地理空間矢量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)加密核心技術(shù)研究和應(yīng)用

米思瑩 蔡建德

（1.浙江臻善科技股份有限公司，浙江 杭州 310005；2.河南省測(cè)繪發(fā)展研究中心，河南 鄭州 450008）

1 引言

隨著測(cè)繪技術(shù)和電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，地理空間矢量數(shù)據(jù)在我國(guó)多個(gè)行業(yè)及部門得到廣泛應(yīng)用，但矢量地理空間數(shù)據(jù)各種侵權(quán)和泄密行為也隨之出現(xiàn)，不僅擾亂了信息市場(chǎng)的正常秩序，也對(duì)數(shù)據(jù)生產(chǎn)單位的版權(quán)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

造成數(shù)據(jù)泄密的原因是多方面的。從技術(shù)層面來(lái)看，AutoCAD 軟件作為編輯大比例尺矢量地形圖的重要軟件，已有的矢量數(shù)據(jù)加密功能無(wú)法避免矢量地形圖數(shù)據(jù)文件的復(fù)制、傳送等不安全現(xiàn)象[1]。隨著國(guó)家保密工作的進(jìn)一步開(kāi)展，各單位對(duì)數(shù)據(jù)安全性和穩(wěn)定性提出了更高要求。

基于此背景，筆者經(jīng)過(guò)多年工作實(shí)踐，通過(guò)使用ObjectARX 編程工具，結(jié)合AutoCAD 等應(yīng)用軟件，開(kāi)發(fā)了地理空間矢量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)加密系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了矢量數(shù)據(jù)應(yīng)用層加密、矢量數(shù)據(jù)特征和機(jī)器特征碼關(guān)聯(lián)的授權(quán)等功能，其主要內(nèi)容包括使用期限控制、使用范圍控制、矢量數(shù)據(jù)的防篡改控制等。不同于傳統(tǒng)的虛擬磁盤技術(shù)，該系統(tǒng)可靈活設(shè)置各種對(duì)象的控制屬性，對(duì)有特殊要求的對(duì)象加以保護(hù)，使得地形圖圖紙即使脫離企業(yè)內(nèi)部環(huán)境也能得到安全保障；對(duì)于泄露的DLG 數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能夠查詢、追蹤泄露的用戶和內(nèi)容，將保護(hù)測(cè)繪成果所有者的權(quán)益，為數(shù)據(jù)安全提供支持。

2 核心技術(shù)研究

地理空間矢量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)加密系統(tǒng)通過(guò)采用應(yīng)用層加密技術(shù)、多級(jí)緩存算法、多次封裝矢量數(shù)據(jù)模型等，對(duì)地形圖數(shù)據(jù)文檔和實(shí)體操作消息進(jìn)行攔截，實(shí)現(xiàn)矢量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)智能透明加密以及定時(shí)或定次自動(dòng)銷毀，并通過(guò)矢量數(shù)據(jù)特征和機(jī)器特征碼關(guān)聯(lián)的授權(quán)等，進(jìn)一步保證地理空間矢量數(shù)據(jù)安全。

2.1 應(yīng)用層加密技術(shù)

應(yīng)用層加密技術(shù)基于Windows 操作系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)用程序打開(kāi)和保存地形圖數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。具體而言，當(dāng)程序打開(kāi)地形圖數(shù)據(jù)時(shí)，為確保讀到有效的地形圖數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會(huì)將加密的地形圖數(shù)據(jù)先進(jìn)行轉(zhuǎn)換再讀入內(nèi)存。當(dāng)保存數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)則將內(nèi)存中的地形圖數(shù)據(jù)先加密后再寫入磁盤。

不同于傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)層加密技術(shù)，應(yīng)用層加密技術(shù)使得地形圖數(shù)據(jù)在復(fù)制、新建、修改時(shí)被強(qiáng)制自動(dòng)加密，這意味著加密文檔一旦在未經(jīng)授權(quán)許可的情況下離開(kāi)了指定環(huán)境，將無(wú)法使用，這從根本上保證了受控文件的安全，真正做到集應(yīng)用層的安全性與驅(qū)動(dòng)層的穩(wěn)定性于一體。

2.2 多級(jí)緩存算法

系統(tǒng)采用多級(jí)緩存的計(jì)算方法，把參數(shù)分為多個(gè)等級(jí)，通過(guò)算法分析，分別從內(nèi)存堆棧中自動(dòng)提取所需的某級(jí)參數(shù)，進(jìn)行加密計(jì)算，達(dá)到一次計(jì)算多次使用的效果。該算法減少了冗余計(jì)算，降低了因重復(fù)計(jì)算可能導(dǎo)致的錯(cuò)誤或誤差，在不影響打開(kāi)和保存效率的同時(shí)，提高了機(jī)密速度（如100 萬(wàn)個(gè)實(shí)體，加密時(shí)間不超過(guò)一分鐘）。處理過(guò)程中，文件大小幾乎無(wú)變化。

2.3 多次封裝矢量數(shù)據(jù)模型

系統(tǒng)基于多次封裝矢量數(shù)據(jù)模型的實(shí)體加密技術(shù)，在使用AutoCAD 提供的數(shù)據(jù)模型時(shí)讀寫接口，詳細(xì)剖析其各種實(shí)體類型的存儲(chǔ)、組織、管理和調(diào)度機(jī)制，并依據(jù)實(shí)體內(nèi)容的變化而做出調(diào)整。例如：一條線段在AutoCAD 原始模型中采用起始點(diǎn)坐標(biāo)描述，在封裝模型中便可替換成起點(diǎn)坐標(biāo)、方向和長(zhǎng)度等。對(duì)于某些復(fù)雜的實(shí)體，系統(tǒng)可通過(guò)多次封裝數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型，隱藏?cái)?shù)據(jù)坐標(biāo)，從而使得AutoCAD 軟件無(wú)法直接讀取原有模型的坐標(biāo)參數(shù)。如果把原始實(shí)體的坐標(biāo)參數(shù)和新模型所表達(dá)的坐標(biāo)參數(shù)做一個(gè)任意的映射或轉(zhuǎn)換，即可實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)的置亂或加密。

2.4 消息攔截機(jī)制實(shí)現(xiàn)矢量數(shù)據(jù)定時(shí)/定次自動(dòng)銷毀

系統(tǒng)通過(guò)AutoCAD 提供的底層開(kāi)發(fā)接口，可以攔截地形圖數(shù)據(jù)文檔和實(shí)體操作時(shí)的消息。借助模型的重新封裝技術(shù)，可以在新模型中嵌入任何時(shí)鐘、標(biāo)識(shí)、機(jī)器等參數(shù)。借此，當(dāng)打開(kāi)矢量數(shù)據(jù)實(shí)體操作之前，可反向推算出文檔或?qū)嶓w的操作次數(shù)和時(shí)間是否達(dá)到限定數(shù)字，并通知操作系統(tǒng)采取相應(yīng)聯(lián)動(dòng)操作，從而實(shí)現(xiàn)矢量數(shù)據(jù)的定時(shí)（或定次）自動(dòng)銷毀。

2.5 矢量數(shù)據(jù)特征和機(jī)器特征碼關(guān)聯(lián)的授權(quán)

系統(tǒng)通過(guò)分析矢量數(shù)據(jù)的空間、屬性、類型等特征，按照一種算法機(jī)制生成一個(gè)原始碼A，采用計(jì)算機(jī)組合一個(gè)特征碼B。假設(shè)管理員授權(quán)此地形圖允許打開(kāi)密碼為C，用C+B 作為密鑰對(duì)原始碼A 進(jìn)行加密，生成新的密碼D，并封裝D 到新的數(shù)據(jù)模型中。當(dāng)攔截到打開(kāi)此地形圖數(shù)據(jù)的消息時(shí)，提示用戶輸入授權(quán)碼C1，并重新讀取當(dāng)前計(jì)算機(jī)硬件信息串碼B1,并用C1+B1解密模型中封裝的串碼D，從而得出地形圖數(shù)據(jù)特征碼A1。按照同一算法分析地形圖數(shù)據(jù)特征得出A2，如果A1＝A2，即為通過(guò)，否則認(rèn)為密碼不對(duì)或機(jī)器非法。

3 系統(tǒng)應(yīng)用亮點(diǎn)及展示

3.1 系統(tǒng)應(yīng)用亮點(diǎn)

（1）矢量數(shù)據(jù)加密及文件防篡改

為防止各種矢量數(shù)據(jù)被隨意篡改，系統(tǒng)可靈活設(shè)置各種對(duì)象的控制屬性，其中每個(gè)對(duì)象都可被單獨(dú)設(shè)置，各對(duì)象之間屬性互不影響。對(duì)象屬性控制包括是否允許選中、刪除、移動(dòng)、縮放、旋轉(zhuǎn)、打印、分解、修改圖層、修改顏色、修改線型、修改線寬等。

（2）嵌入式水印版權(quán)

水印的作用是向地形圖數(shù)據(jù)中添加一些數(shù)字信息，以此對(duì)地形圖真?zhèn)芜M(jìn)行鑒別，對(duì)版權(quán)進(jìn)行保護(hù)[2]。系統(tǒng)采用的浮現(xiàn)式水印將授權(quán)單位的信息（通常為單位名稱）以浮現(xiàn)的形式附著在圖形表面，以達(dá)到版權(quán)保護(hù)的目的。其中，水印內(nèi)容可根據(jù)需要自定義。用戶甚至可以將水印標(biāo)注在地形圖數(shù)據(jù)非授權(quán)使用情況下、過(guò)期失效時(shí)，以達(dá)到控制地形圖數(shù)據(jù)不能正常使用的目的。

（3）地形圖數(shù)據(jù)發(fā)布控制

采用系統(tǒng)對(duì)矢量地形圖數(shù)據(jù)在單位內(nèi)部加密保存后，如通過(guò)任意手段流到單位外部，打開(kāi)時(shí)查看不到任何加密過(guò)的地形圖信息，以此對(duì)地形圖數(shù)據(jù)起到保護(hù)作用。如需要外部正常使用，可通過(guò)加密系統(tǒng)發(fā)布功能，對(duì)外發(fā)地形圖數(shù)據(jù)進(jìn)行權(quán)限限制，如禁止保存、禁止另存、禁止自動(dòng)保存、禁止打印、禁止增加實(shí)體、打開(kāi)次數(shù)限制、到期自動(dòng)銷毀等。

（4）計(jì)算效率高、技術(shù)結(jié)果準(zhǔn)，最大程度地兼容第三方軟件

系統(tǒng)采用多級(jí)緩存的計(jì)算方法，ObjectARX 在 AutoCAD 里面進(jìn)行繪圖時(shí)，要和AutoCAD 數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行互交，基于ObjectARX 技術(shù)，通過(guò)快速訪問(wèn)AutoCAD圖形底層數(shù)據(jù)庫(kù)，提取數(shù)據(jù)[3]。此外，底層技術(shù)的一致性保證了系統(tǒng)能最大程度地支持其他基于AutoCAD二次開(kāi)發(fā)的軟件。

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用展示

地理空間矢量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)加密系統(tǒng)由六個(gè)板塊組成，分別為文件加密、文件解密、管理工具、加密圖紙加載顯示、文件權(quán)限控制、請(qǐng)求與授權(quán)。（如圖1 所示）

圖1 地理空間矢量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)加密系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）文件加密

文件加密主要通過(guò)控制數(shù)據(jù)圖檔中的實(shí)體操作權(quán)限進(jìn)行加密，加密類型可單一選中也可組合選中。其中，浮窗水印加密主要是控制圖紙打開(kāi)或打印時(shí)自動(dòng)顯示固定位置浮窗式水印于圖形之上。程序提示圖紙發(fā)布單位、使用單位項(xiàng)目名稱、項(xiàng)目類型、用途說(shuō)明、發(fā)布時(shí)間等，設(shè)置浮窗位置、顏色、字體、顯示方式等。（如圖2 所示）

（2）文件解密

文件解密主要有以下功能：控制信息查詢、清除浮動(dòng)水印、清除浮窗水印、清除嵌入水印、清除二維碼、清除電子印章、交互解密、全圖解密、本地地形圖圖紙延期、本地地形圖圖紙解密、批量延期算號(hào)、批量解密算號(hào)等。（如圖3 所示）

圖2 浮窗水印加密實(shí)體圖

圖3 文件解密實(shí)體圖

（3）管理工具

管理工具板塊主要提供圖層工具、地形圖圖紙加密的歷史記錄、加密鎖的管理等。其中，圖層控制工具（如圖4 所示）是系統(tǒng)提供的方便快捷的操作工具，可用于加密對(duì)于圖層的快速操作。

（4）文件權(quán)限控制

文件權(quán)限控制包括禁止保存、自動(dòng)保存，禁止增加實(shí)體，禁止打印，禁止輸出wmf、sld 文件，允許打開(kāi)次數(shù)限制，到期自動(dòng)銷毀，批量延期請(qǐng)求與授權(quán)等。允許打開(kāi)次數(shù)限制如圖5 所示。

（5）加密圖紙加載顯示

圖4 圖層控制工具

圖5 允許打開(kāi)次數(shù)限制

未安裝客戶端打開(kāi)加密外發(fā)圖紙時(shí)，無(wú)法顯示加密圖紙內(nèi)容。安裝基于DWG 電子數(shù)據(jù)保密分發(fā)服務(wù)系統(tǒng)客戶端后，啟動(dòng)AutoCAD，命令行提示：

正在加載基于DWG 電子數(shù)據(jù)保密分發(fā)服務(wù)系統(tǒng)……

【基于DWG 電子數(shù)據(jù)保密分發(fā)服務(wù)系統(tǒng)客戶端】加載成功！

此時(shí)AutoCAD 標(biāo)題欄也會(huì)顯示加載基于DWG 電子數(shù)據(jù)保密分發(fā)服務(wù)系統(tǒng)客戶端。

（6）批量請(qǐng)求與授權(quán)

批量請(qǐng)求與授權(quán)包括批量解密請(qǐng)求與授權(quán)、批量延期請(qǐng)求與授權(quán)。批量解密請(qǐng)求與授權(quán)指當(dāng)?shù)匦螆D圖紙需要編輯、清除水印等功能時(shí)，解除對(duì)地形圖圖紙操作的權(quán)限，需要選擇要解密的文件夾目錄，目錄下是待解密地形圖圖紙，然后生成解密請(qǐng)求文件*.req，發(fā)給服務(wù)端，計(jì)算出授權(quán)key，服務(wù)端將授權(quán)key 文件發(fā)送給客戶端，選擇授權(quán)文件key，點(diǎn)擊“開(kāi)始解密授權(quán)”完成地形圖圖紙解密[4]。批量解密請(qǐng)求與授權(quán)控制如圖6 所示。

圖6 批量解密請(qǐng)求與授權(quán)控制圖

當(dāng)圖紙使用到期后，選擇到期的文件夾目錄，目錄下是待延長(zhǎng)圖紙，然后生成延期請(qǐng)求文件*.req，發(fā)給服務(wù)端，計(jì)算出授權(quán)key，服務(wù)端將授權(quán)key 文件發(fā)送給客戶端，選擇授權(quán)文件key，點(diǎn)擊“開(kāi)始延期授權(quán)”完成圖紙延期，如圖7 所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)應(yīng)用層加密、多級(jí)緩存算法、多次封裝矢量數(shù)據(jù)模型等核心技術(shù)的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地理空間矢量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)智能透明加密；通過(guò)對(duì)地形圖數(shù)據(jù)文檔和實(shí)體操作的消息攔截，實(shí)現(xiàn)了矢量數(shù)據(jù)的定時(shí)或定次自動(dòng)銷毀，這些功能為地理空間矢量數(shù)據(jù)安全提供了強(qiáng)有力的保障。

圖7 批量延期請(qǐng)求與授權(quán)