基于Java的比賽工位抽簽加密系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)＊

董寶慶，王 振，李立亞，閭立新，吳 麗

(無錫科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 無錫 214028)

0 引言

我國職業(yè)院校技能大賽賽項(xiàng)規(guī)程中，參賽隊(duì)伍比賽工位的分配有一套抽簽機(jī)制。即先進(jìn)行一次加密，選手按抽簽順序號(hào)依次抽取參賽編號(hào)。然后二次加密，選手憑參賽編號(hào)抽取比賽工位號(hào)，按此工位號(hào)就位參加比賽。裁判及工作人員無法得知工位上是哪個(gè)隊(duì)伍，參賽過程中的隊(duì)伍保密，能保障比賽公平。

當(dāng)前賽事仍然使用傳統(tǒng)的紙質(zhì)加密方式抽簽。賽后人工核對(duì)解密，獲得比賽工位和參賽隊(duì)伍的對(duì)應(yīng)關(guān)系。紙質(zhì)加密操作麻煩，需要制作抽簽工具。如果設(shè)計(jì)一款操作簡(jiǎn)便，具有信息加密功能的比賽工位抽簽系統(tǒng)，可以提高工作的效率。

針對(duì)以上情況，我們利用Java 技術(shù)，并結(jié)合加密算法，開發(fā)了一款抽簽加密系統(tǒng)，加密過程中所有選手的信息都是以密文保存，只能在規(guī)定的電腦上進(jìn)行加/解密，極大地保護(hù)了選手的隱私。

1 抽簽加密系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本軟件由三個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)構(gòu)成，分別為一次加密子系統(tǒng)，二次加密子系統(tǒng)和解密子系統(tǒng)。一次加密子系統(tǒng)的功能是為選手抽取參賽編號(hào)。憑參賽編號(hào)，使用二次加密子系統(tǒng)進(jìn)行二次抽簽，抽取比賽工位號(hào)。比賽完成后，使用解密軟件對(duì)加密內(nèi)容逐級(jí)地解密。系統(tǒng)總體功能設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 子系統(tǒng)功能流程設(shè)計(jì)

加密系統(tǒng)各子系統(tǒng)間功能流轉(zhuǎn)如圖2所示。抽簽順序號(hào)在賽前說明會(huì)時(shí)抽取確定好，本系統(tǒng)不涉及該順序號(hào)的抽簽分配。

圖2 子系統(tǒng)功能流程圖

一次加密子系統(tǒng)模塊工作流程分如下幾步：首先初始化一次加密表，用系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)間和參賽隊(duì)數(shù)量，生成隨機(jī)參賽編號(hào)，加密后保存在“一次加密表”中。系統(tǒng)根據(jù)賽隊(duì)抽簽順序號(hào)隨機(jī)抽取未經(jīng)分配的參賽編號(hào)，之后將順序號(hào)用組密鑰進(jìn)行加密，將密文寫入與參賽編號(hào)行對(duì)應(yīng)的單元格中。將參賽編號(hào)密文生成二維碼，調(diào)用打印機(jī)打印在熱敏標(biāo)簽上，交給參賽選手二次加密用。

二次加密子系統(tǒng)首先獲取參賽隊(duì)數(shù)量，根據(jù)賽隊(duì)數(shù)量初始化二次加密表，工位號(hào)用組密鑰加密，寫入“二次加密表”中。工作人員用掃碼槍掃描參賽編號(hào)二維碼，獲取二維碼中的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)從未分配的工位號(hào)中隨機(jī)抽取一個(gè)工位，寫入到該工位行所在的單元格，并打印交給選手，實(shí)現(xiàn)工位的隨機(jī)分配功能。

解密模塊使用參賽隊(duì)伍抽簽順序表和經(jīng)過一、二次加密子系統(tǒng)生成的“一次加密表”、“二次加密表”，根據(jù)各表中數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，找出工位號(hào)和參賽隊(duì)伍的對(duì)應(yīng)關(guān)系，生成解密表，完成工位號(hào)的解密操作。

1.2 使用的表結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的加解密過程共會(huì)用到四張表格，分別為參賽隊(duì)伍抽簽順序表、一次加密表、二次加密表和解密表。

如圖3，參賽隊(duì)伍抽簽順序表由表頭和賽隊(duì)信息組成。主要包括賽隊(duì)ID、賽隊(duì)信息、抽簽順序號(hào)三類信息。賽隊(duì)信息由裁判在加密之前導(dǎo)入。根據(jù)本表，建立抽簽順序號(hào)和隊(duì)伍的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖3 參賽隊(duì)伍抽簽順序表

如圖4，導(dǎo)入?yún)①愱?duì)伍抽簽順序表后，系統(tǒng)會(huì)從此Excel 表格sheet1 中讀取表頭生成一次加密表表頭。系統(tǒng)根據(jù)工作人員輸入的抽簽順序號(hào)，分配隨機(jī)編號(hào)。一次加密表由表頭、抽簽順序號(hào)和參賽編號(hào)組成。參賽編號(hào)同時(shí)生成。輸入抽簽順序號(hào)后，系統(tǒng)會(huì)將此抽簽順序號(hào)隨機(jī)寫入抽簽順序號(hào)單元格所在列的某一行。本圖中有密文標(biāo)注字樣的數(shù)據(jù)以密文存于表格中，無密文標(biāo)注字樣的數(shù)據(jù)全部以明文保存，下文表格同理。一次加密表將參賽編號(hào)和抽簽順序號(hào)建立起聯(lián)系。

圖4 一次加密(關(guān)鍵信息)表

如圖5，進(jìn)行第二次加密時(shí)，系統(tǒng)會(huì)要求輸入?yún)①惥幪?hào)，根據(jù)參賽編號(hào)分配賽位號(hào)。二次加密表中包含了參賽編號(hào)、賽位號(hào)。表中參賽編號(hào)與賽位號(hào)單元格一一對(duì)應(yīng)，賽位號(hào)隨表頭一起生成，參賽編號(hào)被隨機(jī)寫入到參賽編號(hào)單元格所在列的某一行。根據(jù)此表信息，將賽位號(hào)和參賽編號(hào)建立起對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖5 二次加密(關(guān)鍵信息)表

根據(jù)前三張表所建立的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)行溯源，在解密表中由賽位號(hào)找到參賽編號(hào)，由參賽編號(hào)找到抽簽順序，由抽簽順序找到參賽隊(duì)伍信息，最終獲取解密表所需的數(shù)據(jù)。解密表除了表頭以外還包括賽位號(hào)、參賽編號(hào)、參賽隊(duì)伍、加密裁判簽名和仲裁組裁判簽名以及日期這些信息，解密表關(guān)鍵信息如圖6所示。解密表中的核心數(shù)據(jù)為賽位號(hào)、參賽編號(hào)及其參賽隊(duì)伍，理清了從參賽隊(duì)伍抽簽順序表，到一次加密表和二次加密表的線索，最終形成了解密表。

圖6 解密(關(guān)鍵信息)表

2 軟件安全設(shè)計(jì)

2.1 加密算法選用

MD5 散列算法用于生成唯一的“指紋”信息，本系統(tǒng)根據(jù)登錄時(shí)的三個(gè)MAC 地址，進(jìn)行拼接等操作后，對(duì)得到的字符串進(jìn)行MD5 散列處理。截取經(jīng)MD5散列后的某一段字符串作為種子，進(jìn)行DES 加密，得到組密鑰。

DES 算法為密碼體制中的對(duì)稱加密體制，本系統(tǒng)使用64 位長(zhǎng)度的密鑰進(jìn)行DES 加密運(yùn)算。DES 加密解密為同一套密鑰，初始密鑰長(zhǎng)度為8字節(jié)。本系統(tǒng)根據(jù)初始密鑰長(zhǎng)度，以“多刪少補(bǔ)”原則，選擇性刪除和補(bǔ)位操作，構(gòu)建64位密鑰。鑒于本系統(tǒng)對(duì)加密數(shù)據(jù)的使用時(shí)間不長(zhǎng)，因而使用DES算法和64位長(zhǎng)度的密鑰進(jìn)行加密是安全的。

2.2 組密鑰生成

本軟件通過登錄時(shí)動(dòng)態(tài)獲取計(jì)算機(jī)的MAC 地址（下文簡(jiǎn)稱為MAC），經(jīng)過一系列算法，生成該組計(jì)算機(jī)共用的組密鑰。通過組密鑰，可以定義同組計(jì)算機(jī)。

如圖7所示，部署同組計(jì)算機(jī)時(shí)，首先確定一組計(jì)算機(jī)(默認(rèn)為三臺(tái))。進(jìn)入部署界面，在各個(gè)計(jì)算機(jī)中分別獲取本地計(jì)算機(jī)的唯一標(biāo)識(shí)，此時(shí)同組計(jì)算機(jī)的三個(gè)MAC 均已獲取到。把另外兩臺(tái)計(jì)算機(jī)的MAC對(duì)應(yīng)填入輸入框，與獲取的本機(jī)MAC 一起，進(jìn)行一系列的操作，生成組密鑰。

圖7 部署計(jì)算機(jī)圖

生成過程，根據(jù)三個(gè)有序輸入的MAC，進(jìn)行規(guī)則性排列拼接等操作，對(duì)混合生成的初始密鑰，進(jìn)行散列處理，得到中間密鑰。對(duì)中間密鑰進(jìn)行DES 加密處理，生成組密鑰。

如此，就可以使部署在三臺(tái)計(jì)算機(jī)上的三個(gè)子系統(tǒng)初始化得到相同的組密鑰，組密鑰登錄時(shí)即生成，存放在內(nèi)存中，程序退出時(shí)組密鑰銷毀，保證了密鑰存放的安全。

2.3 數(shù)據(jù)安全性設(shè)計(jì)

系統(tǒng)加密后生成的文件都是以密文形式保存在文件中。要獲得明文，需要用解密子系統(tǒng)進(jìn)行操作。一、二次加密子系統(tǒng)沒有設(shè)置解密功能，這可以保證只有解密子系統(tǒng)才可解密，防止一、二次加密過程中因人為因素而發(fā)生數(shù)據(jù)泄露的情況。

Java Excel API 是一個(gè)開放源碼項(xiàng)目，它既能從本地系統(tǒng)中讀取Excel 電子表格,也能從輸入流中讀取Excel電子表格,導(dǎo)出各種樣式的Excel表。本系統(tǒng)使用此API，將要加密的信息以明文形式保存在內(nèi)存中，對(duì)明文進(jìn)行加密，將加密后得到的密文寫入Excel表中，對(duì)重要數(shù)據(jù)進(jìn)行加密轉(zhuǎn)化。只有通過組密鑰才可以正確解密文件中的信息，從而使計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)信息變得比較安全，由此可以減小抽簽信息的泄露的可能性。

表格中的數(shù)據(jù)采用雙隨機(jī)設(shè)計(jì)。在一次加密子系統(tǒng)中，生成的隨機(jī)參賽編號(hào)模擬實(shí)地抽簽時(shí)在抽簽箱中的參賽編號(hào)，根據(jù)系統(tǒng)時(shí)間戳，隨機(jī)生成參賽編號(hào)。為保證參賽編號(hào)的唯一性，生成時(shí)會(huì)判斷該編號(hào)是否已存在，若存在則繼續(xù)生成，直到生成的參賽編號(hào)唯一時(shí)才寫入文件。

此外，為增加安全性和隨機(jī)性，對(duì)將要在表格中放置的參賽編號(hào)的次序進(jìn)行打亂處理，使得抽參賽編號(hào)的隨機(jī)性進(jìn)一步增強(qiáng)，增強(qiáng)了抽簽數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系的安全性。

每支賽隊(duì)抽簽時(shí)，使用抽簽程序進(jìn)行算法處理，來模擬隨機(jī)性抽簽。當(dāng)系統(tǒng)得到一支賽隊(duì)要抽簽的指令時(shí)，使用計(jì)算機(jī)當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間，隨機(jī)生成一個(gè)位置號(hào)，判斷此位置號(hào)是否被占用，若為空則將賽隊(duì)信息放入，若不為空代表此位置號(hào)已被別的賽隊(duì)占用，繼續(xù)生成隨機(jī)位置號(hào)，直到找到空位。隨機(jī)位置號(hào)的生成和當(dāng)前時(shí)間有關(guān)，這保證了抽簽的隨機(jī)性。

3 可靠性設(shè)計(jì)

3.1 操作檢測(cè)功能

本軟件的操作檢測(cè)功能會(huì)根據(jù)用戶當(dāng)前的使用情況，判斷此時(shí)軟件運(yùn)行的系統(tǒng)安全性和數(shù)據(jù)安全性。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到用戶的操作可能涉及軟件運(yùn)行的危害性和軟件數(shù)據(jù)的破壞性、錯(cuò)誤性時(shí)，根據(jù)危害性的大小和緊急程度，及時(shí)發(fā)出不同級(jí)別的提示信息。如一般性危害的彈窗提示和緊急性破壞的軟件停用一定時(shí)間等高級(jí)保護(hù)措施來確保軟件的安全。

3.2 斷電恢復(fù)

本軟件設(shè)計(jì)了斷電恢復(fù)功能，以應(yīng)對(duì)系統(tǒng)使用過程中出現(xiàn)的異常情況，如斷電、程序誤操作退出等。

一次加密子系統(tǒng)、二次加密子系統(tǒng)每次向文件中寫數(shù)據(jù)時(shí)，將數(shù)據(jù)同時(shí)寫入工作文件和備份文件。當(dāng)?shù)卿浵到y(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)備份文件中的數(shù)據(jù)，來判斷是否有未完成的抽簽任務(wù)，如果有，則詢問用戶是否進(jìn)行恢復(fù)操作，若點(diǎn)擊“是”則恢復(fù)上次抽簽任務(wù)，否則重新開啟新的一輪的抽簽流程。

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)加密算法的學(xué)習(xí)和研究，創(chuàng)新的采用了計(jì)算機(jī)分組密鑰概念，采用了主流的散列算法和加密方式，設(shè)計(jì)了一種基于計(jì)算機(jī)硬件信息的密鑰共享機(jī)制。組內(nèi)計(jì)算機(jī)使用相同的組密鑰進(jìn)行數(shù)據(jù)加密，保障了數(shù)據(jù)的互通。本系統(tǒng)為保護(hù)參賽過程中的信息安全，所有的重要信息都做了亂序處理且以密文保存。此軟件可以應(yīng)用在職業(yè)院校技能大賽這種抽簽計(jì)算機(jī)不能聯(lián)網(wǎng)、且需要安全保管防抽簽排位信息泄密的場(chǎng)合，適用范圍很廣。在后續(xù)研究中，將進(jìn)一步優(yōu)化軟件的人性化操作設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)和安全性設(shè)計(jì)，提高軟件的易用性。