(Lengh)、版本號(Version)，EasiDEF的主體是由連續(xù)的標(biāo)簽組合構(gòu)成，標(biāo)簽“Z”是所有EasiDEF完成的標(biāo)志，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 壓縮結(jié)構(gòu)圖

在EasiDEF頭部布局中，差別標(biāo)志位占有兩個節(jié)點；頭部的長度代表接下來版本和編碼控制數(shù)據(jù)所占具的節(jié)點數(shù)，用一個取值為5的節(jié)點表示；EasiDEF版本取值VL0，版本號為數(shù)字1，占用了一個節(jié)點，而EasiDEF的主體則是由多種XML方式組建的標(biāo)簽組合構(gòu)成，最后以字符“Z”完成，EasiDEF中ASCII碼字符代表數(shù)字，但事實上EasiDEF中使用的是二進(jìn)制字符。EasiDEF的標(biāo)簽式方法使系統(tǒng)不需要逐個對數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描，標(biāo)識XML的結(jié)束字符。使用該方法不僅降低了數(shù)據(jù)交換過程中的信息冗余、壓縮數(shù)據(jù)長度，還縮短了操作時間，比經(jīng)典的操作方法更簡便，同時避免了占據(jù)系統(tǒng)內(nèi)大面積內(nèi)存，因此三維空間壓縮方法有利于輕量級物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換的實際操作[12]。

4 仿真結(jié)果

4.1 安全性分析

為檢驗該方法監(jiān)測機(jī)制的實時性，對數(shù)據(jù)交換的實驗過程進(jìn)行安全性分析，情況如表1所示。所受攻擊情況以能量消耗方式來體現(xiàn)，每次交換中初級階段和穩(wěn)定階段分別考慮。通過安裝監(jiān)控節(jié)點和普通節(jié)點的對比分析得出最終結(jié)果。

表1 不同節(jié)點的監(jiān)控效果(μJ)

由表1可以看出，安裝監(jiān)控節(jié)點對整個數(shù)據(jù)交換能量耗散的影響在可接受的范圍內(nèi)，說明此方法實現(xiàn)了數(shù)據(jù)交換的安全性。

4.2 時效性分析

為了驗證三維空間數(shù)據(jù)交換方法的實際效果，分析其時效性，構(gòu)建三維空間算法框架，如圖5所示。

圖5 三維空間算法框架

如圖5所示是對一個數(shù)據(jù)集的實例描述，詳細(xì)地說明了分割比和位置變換的過程，其中數(shù)據(jù)集k=2，子集n=6，更新的數(shù)據(jù)集q=4，A和E表示移動的分割面，D和B分別表示A和E的負(fù)節(jié)點，過程如下所示：

1)實驗中k=2，n=6，q=4，首先先移動兩個面：將面A從0.1的位置移動到0.3的位置，再讓面E從0.6的位置移動到0.9的位置；

2)所有遞歸函數(shù)從節(jié)點D開始，經(jīng)過A，D和E，節(jié)點D要穩(wěn)定在移動面A和E之間，其相對位置保持不變。

3)遞歸左子集，由上文所述公式，可以算出B的新位置與分割比。

4)則A的位置就不用通過計算得出，因為已經(jīng)在移動間給出位置為0.3。

5)同樣E也不需要。

6)由于C、F兩個面在最終顯示時，分割比值沒有改變，所以無需計算其新位置。

7)實驗最終結(jié)果顯示，僅更新了q=4個數(shù)據(jù)，且分割比都已經(jīng)被求出，剩下的分割比值都未改變。

若對大批量的數(shù)據(jù)進(jìn)行移動，會浪費很多時間，該算法有利于局部的變換，即確定某一范圍，該范圍的邊界為0和1，計算出該范圍的分割比，通過分割比來儲存這些數(shù)據(jù)，由此不用再計算其它范圍的數(shù)據(jù)，減少了計算量，使數(shù)據(jù)交換的時效性有所提高。根據(jù)對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中經(jīng)典XML數(shù)據(jù)交換的操作，通過GZIP、EXI和EasiDEF方法，對XML原數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，從而對比出三種方法的壓縮率和處理速度。

如圖6所示，對比壓縮率效果，GZIP、EXI和EasiDEF雖然都顯示出對XML原數(shù)據(jù)產(chǎn)生壓縮效果，但壓縮效果最好的是EasiDEF，其壓縮率在20.01%～54.93%，EXI的壓縮率在36.46%～62.23%，GZIP的壓縮率在35.41%～69.74%，從結(jié)果可看出，EXI和EasiDEF的壓縮范圍比較接近，對比GZIP有30%的提升空間。強(qiáng)化壓縮效果有利于減少數(shù)據(jù)交換的傳輸量，但還要保證壓縮的處理速率，如圖7所示，同樣是對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中經(jīng)典XML數(shù)據(jù)交換速度進(jìn)行分析，實驗中以GZIP為參照物，對EXI和EasiDEF做歸一化處理，并通過處理速度(TPS)來對比壓縮所用時間，當(dāng)EasiDEF的交換處理速度為200%時，代表交換處理速度為GZIP的2倍，也就是說在處理相同數(shù)據(jù)時，EasiDEF所用時間是GZIP的一半，從圖7可以看出，EXI和EasiDEF的交換速率要高出GZIP的250%，EasiDEF的交換速率比EXI高出10%。由此可以看出該方法實現(xiàn)了對輕量級數(shù)據(jù)三維空間安全交換的實用性與時效性。

圖6 壓縮率對比

圖7 交換速度對比

5 結(jié)束語

為了實現(xiàn)輕量級物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)三維空間安全交換方法，提出如下解決方法：首先在確保安全條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，本文提出一種三維空間數(shù)據(jù)拉伸算法，同時采用了一種新的分割比數(shù)據(jù)存儲方式，降低了計算的復(fù)雜度，并且支持局部的變換與多區(qū)域拉伸。最后利用EasiDEF壓縮方法法，在保證協(xié)議低開銷的前提下，能夠大幅度降低交換時間和數(shù)據(jù)傳輸量，實現(xiàn)了對輕量級數(shù)據(jù)三維空間安全交換的實用性和時效性，有利于輕量級數(shù)據(jù)三維空間安全交換的實際應(yīng)用。本文設(shè)計和研究的三維空間數(shù)據(jù)拉伸算法的創(chuàng)新點是給出數(shù)據(jù)預(yù)定義的跨域安全交換的具體的步驟。對于未來的研究中，可以就輕量級物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)三維空間安全交換的智能硬件和無線通信等方面進(jìn)行更加深入的研究。