基于密鑰矩陣的教育資源加密安全共享方法

摘要：教育資源的數(shù)據(jù)量龐大且類型繁多，在加密過程中，面臨加密速度的瓶頸，難以滿足高效安全保護的需求。為此，該文提出了一種基于密鑰矩陣的教育資源加密安全共享方法。該方法使用隨機S盒作為基本單元，結合密鑰進化函數(shù)（動態(tài)更新密鑰以增強加密系統(tǒng)的安全性） 與自進化機制，確保加密機制的靈活性與安全性。采用雙重加密策略，對數(shù)據(jù)進行加密并存儲。最后，實施訪問控制策略，根據(jù)用戶屬性與需求劃分權限，并動態(tài)調(diào)整權限設置，以實現(xiàn)教育資源的安全和高效共享。實驗結果表明，該方法能夠提升教育資源的加密速度，確保資源共享的安全性。在實際應用中展現(xiàn)出廣闊的前景，對推動教育資源的保護與共享具有重要意義。

關鍵詞：密鑰矩陣；教育資源；資源加密；資源共享；區(qū)塊鏈技術

中圖分類號：TP391" " " 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）07-0093-03

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

在教育領域，信息技術飛速發(fā)展。這導致教育資源不再局限于傳統(tǒng)的紙質(zhì)書籍和課堂講授，而是迅速向數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化轉型。這一轉變豐富了教育資源的種類與數(shù)量，同時也對資源的安全傳輸與高效共享帶來了挑戰(zhàn)。因此，開發(fā)一種既能確保資源安全又能促進高效共享的技術方案變得尤為重要。眾多學者對此進行了研究，例如，在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，物聯(lián)網(wǎng)設備數(shù)據(jù)隱私保護方面采用加密技術和訪問控制機制，防止了數(shù)據(jù)泄露和非授權訪問，增強了數(shù)據(jù)的安全性[1]。再如，基于區(qū)塊鏈的在線教育資源可信共享平臺利用區(qū)塊鏈技術，通過智能合約等機制自動執(zhí)行合同條款，降低了教育資源共享的信任成本[2]。盡管上述加密方法取得了一定的研究成果，但在應對大規(guī)模資源數(shù)據(jù)時，仍面臨密鑰管理復雜和加密效率下降的難題。鑒于此，本文提出了一種基于密鑰矩陣的教育資源加密共享方法，將復雜的密鑰管理任務簡化為對密鑰矩陣的操作。通過密鑰生成與分配策略，實現(xiàn)了教育資源在加密過程中的靈活性與高效性。具體而言，密鑰矩陣由多個子密鑰塊組成，每個子密鑰塊負責加密教育資源中的特定部分。這種策略不僅降低了單一密鑰泄露的風險，還使加密過程能夠并行處理，從而提高了加密效率。

1 構建密鑰矩陣

本文選用隨機替代盒（Substitution Box，S盒） 作為密鑰矩陣的基本構建單元。S盒是高度隨機化的置換矩陣，每個S盒均具備8位輸入與8位輸出的特性，能夠?qū)⑤斎氲?位數(shù)據(jù)隨機映射到輸出的8位數(shù)據(jù)上[3]。這種隨機化特性顯著增強了加密系統(tǒng)的復雜性和安全性，使得攻擊者難以預測和分析加密過程。

在構建密鑰矩陣時，這些S盒通過精心設計的排列組合方式融入其中。利用S盒構建了一個維度為[m×n]的密鑰矩陣[K]，該矩陣的每個元素都是一個S盒。其構建過程的計算公式如下所示。

[K=S1，1S1，2…S1，nS2，1S2，2…S2，n????Sm，1Sm，2…Sm，n]" " （1）

式中，[Si，j]表示位于第[i]行第[j]列的S盒。為進一步提高加密系統(tǒng)的安全性，本文設計一個密鑰進化函數(shù)[f]，該函數(shù)能夠根據(jù)初始密鑰矩陣（即主密鑰） [K0]和密鑰進化指針[p]，動態(tài)地生成一次性使用的數(shù)據(jù)加密密鑰[Kd]，這一過程的公式表達為：

[Kd=f（K0，p）=Hf（K0⊕Hash（p））]" " （2）

式中，[⊕]表示矩陣逐元素異或，[Hash（?）]表示安全的哈希函數(shù)，[Hf（?）]表示涵蓋置換、S盒替換、非線性多項式混合等復雜操作。本文還創(chuàng)新性地引入密鑰自進化機制[g]，這一機制的引入極大地增強了加密機制的自適應能力和整體安全性[4]。密鑰自進化機制的原理如圖1所示。

這一進化過程并非簡單的隨機變化，而是基于一系列設計的規(guī)則和策略，以確保密鑰的更新既具有不可預測性，又能保持與加密數(shù)據(jù)的緊密關聯(lián)性。通過這種方式，即使攻擊者試圖通過收集和分析加密數(shù)據(jù)來預測或破解未來的密鑰，也會因為密鑰的不斷進化而面臨極大的困難[5]。密鑰自進化過程的計算表達公式如下所示。

[Kd+1=g（Kd，?（Kd），d）=Kd?M?（Kd），d+v?（Kd），d]" " （3）

式中，[Kd+1]表示自動更新后新的密鑰矩陣，[M]和[v]分別表示基于特征和進化深度的矩陣和向量，[?（Kd）]表示從[Kd]提取的特征因子，[d]表示進化深度。

2 加密教育資源

針對原始數(shù)據(jù)集[D]，本文通過計算數(shù)據(jù)集的冗余度[Dr]，并利用一個包含數(shù)據(jù)轉換效率因子[Hc]和冗余離散度[Li]的消冗基準值進行去冗處理，共同反映了數(shù)據(jù)集在冗余性、轉換效率和離散性方面的特性，是制定有效去冗策略的重要依據(jù)。消冗基準值的計算公式如下所示。

[R=（1-Dr（D））?Hc（D）+i=1nLi（Di）]" " （4）

式中，[Di]表示轉換后的數(shù)據(jù)子集，[n]表示轉換次數(shù)。

去冗后的數(shù)據(jù)集進入數(shù)據(jù)置亂階段，此階段利用密鑰矩陣[K∈Rm×n]的隨機性與復雜性優(yōu)勢，通過非線性函數(shù)[f]與由密鑰矩陣[K]生成的位置置換矩陣[P]的組合，執(zhí)行置亂操作[6]。這一過程的計算公式如下所示。

[Ds=f（P?D，K）]" " （5）

本文采用雙層加密架構對置亂后的教育資源進行了深度加密。在個體密鑰層，基于偽隨機函數(shù)與數(shù)據(jù)包特征、節(jié)點ID的緊密關聯(lián)，為每個數(shù)據(jù)包生成獨一無二的個體密鑰[DKw]。在層級密鑰層，引入非固定密鑰機制，通過綜合所有個體密鑰和額外加密參數(shù)生成層級密鑰[DKl]，為整個數(shù)據(jù)集提供更為堅實的保護。在加密過程中，將AES加密算法全面應用于數(shù)據(jù)包頭、包體及數(shù)據(jù)幀，結合明文與數(shù)據(jù)混淆技術，共同構建一個復雜多變的數(shù)據(jù)狀態(tài)矩陣。加密過程的計算公式可以表示為：

[C（D）=AES（dj，DKw）⊕Cf（AES（Hj，DKl））]" " （6）

式中，[dj]表示數(shù)據(jù)包的內(nèi)容，[Hj]表示數(shù)據(jù)包頭，[AES]表示AES加密函數(shù)，[⊕]表示異或操作，[Cf]表示明文混淆與數(shù)據(jù)混淆技術的組合函數(shù)[7]。

3 設置訪問權限安全共享教育資源

在資源安全共享方面，本文深入探索并構建了一套高度集成的身份驗證與加解密技術相結合的數(shù)據(jù)共享流程。用戶在訪問教育資源之前，必須通過嚴格的身份驗證程序。這確保了身份的真實性和合法性，防止未經(jīng)授權的訪問和數(shù)據(jù)泄露。安全共享機制如圖2所示。

如圖2所示，思政教育資源共享中心作為教育資源的核心匯聚地，負責廣泛收集和精心整理各類教育資源。這些資源在上傳至IPFS網(wǎng)絡之前，會經(jīng)過嚴格的加密流程，以確保傳輸過程中的安全性。加密處理完成后，每個資源都會生成一個唯一的哈希值，該值不僅用于標識資源，還用于驗證其唯一性和完整性。加密后的資源及其哈希值會被發(fā)送至IPPS系統(tǒng)。IPPS系統(tǒng)會重新計算資源的哈希值，并與上傳時生成的哈希值進行比對，以確認資源在傳輸過程中是否保持完整。一旦驗證通過，資源將被安全地存儲在IPPS系統(tǒng)中，等待進一步審核。資源的所有者有權請求對資源進行審核，而監(jiān)管機構則負責全面監(jiān)控審核過程，并根據(jù)資源的合規(guī)性、重要性等級、隱私性需求等多個因素，決定是否批準其發(fā)布。一旦資源通過審核，IPPS系統(tǒng)會上傳至IPFS網(wǎng)絡，并生成哈希值，以便用戶檢索和下載。

用戶在訪問思政教育資源共享系統(tǒng)時，需要通過身份驗證程序，以確保其身份的真實性和合法性。身份驗證通過后，用戶通過提供資源的哈希值來檢索所需資源。IPPS系統(tǒng)會驗證用戶提供的哈希值與系統(tǒng)中存儲的哈希值是否匹配。一旦匹配成功，會引導用戶從IPFS網(wǎng)絡中下載加密的資源文件。下載完成后，用戶使用解密密鑰矩陣對加密的資源文件進行解密處理，從而獲取原始內(nèi)容。此外，用戶還能通過IPPS系統(tǒng)提供的接口或工具，在分布式存儲系統(tǒng)中查找并下載所需文件。這一過程依賴資源的唯一哈希值來實現(xiàn)，確保資源查找和下載的準確性與高效性。在資源共享過程中，共享中心考慮資源的重要性等級、隱私性需求、傳輸環(huán)境的安全性以及信道安全隱患等因素，制定最優(yōu)的共享策略，以確保資源的安全、高效和合規(guī)共享。

4 實驗

4.1 實驗環(huán)境配置

為了全面且深入地驗證本文提出的基于密鑰矩陣的教育資源加密共享方法的性能，并確保實驗結果能夠緊密貼合實際應用場景的需求，本文搭建了一套復雜而細致的實驗環(huán)境。這一實驗環(huán)境的構建不僅考慮了技術實現(xiàn)的細節(jié)，還充分模擬了教育資源在傳輸與共享過程中可能遇到的各種挑戰(zhàn)與限制條件。本文實驗環(huán)境的詳細配置如表1所示。

由表1可以看出，本文搭建的實驗環(huán)境在硬件、軟件和網(wǎng)絡等方面進行了全面而細致的配置，能夠充分模擬教育資源在傳輸與共享過程中可能遇到的各種挑戰(zhàn)和限制條件，為驗證基于密鑰矩陣的教育資源加密共享方法的性能提供了有力的支持。

4.2 教育資源準備

為了全面且深入地評估本文提出的加密方法在教育資源保護中的實際效果，精心準備了一系列多樣化的教育資源。這些資源覆蓋了教育過程中常見的各種數(shù)據(jù)類型和格式，旨在全面模擬真實教育場景下的資源保護與共享需求。表2是對本次實驗準備的教育資源清單的詳細擴展說明。

在加密實驗過程中，將針對不同資源類型的特性，設計并實施不同的加密策略，以探索最適合教育資源保護的加密方法。通過對比不同加密策略在加密效率、數(shù)據(jù)安全性和用戶體驗等方面的表現(xiàn)，旨在為教育領域提供一套高效、安全且易于實施的加密解決方案。

4.3 結果分析

本文設計并實施了一系列實驗，旨在全面評估所提出的基于密鑰矩陣的教育資源加密安全共享方法，并將其性能與兩種對比方法進行比較。對比方法分別是：基于混沌映射的隱私數(shù)據(jù)庫自適應加密方法（簡稱對比方法一） 和基于關聯(lián)規(guī)則的課程教學資源加密傳輸方法（簡稱對比方法二） 。表3所示的實驗結果展示了三種方法在不同教育資源類型上的加密速度表現(xiàn)。

根據(jù)表3中的實驗結果可以看出，本文方法在不同教育資源類型上的加密速度均展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢。在文本資料的處理上，盡管數(shù)據(jù)量相對較小，但本文方法依然實現(xiàn)了較快的加密速度，達到了147.3 MB/s，遠超對比方法，體現(xiàn)了該算法在處理小型數(shù)據(jù)時的高效性。對于圖片素材、課件PPT等視覺教學資源，本文方法在保證加密質(zhì)量的同時，也實現(xiàn)了加密速度的顯著提升，這對于提高教育資源在網(wǎng)絡傳輸中的效率和安全性具有重要意義。值得注意的是，在處理數(shù)據(jù)密集型資源如視頻課程和音頻資料時，本文方法的加密速度更是實現(xiàn)了飛躍性增長。視頻課程加密速度高達789.5 MB/s，音頻資料也達到了396.2 MB/s，遠超對比方法。這一成果不僅極大地優(yōu)化了用戶體驗，使用戶能夠更快地獲取加密后的教育資源，也為教育資源的廣泛傳播與高效利用提供了強有力的技術支持。此外，這種高效的加密速度還降低了加密過程對系統(tǒng)資源的占用，提高了整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。本文基于密鑰矩陣的教育資源加密共享方法，在加密速度、安全性、適應性和穩(wěn)定性等方面均表現(xiàn)出了卓越的性能。這一成果的取得，不僅為教育資源保護領域的研究注入了新的活力，也為推動教育的個性化、精準化傳播提供了有力的技術支撐。

5 結束語

綜上所述，本文圍繞基于密鑰矩陣的教育資源加密共享方法進行了深入探索，通過精心設計與實現(xiàn)一種創(chuàng)新的密鑰管理機制，成功將密鑰矩陣無縫融入教育資源的加密與解密流程中，顯著提升了資源傳輸與存儲過程的安全性。實驗結果表明，本文提出的基于密鑰矩陣的教育資源加密共享方法在加密速度、安全性、適應性和穩(wěn)定性等方面均展現(xiàn)出卓越的性能。與對比方法相比，本文方法不僅在加密速度上實現(xiàn)了顯著提升，更在安全性方面構建了更為堅固的防線。通過靈活的密鑰分配策略，成功實現(xiàn)了對不同用戶群體權限的精細控制，為教育的個性化與精準化傳播提供了有力的技術支撐。展望未來，將繼續(xù)深化基于密鑰矩陣的教育資源加密共享方法的研究，探索更高效、更安全的密鑰管理機制，以及更智能、更個性化的教育資源分發(fā)策略。同時，也將關注新興技術在教育領域的應用，將先進技術融入研究中，推動教育資源的共享與傳播，為教育的發(fā)展和創(chuàng)新做出貢獻。

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【通聯(lián)編輯：張薇】