CN109325369B - 一种建筑结构试验数据时间字段加密存储与检索的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种建筑结构试验数据时间字段加密存储与检索的方法。加密过程，采集实时数据接收并解析获得采集器编号、采样值、采样单位和采样时间；将采样时间转化为Unix时间戳，对于Unix时间戳进行AES加密和可检索加密，对于其他数据分别进行AES加密，把所有数据存储在关系型数据库；检索过程，对时间检索条件的起始结束时间分别转化为Unix时间戳，对Unix时间戳进行可检索加密，将两个加密结果作为下界和字段上界检索；将检索记录中的数据进行AES解密，一起构成原始数据完成检索。本发明融合了两个加密方法得到的密文分别用于加密后数据按时间检索与时间解密，即能保证时间字段的安全性，又能保证时间字段的可检索性能。

Description

一种建筑结构试验数据时间字段加密存储与检索的方法

技术领域

本发明涉及了一种建筑数据加密检索的方法，尤其是涉及一种建筑结构试验数据时间字段加密存储与检索的方法。

背景技术

建筑结构试验是建筑在结构设计、施工和研究过程中的重要环节，通过建筑结构试验可以检测结构设计是否安全可靠。建筑结构试验使用各种采集器对现场数据进行采集,采集结果通过各厂商提供的上位机进行接收并存储。随着云计算的快速发展，很多用户选择将数据存储云端来降低存储成本，因此对于一些数据安全要求较高的结构试验，需要将采集数据进行加密后再存入云端数据库中。由于传统的加密方式是不可检索的，即无法对密文进行排序检索，而研究人员常常需要按时间检索试验数据，因此对于试验数据的时间字段需要单独设计一种加密方式，使得加密密文是有序的，可以进行检索。

现有的可检索加密方式是通过一种加密算法完成的，这种加密方式既要保证密文可检索还要保证加密过程可逆，即能通过密文恢复明文。这一类加密方式要兼顾密文可检索与密文可恢复，同时为了保证加密的安全性能，通常需要设计复杂的加密过程。而对于建筑结构试验，需要本地主机实时接收大量数据，经过加密后实时存储，过于复杂的加密算法会给本地主机带来很大的计算压力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种建筑结构试验数据时间字段加密存储与检索的方法，利用可检索加密算法和AES加密算法分别对时间字段进行加密，其中可检索加密得到的数据用于时间检索，AES加密数据用于数据恢复。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一、一种建筑结构试验数据时间字段加密存储的方法：时间字段加密过程包括如下步骤：

步骤1：使用采集器对建筑结构试验现场数据进行采集，并由采集器厂商提供的上位机软件进行实时数据接收并解析，解析出的每条数据包括以下字段：采集器编号、采样值、采样单位和采样时间；

步骤2：将步骤1中的采样时间转化为Unix时间戳，即自1970年1月1日 00:00:00至采样时间的总秒数，并用4字节无符号整数表示，例如表示的时间范围为1970年1月1日00:00:00至2106年2月7日14:28:15；

4字节无符号整数实质为32位二进制。

步骤3：对于步骤2得到的Unix时间戳进行AES加密，获得时间AES加密数据；

步骤4：对于步骤2得到的Unix时间戳进行可检索加密，获得时间可检索加密数据；

步骤5：对于步骤1得到的采集器编号、采样值和采样单位的其他数据分别进行AES加密；

步骤6：把步骤5得到的采集器编号、采样值和采样单位的AES加密数据，步骤3得到的时间AES加密数据，以及步骤4得到的时间可检索加密数据，作为一条记录存储在关系型数据库中。

所述的步骤4中，通过特殊的可检索加密使得加密前后的Unix时间戳相对顺序不改变，即对于未加密的Unix时间戳T₁和Unix时间戳T₂，如果Unix时间戳T₁<Unix时间戳T₂，那么Unix时间戳T₁加密后对应的时间可检索加密数据 f(T₁)和Unix时间戳T₂加密后对应的时间可检索加密数据f(T₂)满足f(T₁)< f(T₂)。

所述的步骤4中，可检索加密具体包括以下步骤：

步骤4.1：随机生成一个四字节无符号整数M作为密钥；

步骤4.2：对四字节无符号整数的Unix时间戳T申请八字节存储空间，并将Unix时间戳存储于八字节存储空间的第2位到第33位，其他位补零；

步骤4.3：对四字节无符号整数的Unix时间戳T和步骤4.1得到的密钥M 按位进行或运算；

步骤4.4：对步骤4.1得到的密钥M按位进行非运算；

步骤4.5：对四字节无符号整数的Unix时间戳T和步骤4.4得到的结果按位进行或运算；

步骤4.6：对步骤4.2和步骤4.3得到的结果相加，得到八字节无符号整数；

步骤4.7：对步骤4.2和步骤4.5得到的结果相加，得到八字节无符号整数；

步骤4.8：对步骤4.6和步骤4.7得到的结果相乘，得到十六字节无符号整数，作为可检索加密数据。

所述的步骤6中，对于时间可检索加密数据在关系型数据库中的存储方式为：将数据由16字节无符号整数转化为128位二进制字符串进行存储。

所述的步骤6中，关系型数据库的表字段包括采集器编号、采样值、采样单位、时间AES加密数据和时间可检索加密数据；这些字段分别存储步骤1得到的采集器编号、采样值和采样单位，步骤3得到的时间加密结果以及步骤4 得到的时间加密结果，并对于其中的时间可检索加密数据字段建立索引。

二、一种建筑结构试验数据时间字段加密检索的方法，时间字段检索过程包括如下步骤：

S1：对于时间检索条件(例如检索t₁～t₂时间范围内的试验数据)的起始时间t₁和结束时间t₂分别转化为Unix时间戳T₁和T₂，并用4字节无符号整数表示；

S2：对于步骤S1得到的Unix时间戳分别进行可检索加密，获得加密结果为f(T₁)和f(T₂)；

S3：使用步骤S2得到的两个加密结果f(T₁)和f(T₂)作为时间可检索加密数据的字段下界和字段上界，在关系型数据库中进行检索，获得多条检索纪录；

S4：对于步骤S3得到的每一条检索记录中的时间AES加密数据进行AES 解密，得到未加密的Unix时间戳；同时对采集器编号、采样值和采样单位的 AES加密数据也进行AES解密，得到未加密的采集器编号、采样值和采样单位的数据；

S5：将步骤S4得到的未加密的Unix时间戳转化为需要的时间格式，并且与步骤S4得到的未加密的采集器编号、采样值和采样单位的数据一起构成了原始数据，完成时间检索。

所述的步骤S2中，可检索加密具体包括以下步骤：

步骤S2.1：随机生成一个四字节无符号整数M作为密钥；

步骤S2.2：对四字节无符号整数的Unix时间戳T申请八字节存储空间，并将Unix时间戳存储于八字节存储空间的第2位到第33位，Unix时间戳前的低位补零，即八字节存储空间的第1位补零；

步骤S2.3：对四字节无符号整数的Unix时间戳T和步骤S2.1得到的密钥 M按位进行或运算；

步骤S2.4：对步骤S2.1得到的密钥M按位进行非运算；

步骤S2.5：对四字节无符号整数的Unix时间戳T和步骤S2.4得到的结果按位进行或运算；

步骤S2.6：对步骤S2.2和步骤S2.3得到的结果相加，得到八字节无符号整数；

步骤S2.7：对步骤S2.2和步骤S2.5得到的结果相加，得到八字节无符号整数；

步骤S2.8：对步骤S2.6和步骤S2.7得到的结果相乘，得到十六字节无符号整数，作为加密结果。

所述的步骤S1中，当时间检索条件只有起始时间时，结束时间的时间戳T₂取值为2³²-1；当时间检索条件只有结束时间时，开始时间的时间戳T₁取值为0。

所述步骤S2中使用的可检索加密算法与步骤4中使用的可检索加密算法相同，步骤S2中使用的加密密钥与步骤4中使用的加密密钥相同。

步骤S4中，对时间AES加密数据AES解密使用的解密密钥与步骤3中AES 加密使用的加密密钥相同，对采集器编号、采样值和采样单位的AES加密数据 AES解密使用的解密密钥与步骤5中AES加密使用的加密密钥相同。

本发明对时间加密使用两种加密方式：一个加密方式为可检索加密，用于对数据库存储的试验数据进行按时间检索；另一个加密方式为AES加密，用于数据的时间加密和数据检索后的时间解密。

本发明将加密后时间数据在数据库中分为两个字段：由可检索加密得到的字段用于时间检索，但无法进行时间解密；由AES加密得到的字段用于时间解密，但无法进行时间检索。两者互不影响。

本发明通过特殊设计的可检索加密方式对数据库存储的试验数据进行时间索引和时间检索，能够实现简化检索时间和检索过程，计算量小，实现和保证数据库实时进行的加密与检索。

本发明提供的建筑结构试验数据时间字段加密与检索的方法采用两种加密算法来对时间字段进行加密。其中一种算法保证密文可检索，但不需要由密文恢复明文；另一种算法可以由密文恢复明文，但不需要保证密文可检索。

本发明的有益效果是：

本发明的时间字段的检索与解密分别由两种加密过程相结合来共同实现，这种方式简化了可检索加密算法的复杂度，适用于建筑结构试验的实时数据接收，加密与存储。

由于本发明中可检索加密过程是不可逆的，即无法通过加密数据进行数据恢复，只能通过AES加密数据来进行数据恢复。因此本发明提供的针对建筑结构试验时间字段的加密方法的安全性能与AES加密的安全性能相同，但增加了可检索功能。

附图说明

图1是本发明建筑结构试验数据接收加密与存储过程的流程图；

图2是本发明建筑结构试验时间字段加密过程的流程图；

图3是本发明建筑结构试验按时间字段检索过程的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述。

如图1所示，本发明实施例的接收加密和存储过程如下：

首先对结构试验数据进行实时接收，这里需要使用各种采集器对现场数据进行实时采集，并通过上位机进行数据接收并解析。解析出的每条数据包括以下字段：采集器编号，采样值，采样单位，采样时间。在将结构试验数据存入数据库之前，需要对采集数据的每个字段进行加密。对于时间字段和非时间字段采用不同的加密方式，对于非时间字段，使用AES加密算法进行加密，对于时间字段的加密方式如图2所示。各个字段的加密结果构成一条记录存储在数据库中，其中时间字段的加密结果分为两个字段，时间AES加密数据和时间可检索加密数据。对数据库中的时间可检索加密数据字段建立索引，以便于按时间检索试验数据。

如图2所示，实施例的时间加密过程如下：

首先将时间转化为Unix时间戳格式，使用4字节无符号整型表示。然后对这个时间戳进行两种加密过程，一种为AES加密，另一种为可检索加密。可检索加密的过程为，对明文a和密钥m进行如下运算：f(a,m)＝(2^n-1a+a|m)* (2^n-1a+a|～m)，其中密钥m同为4字节无符号整型数，～m为m按位求反后的数值，a|m为a和m按位进行或运算得到的数值，a|～m为a和～m按位进行或运算得到的数值，n＝32表示明文的bit位数。计算得到的f(a,m)为密文，对于明文 a₁和a₂，如果a₁<a₂，那么f(a₁,m)<f(a₂,m)，因此这种加密算法保持了加密前后数据的相对顺序，具有密文可检索特点。

例如对时间2018-01-01 00:00:00进行加密，加密密钥m为10010101001000110110010111011001。首先将时间2018-01-01 00:00:00转化为Unix时间戳，转化结果为1514736000，用4字节二进制表示为01011010010010010000100110 000000，此数值为加密明文a。对明文a和密钥m进行运算f(a,m)＝ (2^n-1a+a|m)*(2^n-1a+a|～m)，其中n＝32，则运算结果为00000111111101 01110110111110000101010111111001101100110010000010011100111100001100 1101010010111000101001100000001001110110110110，此结果即为可检索加密后的密文。

如图3所示，实施例的时间检索过程如下：首先确定检索时间范围，例如检索大于时间t₁，小于时间t₂的试验数据。将t₁和t₂转化为Unix时间戳格式，结果为T₁，T₂。然后对T₁和T₂进行可检索加密，即进行如下运算：f(T₁,m)＝ (2^n-1T₁+T₁|m)*(2^n-1T₁+T₁|～m)， f(T₂,m)＝(2^n-1T₂+T₂|m)*(2^n-1T₂+T₂|～m)，其中密钥m与加密存储过程使用的密钥相同。在数据库中查询时间可检索数据字段大于f(T₁,m)，小于f(T₂,m) 的记录，对于每条记录中的每个字段(除时间可检索数据字段)的数据进行AES 解密得到原始数据。对于时间AES加密数据，在进行AES解密后，得到Unix 时间戳，需要根据业务需求将Unix时间戳转化为具体的时间格式。

Claims (8)

1.一种建筑结构试验数据时间字段加密存储的方法，其特征在于：方法包括如下步骤：

步骤1：使用采集器对建筑结构试验现场数据进行采集，并实时数据接收并解析，解析出的每条数据包括以下字段：采集器编号、采样值、采样单位和采样时间；

步骤2：将步骤1中的采样时间转化为Unix时间戳，并用4字节无符号整数表示；

步骤3：对于步骤2得到的Unix时间戳进行AES加密，获得时间AES加密数据；

步骤4：对于步骤2得到的Unix时间戳进行可检索加密，获得时间可检索加密数据；

步骤5：对于步骤1得到的采集器编号、采样值和采样单位的数据分别进行AES加密；

步骤6：把步骤5得到的采集器编号、采样值和采样单位的AES加密数据，步骤3得到的时间AES加密数据，以及步骤4得到的时间可检索加密数据，作为一条记录存储在关系型数据库中。

2.根据权利要求1所述的一种建筑结构试验数据时间字段加密存储的方法，其特征在于：所述的步骤4中，通过特殊的可检索加密使得加密前后的Unix时间戳相对顺序不改变，即对于未加密的Unix时间戳T₁和Unix时间戳T₂，如果Unix时间戳T₁<Unix时间戳T₂，那么Unix时间戳T₁加密后对应的时间可检索加密数据f(T₁)和Unix时间戳T₂加密后对应的时间可检索加密数据f(T₂)满足f(T₁)<f(T₂)。

3.根据权利要求2所述的一种建筑结构试验数据时间字段加密存储的方法，其特征在于：

所述的步骤4中，可检索加密具体包括以下步骤：

步骤4.1：随机生成一个四字节无符号整数M作为密钥；

步骤4.2：对四字节无符号整数的Unix时间戳T申请八字节存储空间，并将Unix时间戳存储于八字节存储空间的第2位到第33位，其他位补零；

步骤4.3：对四字节无符号整数的Unix时间戳T和步骤4.1得到的密钥M按位进行或运算；

步骤4.4：对步骤4.1得到的密钥M按位进行非运算；

步骤4.5：对四字节无符号整数的Unix时间戳T和步骤4.4得到的结果按位进行或运算；

步骤4.6：对步骤4.2和步骤4.3得到的结果相加，得到八字节无符号整数；

步骤4.7：对步骤4.2和步骤4.5得到的结果相加，得到八字节无符号整数；

步骤4.8：对步骤4.6和步骤4.7得到的结果相乘，得到十六字节无符号整数，作为可检索加密数据。

4.根据权利要求2所述的一种建筑结构试验数据时间字段加密存储的方法，其特征在于：

所述的步骤6中，对于时间可检索加密数据在关系型数据库中的存储方式为：将数据由16字节无符号整数转化为128位二进制字符串进行存储。

5.根据权利要求2所述的一种建筑结构试验数据时间字段加密存储的方法，其特征在于：

所述的步骤6中，关系型数据库的表字段包括采集器编号、采样值、采样单位、时间AES加密数据和时间可检索加密数据；这些字段分别存储步骤1得到的采集器编号、采样值和采样单位，步骤3得到的时间加密结果以及步骤4得到的时间加密结果，并对于其中的时间可检索加密数据字段建立索引。

6.对应于权利要求1-5任一所述加密存储方法的一种建筑结构试验数据时间字段加密检索的方法，其特征在于：方法包括如下步骤：

S1：对于时间检索条件的起始时间t₁和结束时间t₂分别转化为Unix时间戳T₁和T₂，并用4字节无符号整数表示；

S2：对于步骤S1得到的Unix时间戳分别进行可检索加密，获得加密结果为f(T₁)和f(T₂)；

S3：使用步骤S2得到的两个加密结果f(T₁)和f(T₂)作为时间可检索加密数据的字段下界和字段上界，在关系型数据库中进行检索，获得多条检索纪录；

S4：对于步骤S3得到的每一条检索记录中的时间AES加密数据进行AES解密，得到未加密的Unix时间戳；同时对采集器编号、采样值和采样单位的AES加密数据也进行AES解密，得到未加密的采集器编号、采样值和采样单位的数据；

S5：将步骤S4得到的未加密的Unix时间戳转化为需要的时间格式，并且与步骤S4得到的未加密的采集器编号、采样值和采样单位的数据一起构成了原始数据，完成时间检索。

7.根据权利要求6所述的一种建筑结构试验数据时间字段加密检索的方法，其特征在于：所述的步骤S2中，可检索加密具体包括以下步骤：

步骤S2.1：随机生成一个四字节无符号整数M作为密钥；

步骤S2.2：对四字节无符号整数的Unix时间戳T申请八字节存储空间，并将Unix时间戳存储于八字节存储空间的第2位到第33位，Unix时间戳前的低位补零；

步骤S2.3：对四字节无符号整数的Unix时间戳T和步骤S2.1得到的密钥M按位进行或运算；

步骤S2.4：对步骤S2.1得到的密钥M按位进行非运算；

步骤S2.5：对四字节无符号整数的Unix时间戳T和步骤S2.4得到的结果按位进行或运算；

步骤S2.6：对步骤S2.2和步骤S2.3得到的结果相加，得到八字节无符号整数；

步骤S2.7：对步骤S2.2和步骤S2.5得到的结果相加，得到八字节无符号整数；

步骤S2.8：对步骤S2.6和步骤S2.7得到的结果相乘，得到十六字节无符号整数，作为加密结果。

8.根据权利要求6所述的一种建筑结构试验数据时间字段加密检索的方法，其特征在于：所述的步骤S1中，当时间检索条件只有起始时间时，结束时间的时间戳T₂取值为2³²-1；当时间检索条件只有结束时间时，开始时间的时间戳T₁取值为0。

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