數(shù)據(jù)加密技術(shù)在大數(shù)據(jù)安全防護中的應(yīng)用研究

摘 要：隨著大數(shù)據(jù)時代的來臨，數(shù)據(jù)量的激增一方面帶來了信息處理與分析的便利，但另一方面也帶來了前所未有的數(shù)據(jù)安全挑戰(zhàn)，即如何在確保數(shù)據(jù)利用效率的同時保障數(shù)據(jù)傳輸和存儲過程中的安全性和隱私性。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)保護機制在面對大規(guī)模數(shù)據(jù)處理需求時難以滿足效率和安全性的雙重要求，在此背景下，數(shù)據(jù)加密技術(shù)的應(yīng)用至關(guān)重要。本文將從數(shù)據(jù)加密技術(shù)的基本原理出發(fā)，分析數(shù)據(jù)加密技術(shù)在大數(shù)據(jù)安全防護中的應(yīng)用及其面臨的挑戰(zhàn)并探索優(yōu)化策略，以期能夠為大數(shù)據(jù)安全領(lǐng)域提供切實可行的加密技術(shù)應(yīng)用方案，從而增強數(shù)據(jù)安全防護的有效性。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)加密技術(shù)；大數(shù)據(jù)安全；加密算法；安全與效率

在信息化快速發(fā)展的今天，大數(shù)據(jù)已成為支撐現(xiàn)代社會經(jīng)濟發(fā)展的重要資源。然而，隨著數(shù)據(jù)量的急劇膨脹和應(yīng)用范圍的不斷拓展，數(shù)據(jù)安全問題日益突顯，數(shù)據(jù)加密技術(shù)作為保護數(shù)據(jù)安全的重要手段，能有效防止數(shù)據(jù)在傳輸和存儲過程中被未授權(quán)訪問或惡意篡改。在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，數(shù)據(jù)的多樣性和處理的復(fù)雜性要求加密技術(shù)不僅要保持高強度的安全性，還要具備高效的處理能力和良好的適應(yīng)性?；诖耍剿鬟m用于大數(shù)據(jù)環(huán)境的高效、可靠的數(shù)據(jù)加密方法具有重要意義。本文通過深入分析數(shù)據(jù)加密技術(shù)在大數(shù)據(jù)安全中的應(yīng)用現(xiàn)狀和面臨的挑戰(zhàn)，提出針對性的優(yōu)化策略和應(yīng)用方案，旨在提高數(shù)據(jù)加密技術(shù)的適用性和效率，從而應(yīng)對大數(shù)據(jù)環(huán)境下的安全需求。通過對這一領(lǐng)域的深入探討，期望能夠為有效提升數(shù)據(jù)處理的安全性和隱私保護水平以及促進大數(shù)據(jù)技術(shù)的健康發(fā)展和廣泛應(yīng)用提供新的思路。

1 數(shù)據(jù)加密技術(shù)概述

1.1 數(shù)據(jù)加密的基本原理

數(shù)據(jù)加密技術(shù)是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成只有授權(quán)用戶才能解讀的形式，從而有效阻止了、數(shù)據(jù)在傳輸與存儲過程中遭到未授權(quán)訪問和篡改。加密算法是數(shù)據(jù)加密技術(shù)的基石，加密算法按照操作方式可分為對稱加密和非對稱加密兩大類。對稱加密算法以相同的密鑰進行數(shù)據(jù)的加密與解密，適用于大量數(shù)據(jù)的快速加密，常見的對稱加密算法包括數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)（DES）、高級加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）等，其中AES由于其較高的安全性與良好的處理速度，在國際上得到廣泛應(yīng)用。非對稱加密算法則采用一對密鑰——公鑰和私鑰，其中，公鑰負責(zé)加密，私鑰負責(zé)解密［1］。非對稱加密的典型代表是RSA算法，該算法基于一個難以因數(shù)分解的大數(shù)乘積，確保了其抵抗所有已知類型的直接攻擊。密鑰管理系統(tǒng)是實施數(shù)據(jù)加密的另一關(guān)鍵組成部分，有效的密鑰管理既要能夠確保密鑰在使用過程中的安全性，還要能維護密鑰的生成、分發(fā)、存儲、使用以及銷毀。

1.2 數(shù)據(jù)加密技術(shù)的應(yīng)用場景

在網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域，數(shù)據(jù)加密技術(shù)用于保證互聯(lián)網(wǎng)通信中數(shù)據(jù)的機密性和完整性，以防止數(shù)據(jù)在傳輸過程中被竊聽或篡改。具體而言，使用HTTPS協(xié)議的網(wǎng)站將通信數(shù)據(jù)進行加密可使用戶在輸入敏感信息，如密碼、信用卡號等時，即便數(shù)據(jù)傳輸過程被攔截，信息也因為加密而無法被讀??；同時，企業(yè)在內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中部署虛擬私人網(wǎng)絡(luò)（VPN）技術(shù)時也需要應(yīng)用強大的加密協(xié)議來保障數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全性。在金融交易安全領(lǐng)域，數(shù)據(jù)加密不僅保護交易雙方的資金安全，還需要保證交易信息在整個交易過程中不被截獲或篡改。以電子支付和在線銀行為例，加密技術(shù)確保用戶的支付信息在提交過程中對外界隱藏，極大減少了違法行為的風(fēng)險；而金融機構(gòu)在處理大額轉(zhuǎn)賬時使用傳輸層安全性協(xié)議（TLS）此類高度復(fù)雜的加密協(xié)議能夠確保資金在賬戶間轉(zhuǎn)移時的隱私性和安全性。在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要在不安全的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進行通信，加密技術(shù)保證了這些設(shè)備發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)不被外界篡改或竊取。比如，在智能家居系統(tǒng)中，如智能門鎖、安防攝像頭等設(shè)備的數(shù)據(jù)通過加密技術(shù)進行保護，確保只有授權(quán)用戶可以訪問這些設(shè)備。

2 數(shù)據(jù)加密在大數(shù)據(jù)安全中的應(yīng)用

2.1 大數(shù)據(jù)存儲安全加密

針對大數(shù)據(jù)的存儲加密，需要選擇一種既能提供高級保護又能有效應(yīng)對海量數(shù)據(jù)處理需求的加密算法，如高級加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）。AES算法在執(zhí)行時采用塊鏈加密模式，能夠針對每個數(shù)據(jù)塊進行獨立加密，使得整個數(shù)據(jù)集在存儲過程中保持高度的機密性和完整性。在處理大數(shù)據(jù)時，AES展現(xiàn)了處理效率和可靠性方面的優(yōu)勢，因此成為維護數(shù)據(jù)安全的強有力工具。而在大數(shù)據(jù)環(huán)境中，密鑰管理的有效性則直接影響到加密措施的成?。?］。在這一方面，許多組織采用了密鑰生命周期管理系統(tǒng)（KMS）來自動化管理密鑰的分發(fā)和更新，從而減少人為干預(yù)的風(fēng)險。這種方法大大提高了密鑰的安全性，保障了數(shù)據(jù)在任何時點的安全。

2.2 大數(shù)據(jù)傳輸安全加密

當(dāng)前，傳輸層安全協(xié)議（TLS）和安全套接字層（SSL）是保護網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)某Ｓ脜f(xié)議，這些協(xié)議運用非對稱加密技術(shù)為通信雙方創(chuàng)建安全的連接，并采用對稱加密方式加密整個數(shù)據(jù)傳輸過程。其中，非對稱加密用于安全地交換對稱密鑰，而對稱密鑰則用于數(shù)據(jù)流的加密，從而確保了數(shù)據(jù)在公共網(wǎng)絡(luò)中傳輸過程的安全，即便數(shù)據(jù)傳輸被攔截，未授權(quán)者也無法解讀加密數(shù)據(jù)。而對于大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸，特別是在云計算和分布式系統(tǒng)中，加密和解密操作必須足夠快速才能滿足大量數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)男枨?。此時，通常會使用專門的加密處理器來顯著提高數(shù)據(jù)加密的處理速度；并且為了提高大數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，還會設(shè)計復(fù)雜的密鑰管理系統(tǒng)來保護傳輸過程中的密鑰安全，防止密鑰在使用或存儲過程中被泄露。

2.3 用戶訪問控制加密

用戶訪問控制的核心任務(wù)是驗證和授權(quán)用戶對系統(tǒng)資源的訪問權(quán)限，數(shù)據(jù)加密在這一過程中發(fā)揮了重要作用。通常情況下，系統(tǒng)會對存儲的用戶憑證進行加密處理來保護這些敏感信息。使用高級加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）這類先進的加密標(biāo)準(zhǔn)能夠為用戶憑證提供強有力的保護，使得數(shù)據(jù)即使被非法訪問，未經(jīng)授權(quán)的第三方也無法解讀這些加密信息。與此同時，加密技術(shù)還廣泛應(yīng)用于傳輸過程中的用戶驗證信息，從而防止了敏感信息在傳輸過程中被截取和篡改。除了傳統(tǒng)的用戶名和密碼驗證外，數(shù)據(jù)加密技術(shù)還在多因素認證中發(fā)揮了不可忽視的作用。多因素認證結(jié)合了用戶知道的信息（如密碼）、用戶擁有的物件（如智能卡、安全令牌）、用戶的生物特征等多個維度，形成了更為復(fù)雜和安全的訪問控制機制。在這種機制下，數(shù)據(jù)加密既可用于密碼等傳統(tǒng)憑證的保護，還可為生物特征數(shù)據(jù)如指紋和虹膜信息的加密處理提供支持［3］；加密技術(shù)還能保護安全令牌和智能卡中信息的完整性與機密性，保證只有真正的用戶可以利用這些身份驗證工具訪問系統(tǒng)。

3 大數(shù)據(jù)環(huán)境中的加密技術(shù)挑戰(zhàn)

3.1 大數(shù)據(jù)規(guī)模的處理能力問題

大數(shù)據(jù)的特點是其數(shù)據(jù)量巨大、種類繁多且變化迅速，這要求加密技術(shù)必須具備高效處理大規(guī)模數(shù)據(jù)的能力。然而，數(shù)據(jù)加密過程中需要執(zhí)行數(shù)據(jù)的分割、各種密鑰的應(yīng)用及多輪的加密操作等計算密集型的任務(wù)，加密和解密操作會消耗大量的計算資源，從而導(dǎo)致處理速度下降，影響數(shù)據(jù)分析和處理的實時性。此外，盡管加密算法的復(fù)雜性可以增強安全性，但也加劇了處理能力的不足。對于大數(shù)據(jù)而言，不僅需要保證數(shù)據(jù)的安全，還要保證數(shù)據(jù)處理的高效性，然而高強度的加密算法需要更多的處理時間和更高的計算能力；并且大數(shù)據(jù)的多樣性和不斷變化的特點也要求加密技術(shù)能夠適應(yīng)各種數(shù)據(jù)類型和結(jié)構(gòu)，這要求算法必須能夠在不增加過多處理負擔(dān)的前提下適應(yīng)不同數(shù)據(jù)的安全需求，這在技術(shù)實現(xiàn)上是一大挑戰(zhàn)。

3.2 加密算法的適應(yīng)性問題

現(xiàn)有的加密算法設(shè)計時多考慮的是文本數(shù)據(jù)、交易數(shù)據(jù)此類特定類型的數(shù)據(jù)加密，然而在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，數(shù)據(jù)來源于社交媒體、傳感器、移動設(shè)備等多個渠道，涵蓋了文本、圖像、視頻、音頻等多種格式，這些數(shù)據(jù)類型在加密需求和加密后的處理上有著根本的不同。具體而言，對于流媒體數(shù)據(jù)而言，加密算法需能夠?qū)崟r處理大量的數(shù)據(jù)流而不影響數(shù)據(jù)流的傳輸效率。對于結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，則需要考慮如何在不破壞數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的前提下實現(xiàn)加密［4］。一方面，要求加密算法不僅要安全，還要有足夠的靈活性。另一方面，大數(shù)據(jù)的實時性要求也對加密算法的適應(yīng)性提出了挑戰(zhàn)。在金融服務(wù)和移動應(yīng)用中，加密算法在保障數(shù)據(jù)安全的同時還需要確保數(shù)據(jù)處理的延遲最小化，且隨著技術(shù)的發(fā)展和新的數(shù)據(jù)處理需求的不斷出現(xiàn)，加密算法也需要不斷地更新和優(yōu)化才能夠適應(yīng)新的安全威脅和業(yè)務(wù)需求，這對算法的設(shè)計和實現(xiàn)提出了持續(xù)的挑戰(zhàn)。

3.3 安全與效率的平衡問題

數(shù)據(jù)加密過程包括了生成密鑰、應(yīng)用加密算法對數(shù)據(jù)進行加密和解密等，這些步驟均需消耗計算資源。大數(shù)據(jù)環(huán)境中，數(shù)據(jù)量龐大、加密需求龐大，尤其是在需要實時處理的應(yīng)用中，加密操作會導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理延遲，從而影響用戶體驗和業(yè)務(wù)效率?；诖?，安全性和效率的矛盾成為必須面對的重大問題，要求加密技術(shù)不僅要能夠保護數(shù)據(jù)隱私和完整性，同時還要能在不增加過多負擔(dān)的前提下快速高效地處理大量數(shù)據(jù)。此外，安全與效率的平衡還涉及加密技術(shù)與大數(shù)據(jù)處理架構(gòu)的整合問題。大數(shù)據(jù)技術(shù)如Hadoop和Spark等分布式處理框架有優(yōu)化數(shù)據(jù)處理速度和處理大規(guī)模數(shù)據(jù)集的能力，但當(dāng)引入數(shù)據(jù)加密措施時，這些框架的處理效率就會受到影響。分布式計算環(huán)境中的數(shù)據(jù)節(jié)點間頻繁的數(shù)據(jù)傳輸，如果每次傳輸都進行嚴(yán)格的數(shù)據(jù)加密，那么將顯著增加通信延遲，從而影響整個數(shù)據(jù)處理流程的時效性；并且不同類型的數(shù)據(jù)和不同的業(yè)務(wù)場景需要不同強度和形式的加密措施，因此，如何在不犧牲安全性的前提下調(diào)整和優(yōu)化加密方案以更好地適應(yīng)不同場景的效率要求就成為技術(shù)實現(xiàn)上的一大挑戰(zhàn)。

4 大數(shù)據(jù)環(huán)境中加密技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)化策略

4.1 提升處理大規(guī)模數(shù)據(jù)的能力

針對加密算法，需要改良傳統(tǒng)方法以適應(yīng)大數(shù)據(jù)的特性，提升效率。具體來說，在算法優(yōu)化方面應(yīng)著重發(fā)展并行加密技術(shù)，使算法能夠利用現(xiàn)代多核處理器或分布式計算平臺的強大處理能力。并行處理技術(shù)可支持系統(tǒng)同時對多個數(shù)據(jù)塊進行加密操作，從而大幅度提升數(shù)據(jù)處理速度；針對特定類型的數(shù)據(jù)，則要開發(fā)專用的輕量級加密算法這些算法的應(yīng)用能夠簡化加密和解密的過程，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)處理［5］。在優(yōu)化數(shù)據(jù)處理架構(gòu)方面，應(yīng)在數(shù)據(jù)中心或云基礎(chǔ)設(shè)施中部署具有硬件加速功能的加密處理器，如現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）或應(yīng)用特定集成電路，這類硬件專門為執(zhí)行復(fù)雜的加密算法而設(shè)計，能夠利用硬件的并行處理能力顯著提高數(shù)據(jù)通過率和降低響應(yīng)時間。在此基礎(chǔ)上，也可以應(yīng)用智能調(diào)度系統(tǒng)動態(tài)地在多個處理節(jié)點之間分配加密任務(wù)以確保各節(jié)點工作負載均衡，以此來達到優(yōu)化整體的處理效率和速度的目的。

4.2 加強對多樣化數(shù)據(jù)的適應(yīng)性

首先，需要開發(fā)可根據(jù)數(shù)據(jù)類型動態(tài)調(diào)整的加密算法以識別和分析輸入數(shù)據(jù)的大小、格式和敏感性等，并根據(jù)這些屬性自動選擇最適合的加密方法。其次，對于結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)如數(shù)據(jù)庫內(nèi)容，可采用列級或字段級的加密方式保護敏感信息，而對于文本、視頻此類非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)則需要采用全文件加密以確保整體數(shù)據(jù)的安全性。再次，用戶應(yīng)當(dāng)能夠根據(jù)安全需求和性能目標(biāo)自定義加密規(guī)則和參數(shù)，從而在保障數(shù)據(jù)安全的同時優(yōu)化處理效率。加強數(shù)據(jù)加密技術(shù)對多樣化數(shù)據(jù)的適應(yīng)性還需改善和擴展密鑰管理系統(tǒng)，以支持復(fù)雜的加密環(huán)境。密鑰管理系統(tǒng)應(yīng)能夠自動化地處理密鑰的生成、分發(fā)、輪換和撤銷，確保密鑰在整個數(shù)據(jù)生命周期中的安全性。最后，對于大規(guī)模和分布式的數(shù)據(jù)存儲環(huán)境，密鑰管理還應(yīng)具備高度的可擴展性和容錯能力，能夠在多個數(shù)據(jù)中心或云環(huán)境中高效運作，從而更好地滿足需求。

4.3 優(yōu)化安全與效率的平衡

優(yōu)化大數(shù)據(jù)環(huán)境中實現(xiàn)安全與效率的平衡首先需要引入分層加密技術(shù)，根據(jù)數(shù)據(jù)的敏感性和使用場景靈活選擇加密強度。對于高度敏感的數(shù)據(jù)，可使用更強的加密算法和密鑰長度以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的機密性和安全性；而對于較低敏感度的非核心數(shù)據(jù)，應(yīng)選擇輕量級的加密方法減輕計算和處理的負擔(dān)。通過對不同安全等級的數(shù)據(jù)采取差異化的加密策略，既可以降低加密技術(shù)對系統(tǒng)資源的消耗，還能確保高安全性需求的數(shù)據(jù)不受到效率優(yōu)化的影響。實施細粒度的數(shù)據(jù)加密策略也是優(yōu)化安全與效率平衡的有效方法。在大數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，不是所有數(shù)據(jù)都具有同等的安全風(fēng)險和業(yè)務(wù)價值，因此采用細粒度加密可對不同類型的數(shù)據(jù)實施不同級別的保護［6］。這種方法可支持系統(tǒng)對敏感數(shù)據(jù)進行全面加密，而對較不敏感的信息采用較低級別的加密或不加密，這樣既能確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)安全，同時又能有效減輕整體系統(tǒng)的處理負擔(dān)。這些策略不僅可以靈活應(yīng)對各種數(shù)據(jù)安全需求，還能有效管理加密帶來的性能開銷。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷發(fā)展，對數(shù)據(jù)加密的需求將更為迫切，因此加強數(shù)據(jù)加密技術(shù)的研究與應(yīng)用對于推動大數(shù)據(jù)安全領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。

結(jié)語

綜上所述，數(shù)據(jù)加密技術(shù)是保障大數(shù)據(jù)安全的重要手段，采用分層加密機制、硬件加速技術(shù)以及根據(jù)數(shù)據(jù)敏感性調(diào)整加密強度等能夠顯著提高加密技術(shù)在大數(shù)據(jù)環(huán)境中的效率和適應(yīng)性。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷發(fā)展，對數(shù)據(jù)加密的需求將更為迫切，其技術(shù)和應(yīng)用的進步將直接影響到大數(shù)據(jù)安全管理的效果。因此，未來需要進一步加強數(shù)據(jù)加密技術(shù)的研究與應(yīng)用，從而推動大數(shù)據(jù)安全領(lǐng)域的發(fā)展。

參考文獻：

［1］崔馨月.基于大數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)安全防護系統(tǒng)研究［J］.網(wǎng)絡(luò)空間安全，2024，15（04）：248251.

［2］吳宇，陳丹偉.基于區(qū)塊鏈與代理重加密的數(shù)據(jù)安全共享技術(shù)研究［J］.信息安全研究，2024，10（08）：719728.

［3］白玉芹.大數(shù)據(jù)與計算機網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)的運用策略分析［J］.電子技術(shù)，2024，53（07）：134135.

［4］曲峰.互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下計算機網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全加密技術(shù)分析［J］.電子元器件與信息技術(shù)，2024，8（07）：143145.

［5］羅小剛，譚江匯，周亮.數(shù)據(jù)加密技術(shù)在計算機網(wǎng)絡(luò)安全中的應(yīng)用研究［J］.中國新通信，2023，25（16）：123125.

［6］曾慶幸.探究大數(shù)據(jù)時代下信息安全問題現(xiàn)狀及相應(yīng)對策［J］.科技風(fēng)，2023（16）：6062.

課題項目：2024年度陜西省陜西服裝工程學(xué)院校級特色本科課程項目“大數(shù)據(jù)安全技術(shù)”（2024TSKC037）

作者簡介：王瑤（1996— ），女，漢族，陜西榆林人，碩士研究生，助教，研究方向：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。