基于密钥矩阵的科技创新数据加密共享系统设计

李林，孙延黎，彭放，郭金婷，柳玉兰

（国能大渡河流域水电开发有限公司，四川成都 610095）

密钥矩阵是通信双方必须遵循的信息秘密编码约定，由于数据转码与译码模板极为复杂，所以很难被第三方平台破解。作为一种新型数据信息编码形式，密钥矩阵原则下的所有文本参量都只能保持矩阵状的存在状态。一般情况下，数据的主动输出方对信息参量采取间断式编码的处理方式，当这些信息参量到达核心运转主机后，过渡平台会对剩余未编码信息进行二次编码[1-2]。对于数据被动接收方而言，为准确破解传输数据中的信息文本，必须同时具备两种或两种以上的解码模板，并可根据信息参量的传输情况进行自主转换。

科技创新数据是指具有较强传输能力的科技型互联网数据信息参量，能够从主动通信方自发反馈至被动通信方，且在此过程中，数据信息的传输能力不会发生任何改变。基于CPU/GPU 异构平台的加密共享系统利用RSA 非对称算法，对科技创新数据进行编码处理，再根据访问目录、操作文件之间的连接关系，将待传输的数据信息参量存储至既定的文本空间内[3]。然而此系统对于科技创新数据的转换能力有限，易导致信息参量在加密与共享过程中出现明显的堆积行为。为解决此问题，引入密钥矩阵，并以此为基础，设计一种新型科技创新数据加密共享系统。

1 系统硬件设计

科技创新数据加密共享系统的硬件执行环境由密钥管理模块、文件加密模块、安全共享模块三部分组成，具体设计过程如下。

1.1 密钥管理模块

密钥管理模块是科技创新数据加密共享系统的核心组成结构，可根据信息参量的传输行为，更改密钥模板的编码形式，从而使信息文本在密钥矩阵中呈现相对稳定的存在状态。整个模块内生成的密钥模板大体上可分为如下几类。

1）平台身份类密钥：具备EK、PIK、PEK 三种编码形式。其中，EK 密钥作用于具有传输能力的科技创新数据，能够分析信息参量的传输特性，并可借助既定信道组织，将这些数据文件反馈至核心加密主机中[4]。PIK 密钥与PEK 密钥具有完全相反的编码能力，前者负责记录科技创新数据的传输状态，而后者可对已存储进数据主机的信息参量进行二次调用。

2）平台存储类密钥：常定义为SRK 的编码形式，能够根据科技创新数据的实时存储量水平，更改信息文本的原始存储形式，从而最大化释放系统共享主机所面临的数据整合压力。

3）用户类密钥：常定义为UK 的编码形式，一般来说，对主动通信端节点采取正向编码的处理方式，而对被动通信端节点采取反向编码的处理方式[5]。

1.2 文件加密模块

文件加密模块以TPM 模板作为核心应用结构，可以同时生成数据信息的加密密钥与解密密钥，并可在两端暂存主机的作用下，对科技创新数据进行初步记录。由加密暂存结构、解密暂存结构指向核心存储主机的行为均被定义为科技创新数据的转码处理。在密钥矩阵的作用下，任何数据转码行为都不具备转换执行方向的能力，也就是说，在科技创新数据加密共享系统中，所有信息参量的转码行为都只能保持单向执行的能力[6-7]。文件加密模块结构如图1 所示。

图1 文件加密模块结构

在实际应用过程中，只有与加密密钥匹配的暂存结构能够与加密运输主机相连，由该元件指向核心存储结构的传输指令被定义为科技创新数据的共享行为。

1.3 安全共享模块

安全共享模块作为文件加密模块的下级附属结构，在科技创新数据加密共享系统中，负责对待传输的数据信息参量进行整合处理，并可在不违背共享主机与加密主机之间服务转化需求的情况下，完成对译码与转码信息的获取[8]。具体的模块连接示意图如图2 所示。

图2 安全共享模块示意图

在实际应用过程中，科技创新数据的密钥文件地址同时对应密钥矩阵、服务器验证码、译码与转码信息[9]。在加密主机、共享主机保持同步连接状态的情况下，共享服务主机可自发向下级密钥文件下达获取指令，并可联合系统的核心主机元件，对已获取的文件信息进行实时处理。

2 系统软件设计

在相关硬件结构的支持下，按照密钥矩阵生成、加密模板定义、解密共享模板分析的处理流程，实现系统软件执行环境的搭建，两相结合，完成基于密钥矩阵的科技创新数据加密共享系统设计。

2.1 密钥矩阵生成

密钥矩阵可用来探测科技创新数据输出端主机与接收端主机之间的信息加密共享关系，且为使信息参量的传输速率能够得到大幅提高，在整个编码过程中，所有密码模板均保持矩阵型存在状态[10-11]。在密钥矩阵中，横向定义系数表示科技创新数据的横向传输能力，而纵向定义系数表示科技创新数据的纵向传输能力，且二者之间的取值关系始终满足式（1）：

式中，i表示横向定义系数，w表示纵向定义系数，Eˉ表示科技创新数据的单位传输量均值，Ru表示密钥指标为u时的数据信息编码特征，λ表示已编码信息的查询系数。

在式（1）的基础上，设指标i、指标w同时属于(1,+∞)的物理区间，dmax表示加密共享主机所能分辨的科技创新数据传输向量最大值，dmin表示传输向量最小值。联立上述物理量，可将科技创新数据加密共享系统的密钥矩阵P表示为：

为使系统加密共享主机保持较强的数据信息处理能力，规定不等式dmax＞dmin恒成立。

2.2 数据加密模板

数据加密模板决定了密钥矩阵在执行信息加密服务时的运算能力。对于待传输的科技创新数据而言，加密模板所涉及的信息覆盖范围越大，则表示系统主机所具备的数据信息处理能力越强[12]。如果将密钥矩阵作为唯一的信息参量编码背景，则可认为随着科技创新数据传输量的增大，加密模板对于信息文件的约束能力也会逐渐增强，反之则逐渐减弱[13-14]。设g0表示科技创新数据加密文本的初始编码信息，ga表示编码进度为a时的科技创新数据加密文本编码信息，h表示数据加密权限，ΔK表示密码文本在单位时间内的传输量数值，χ表示密码文本传输系数。在上述物理量的支持下，联立式（2），可将科技创新数据的加密模板定义为：

在考虑密钥矩阵的情况下，编码进度a指标的物理取值结果始终处于原始矩阵P。

2.3 解密与共享模板

解密与共享模板约束了系统主机对于科技创新数据的实时处理能力，在密钥矩阵的影响下，系统数据库主机所具备的信息转存能力也能在一定程度上干预解密与共享模板的最终定义形式[15-16]。在科技创新数据编码进度恒为a，且a∈P定义条件恒成立的情况下，设b0表示科技创新数据解密与共享的初始执行条件，ba表示编码进度取值为a时的科技创新数据解密与共享执行条件，β表示解密与共享模板的稳固系数，f表示系统主机对于解密与共享模板所设置的必要判别条件。在上述物理量的支持下，联立式（3），可将科技创新数据的解密与共享模板定义为：

至此，实现对各项系数指标参量的计算与处理，在密钥矩阵条件的支持下，完成科技创新数据加密共享系统的设计与应用。

3 实例分析

对于科技创新数据而言，信息参量传输速率能够反映文本文件在加密与共享过程中的堆积情况，一般来说，信息参量的传输速率越快，科技创新数据在加密与共享过程中的堆积量也就越小；反之，信息参量的传输速率越慢，则表示科技创新数据在加密与共享过程中的堆积量越大。

选取两台配置相同的互联网运算主机作为实验对象，其中实验组主机搭载基于密钥矩阵的科技创新数据加密共享系统，对照组主机搭载基于CPU/GPU异构平台的加密共享系统。令实验组、对照组互联网主机同时开启工作状态，当科技创新数据的传输行为趋于稳定后，记录实验组、对照组信息参量的实时传输速率，再将记录数值与理想传输速率进行对比。

表1 记录了理想状态下，科技创新数据传输速率的数值变化情况。

表1 科技创新数据的理想传输速率

分析表1 可知，随着字节大小的增加，科技创新数据传输速率的理想数值呈现不断增大的变化态势，其单位上升幅度分别为1.02 Mb/s、1.13 Mb/s、0.94 Mb/s、1.48 Mb/s、1.16 Mb/s、1.09 Mb/s、1.14 Mb/s。综上可知，当字节大小由400 kB 增长到500 kB 时，科技创新数据传输速率的上升幅度最大；当字节大小由300 kB 增长到400 kB 时，科技创新数据传输速率的上升幅度最小，二者之间的数值差等于0.54 Mb/s。

图3 反映了实验组、对照组科技创新数据传输速率的实际数值变化情况。

图3 科技创新数据传输速率的实际数值变化情况

对照组：随着字节大小的增加，对照组科技创新数据传输速率数值也呈现出不断增大的变化趋势，但其平均数值水平相对较小。当字节大小增大至800 kB时，其数据传输速率最大值仅能达到34.99 Mb/s，与理想最大值39.02 Mb/s相比，下降了4.03 Mb/s。

实验组：随着字节大小的增加，实验组科技创新数据传输速率数值也维持着连续增大的变化状态。当字节大小增大至800 kB时，其数据传输速率最大值达到了38.35 Mb/s，与理想最大值39.02 Mb/s相比，上升了0.67 Mb/s，整体均值水平更远高于对照组。

综上可知，在基于密钥矩阵的应用系统的作用下，科技创新数据传输速率的上升变化趋势得到了较好促进，其最大速率的数值结果明显高于理想数值，能够有效避免信息参量在加密与共享过程中出现明显堆积的行为。

4 结束语

与基于CPU/GPU 异构平台的加密共享系统相比，基于密钥矩阵的应用系统在文件加密模块、安全共享模块等多个硬件结构设备的作用下，通过制定数据加密模板的方式，检验已生成密钥矩阵的有效性，再联合解密与共享模板，对传输信息进行整合与处理。实验结果显示，在这种新型应用系统的作用下，科技创新数据的传输速度更快，能够较好解决信息参量在加密与共享过程中易出现明显堆积行为的问题。