CN114896620A - 一种基于量子加密数据库索引方法、设备及存储介质 - Google Patents

一种基于量子加密数据库索引方法、设备及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于量子加密数据库索引方法、设备及存储介质，涉及数据加密索引技术领域，通过数据库中存储的是加密的数据，但是前缀不加密，对未加密的数据构建前缀索引，在每一个前缀下建立一个统计量目录，目录的表项指向存放加密数据桶；有效地在数据的安全性和数据存取的性能之间做了权衡，在保证必要的安全性的同时，较大限度地对数据存取进行了优化，以达到提高加密数据库系统性能的效果；利用量子随机数发生器产生的随机数的真随机性，使用其进行对称密钥的生成，能有效提高加密算法中密钥的安全性，从而提高加密数据库系统整体的安全性。

Description

一种基于量子加密数据库索引方法、设备及存储介质
技术领域
本发明属于数据加密索引技术领域，具体涉及一种基于量子加密数据库索引方法、设备及存储介质。
背景技术
随着现在科技的不断发展，随着量子技术的不断发展，量子加密方法也逐渐成熟。传统的通信加密方法依赖密钥，密钥一旦被破解，数据的安全性就难以保障，而随着信息技术的不断发展，许多现存的加密方式都有被破解的危险；传统的对称加密算法都使用编程方法来产生随机数，其产生的随机数具有伪随机的特性，有遭受攻击的风险；而量子随机数发生器所产生的随机数具有真随机的特性，使用其产生的对称密钥能从根源防止攻击者的对密钥的攻击；借助量子加密方法，我们可以实现对数据库存储信息的高安全性加密，从而极大程度地提高数据库系统的安全性。
设计一个高效的数据库加密算法，需要权衡数据安全性和数据存取性能，对数据进行不同程度的加密有不同的存取代价，加密的程度越高，其存取代价就越高。具有一个高效的数据库加密系统需要在提供所需的安全性的同时尽量提升数据的存取性能。本发明基于量子加密实现了一个数据库加密算法，通过设计加密索引，在保证安全性的同时提高了数据的插入和查询性能，为此现在提出一种基于量子随机数发生器的加密数据库索引方案。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于量子加密数据库索引方法、设备及存储介质，解决了现有技术中对于数据进行加密的方法产生的随机数具有被攻击的风险的技术问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种基于量子加密数据库索引方法，包括以下步骤：
采用量子随机数发生器生成随机数，并且将随机数作为主密钥，然后采用AES算法将主密钥扩展为对称密钥；
将原始数据的字段构建前缀B+树索引和字段统计量；
根据前缀定位前缀索引B+树中的位置，从而找到字段的统计量目录，根据字段统计量定位加密数据桶，然后再使用AES算法对数据块进行加密，将加密数据和对称密钥一起插入加密数据桶中；
查询字段的前缀，根据字段的前缀索引B+树中定位字段的前缀所对应的索引项，然后扫描前缀索引叶节点所指向的统计量目录，依次搜索统计量目录对于的每一个数据桶，直到找到查询的主键所对应的数据块；之后取出加密的数据块和对称密钥，根据对称密钥对加密数据块应用AES解密算法，得到所需数据。
进一步地，在进行加密数据存取的过程中引入了两类数据结构：数据基础属性和数据库存储加密数据。
进一步地，所述数据基础属性包括：原始数据、前缀和统计量。
进一步地，所述原始数据即待存取的数据，所述前缀为提取的原始数据的一定长度的前缀，所述统计量为一种分类规则目录，将同一类型的数据放入数据桶中。
进一步地，所述数据库存储加密数据包括：加密数据和对称密钥。
进一步地，所述加密数据是经过量子随机数生成的对称密钥进行AES加密后的数据，所述对称密钥是利用量子随机数发生器产生的量子密钥作为的主密钥经过AES密钥扩展算法得到的对称密钥，加密数据和对称密钥具有一一对应的关系。
进一步地，在对原始数据的字段构建前缀索引时，首先需要确定前缀的长度，确定前缀的长度需要通过对一组原始数据进行选择性计算，计算公式如下：
Figure 883735DEST_PATH_IMAGE001
其中，Selectivity为选择性，count(*)为总记录数，count（distinct left（column name，prefix length））为不重复字段前缀记录个数；
本公式给出了某个前缀所对应的不重复的记录数占全体记录数的比例；根据数据段的特性，事先规定一个选择性阈值，根据原始数据的选择性计算结果来决定前缀索引的前缀长度，在数据量不断变大的过程中，每隔一段时间对前缀长度进行更新。
进一步地，通过增加前缀长度的方式来更新索引，根据新的前缀长度来重建前缀索引树，再将每个数据桶根据前缀进行分裂，放进对应前缀的统计量目录中。
进一步地，一种设备，包括：
一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上所述的一种基于量子加密数据库索引方法。
进一步地，一种包含计算机可执行指令的存储介质，所述计算机可执行指令在由计算机处理器执行时用于执行如上所述的一种基于量子加密数据库索引方法。
本发明的有益效果：
本发明方案主要设计了一种基于量子随机数发生器的数据库加密索引，这一方法的主要特点是使用前缀索引和统计量目录来加速存取过程，即数据库中存储的是加密的数据，但是前缀不加密，对未加密的数据构建前缀索引，在每一个前缀下建立一个统计量目录，目录的表项指向存放加密数据桶；本发明提供的索引设计方案有效地在数据的安全性和数据存取的性能之间做了权衡，在保证必要的安全性的同时，较大限度地对数据存取进行了优化，以达到提高加密数据库系统性能的效果；本方案利用量子随机数发生器产生的随机数的真随机性，使用其进行对称密钥的生成，能有效提高加密算法中密钥的安全性，从而提高加密数据库系统整体的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明流程图；
图2是本发明加密索引的具体架构示意图；
图3是本发明密钥产生过程和数据存储过程的示意图；
图4是本发明数据读取过程的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种基于量子加密数据库索引方法，包括以下步骤：
采用量子随机数发生器生成随机数，并且将随机数作为主密钥，然后采用AES算法将主密钥扩展为对称密钥；
将原始数据的字段构建前缀B+树索引和字段统计量，字段的前缀长度由一组原始数据的选择性计算得出；
需要进一步进行说明的是，在具体实施过程中，采用B+树索引作为前缀索引，由于同一前缀可能对应多个不同的加密数据块，采用了一个统计量目录来加速读取过程，即前缀B+树索引的每个叶子节点都指向一个统计量目录，统计量目录的每一个表项都指向一个数据桶，根据数据块的统计量将其放入数据桶中。
根据前缀定位前缀索引B+树中的位置，从而找到字段的统计量目录，根据字段统计量定位加密数据桶，然后再使用AES算法对数据块进行加密，将加密数据和对称密钥一起插入加密数据桶中；
然后查询字段的前缀，根据字段的前缀索引B+树中定位字段的前缀所对应的索引项，然后扫描前缀索引叶节点所指向的统计量目录，依次搜索统计量目录对于的每一个数据桶，直到找到查询的主键所对应的数据块；之后取出加密的数据块和对称密钥，根据对称密钥对加密数据块应用AES解密算法，得到所需数据。
需要进一步进行说明的是，在具体实施过程中，在进行加密数据存取的过程中引入了两类数据结构：数据基础属性和数据库存储加密数据。
所述数据基础属性包括：原始数据、前缀和统计量，所述原始数据即待存取的数据，所述前缀为提取的原始数据的一定长度的前缀，所述统计量为一种分类规则目录，将同一类型的数据放入数据桶中。
所述数据库存储加密数据包括：加密数据和对称密钥，其中加密数据是经过量子随机数生成的对称密钥进行AES加密后的数据，对称密钥是利用量子随机数发生器产生的量子密钥作为的主密钥经过AES密钥扩展算法得到的对称密钥，加密数据和对称密钥具有一一对应的关系。
需要进一步进行说明的是，在具体实施过程中，在对原始数据的字段构建前缀索引时，首先需要确定前缀的长度，确定前缀的长度需要通过对一组原始数据进行选择性计算，计算公式如下：
Figure 256948DEST_PATH_IMAGE001
其中，Selectivity为选择性，count(*)为总记录数，count（distinct left（column name，prefix length））为不重复字段前缀记录个数；
本公式给出了某个前缀所对应的不重复的记录数占全体记录数的比例。
根据数据段的特性，事先规定一个选择性阈值，根据原始数据的选择性计算结果来决定前缀索引的前缀长度，在数据量不断变大的过程中，每隔一段时间对前缀长度进行更新；
需要进一步进行说明的是，在具体实施过程中，具体方法是：若某个加密数据桶中存储的字段数量超过了限制，就通过增加前缀长度的方式来更新索引，根据新的前缀长度来重建前缀索引树，再将每个数据桶根据前缀进行分裂，放进对应前缀的统计量目录中。
这个过程只涉及到前缀树的重建，数据桶的分裂和指针的重定位，其代价是较小的。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内容。

Claims (10)

1.一种基于量子加密数据库索引方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用量子随机数发生器生成随机数，并且将随机数作为主密钥，然后采用AES算法将主密钥扩展为对称密钥；
将原始数据的字段构建前缀B+树索引和字段统计量；
根据前缀定位前缀索引B+树中的位置，从而找到字段的统计量目录，根据字段统计量定位加密数据桶，然后再使用AES算法对数据块进行加密，将加密数据和对称密钥插入加密数据桶中；
查询字段的前缀，根据字段的前缀索引B+树中定位字段的前缀所对应的索引项，然后扫描前缀索引叶节点所指向的统计量目录，依次搜索统计量目录对于的每一个数据桶，直到找到查询的主键所对应的数据块；之后取出加密的数据块和对称密钥，根据对称密钥对加密数据块应用AES解密算法，得到所需数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于量子加密数据库索引方法，其特征在于，在进行加密数据存取的过程中引入了两类数据结构：数据基础属性和数据库存储加密数据。
3.根据权利要求2所述的一种基于量子加密数据库索引方法，其特征在于，所述数据基础属性包括：原始数据、前缀和统计量。
4.根据权利要求3所述的一种基于量子加密数据库索引方法，其特征在于，所述原始数据即待存取的数据，所述前缀为提取的原始数据的一定长度的前缀，所述统计量为一种分类规则目录，将同一类型的数据放入数据桶中。
5.根据权利要求2所述的一种基于量子加密数据库索引方法，其特征在于，所述数据库存储加密数据包括：加密数据和对称密钥。
6.根据权利要求5所述的一种基于量子加密数据库索引方法，其特征在于，所述加密数据是经过量子随机数生成的对称密钥进行AES加密后的数据，所述对称密钥是利用量子随机数发生器产生的量子密钥作为的主密钥经过AES密钥扩展算法得到的对称密钥，加密数据和对称密钥具有一一对应的关系。
7.根据权利要求1所述的一种基于量子加密数据库索引方法，其特征在于，在对原始数据的字段构建前缀索引时，首先需要确定前缀的长度，确定前缀的长度需要通过对一组原始数据进行选择性计算，计算公式如下：
Figure 688427DEST_PATH_IMAGE001
其中，Selectivity为选择性，count(*)为总记录数，count（distinct left（column name，prefix length））为不重复字段前缀记录个数；
公式给出了某前缀所对应的不重复的记录数占全体记录数的比例；根据数据段的特性，事先规定一个选择性阈值，根据原始数据的选择性计算结果来决定前缀索引的前缀长度，在数据量不断变大的过程中，每隔一段时间对前缀长度进行更新。
8.根据权利要求7所述的一种基于量子加密数据库索引方法，其特征在于，通过增加前缀长度的方式来更新索引，根据新的前缀长度来重建前缀索引树，再将每个数据桶根据前缀进行分裂，放进对应前缀的统计量目录中。
9.一种设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1-8中任一所述的一种基于量子加密数据库索引方法。
10.一种包含计算机可执行指令的存储介质，其特征在于，所述计算机可执行指令在由计算机处理器执行时用于执行如权利要求1-8中任一所述的一种基于量子加密数据库索引方法。
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