基于密钥矩阵的教育资源加密安全共享方法

摘要：教育资源的数据量庞大且类型繁多，在加密过程中，面临加密速度的瓶颈，难以满足高效安全保护的需求。为此，该文提出了一种基于密钥矩阵的教育资源加密安全共享方法。该方法使用随机S盒作为基本单元，结合密钥进化函数（动态更新密钥以增强加密系统的安全性） 与自进化机制，确保加密机制的灵活性与安全性。采用双重加密策略，对数据进行加密并存储。最后，实施访问控制策略，根据用户属性与需求划分权限，并动态调整权限设置，以实现教育资源的安全和高效共享。实验结果表明，该方法能够提升教育资源的加密速度，确保资源共享的安全性。在实际应用中展现出广阔的前景，对推动教育资源的保护与共享具有重要意义。

关键词：密钥矩阵；教育资源；资源加密；资源共享；区块链技术

中图分类号：TP391      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2025）07-0093-03

开放科学（资源服务） 标识码（OSID）

0 引言

在教育领域，信息技术飞速发展。这导致教育资源不再局限于传统的纸质书籍和课堂讲授，而是迅速向数字化、网络化和智能化转型。这一转变丰富了教育资源的种类与数量，同时也对资源的安全传输与高效共享带来了挑战。因此，开发一种既能确保资源安全又能促进高效共享的技术方案变得尤为重要。众多学者对此进行了研究，例如，在大数据环境下，物联网设备数据隐私保护方面采用加密技术和访问控制机制，防止了数据泄露和非授权访问，增强了数据的安全性[1]。再如，基于区块链的在线教育资源可信共享平台利用区块链技术，通过智能合约等机制自动执行合同条款，降低了教育资源共享的信任成本[2]。尽管上述加密方法取得了一定的研究成果，但在应对大规模资源数据时，仍面临密钥管理复杂和加密效率下降的难题。鉴于此，本文提出了一种基于密钥矩阵的教育资源加密共享方法，将复杂的密钥管理任务简化为对密钥矩阵的操作。通过密钥生成与分配策略，实现了教育资源在加密过程中的灵活性与高效性。具体而言，密钥矩阵由多个子密钥块组成，每个子密钥块负责加密教育资源中的特定部分。这种策略不仅降低了单一密钥泄露的风险，还使加密过程能够并行处理，从而提高了加密效率。

1 构建密钥矩阵

本文选用随机替代盒（Substitution Box，S盒） 作为密钥矩阵的基本构建单元。S盒是高度随机化的置换矩阵，每个S盒均具备8位输入与8位输出的特性，能够将输入的8位数据随机映射到输出的8位数据上[3]。这种随机化特性显著增强了加密系统的复杂性和安全性，使得攻击者难以预测和分析加密过程。

在构建密钥矩阵时，这些S盒通过精心设计的排列组合方式融入其中。利用S盒构建了一个维度为[m×n]的密钥矩阵[K]，该矩阵的每个元素都是一个S盒。其构建过程的计算公式如下所示。

[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。为进一步提高加密系统的安全性，本文设计一个密钥进化函数[f]，该函数能够根据初始密钥矩阵（即主密钥） [K0]和密钥进化指针[p]，动态地生成一次性使用的数据加密密钥[Kd]，这一过程的公式表达为：

[Kd=f（K0，p）=Hf（K0⊕Hash（p））]    （2）

式中，[⊕]表示矩阵逐元素异或，[Hash（⋅）]表示安全的哈希函数，[Hf（⋅）]表示涵盖置换、S盒替换、非线性多项式混合等复杂操作。本文还创新性地引入密钥自进化机制[g]，这一机制的引入极大地增强了加密机制的自适应能力和整体安全性[4]。密钥自进化机制的原理如图1所示。

这一进化过程并非简单的随机变化，而是基于一系列设计的规则和策略，以确保密钥的更新既具有不可预测性，又能保持与加密数据的紧密关联性。通过这种方式，即使攻击者试图通过收集和分析加密数据来预测或破解未来的密钥，也会因为密钥的不断进化而面临极大的困难[5]。密钥自进化过程的计算表达公式如下所示。

[Kd+1=g（Kd，ϕ（Kd），d）=Kd⋅Mϕ（Kd），d+vϕ（Kd），d]    （3）

式中，[Kd+1]表示自动更新后新的密钥矩阵，[M]和[v]分别表示基于特征和进化深度的矩阵和向量，[ϕ（Kd）]表示从[Kd]提取的特征因子，[d]表示进化深度。

2 加密教育资源

针对原始数据集[D]，本文通过计算数据集的冗余度[Dr]，并利用一个包含数据转换效率因子[Hc]和冗余离散度[Li]的消冗基准值进行去冗处理，共同反映了数据集在冗余性、转换效率和离散性方面的特性，是制定有效去冗策略的重要依据。消冗基准值的计算公式如下所示。

[R=（1-Dr（D））⋅Hc（D）+i=1nLi（Di）]    （4）

式中，[Di]表示转换后的数据子集，[n]表示转换次数。

去冗后的数据集进入数据置乱阶段，此阶段利用密钥矩阵[K∈Rm×n]的随机性与复杂性优势，通过非线性函数[f]与由密钥矩阵[K]生成的位置置换矩阵[P]的组合，执行置乱操作[6]。这一过程的计算公式如下所示。

[Ds=f（P⋅D，K）]    （5）

本文采用双层加密架构对置乱后的教育资源进行了深度加密。在个体密钥层，基于伪随机函数与数据包特征、节点ID的紧密关联，为每个数据包生成独一无二的个体密钥[DKw]。在层级密钥层，引入非固定密钥机制，通过综合所有个体密钥和额外加密参数生成层级密钥[DKl]，为整个数据集提供更为坚实的保护。在加密过程中，将AES加密算法全面应用于数据包头、包体及数据帧，结合明文与数据混淆技术，共同构建一个复杂多变的数据状态矩阵。加密过程的计算公式可以表示为：

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

式中，[dj]表示数据包的内容，[Hj]表示数据包头，[AES]表示AES加密函数，[⊕]表示异或操作，[Cf]表示明文混淆与数据混淆技术的组合函数[7]。

3 设置访问权限安全共享教育资源

在资源安全共享方面，本文深入探索并构建了一套高度集成的身份验证与加解密技术相结合的数据共享流程。用户在访问教育资源之前，必须通过严格的身份验证程序。这确保了身份的真实性和合法性，防止未经授权的访问和数据泄露。安全共享机制如图2所示。

如图2所示，思政教育资源共享中心作为教育资源的核心汇聚地，负责广泛收集和精心整理各类教育资源。这些资源在上传至IPFS网络之前，会经过严格的加密流程，以确保传输过程中的安全性。加密处理完成后，每个资源都会生成一个唯一的哈希值，该值不仅用于标识资源，还用于验证其唯一性和完整性。加密后的资源及其哈希值会被发送至IPPS系统。IPPS系统会重新计算资源的哈希值，并与上传时生成的哈希值进行比对，以确认资源在传输过程中是否保持完整。一旦验证通过，资源将被安全地存储在IPPS系统中，等待进一步审核。资源的所有者有权请求对资源进行审核，而监管机构则负责全面监控审核过程，并根据资源的合规性、重要性等级、隐私性需求等多个因素，决定是否批准其发布。一旦资源通过审核，IPPS系统会上传至IPFS网络，并生成哈希值，以便用户检索和下载。

用户在访问思政教育资源共享系统时，需要通过身份验证程序，以确保其身份的真实性和合法性。身份验证通过后，用户通过提供资源的哈希值来检索所需资源。IPPS系统会验证用户提供的哈希值与系统中存储的哈希值是否匹配。一旦匹配成功，会引导用户从IPFS网络中下载加密的资源文件。下载完成后，用户使用解密密钥矩阵对加密的资源文件进行解密处理，从而获取原始内容。此外，用户还能通过IPPS系统提供的接口或工具，在分布式存储系统中查找并下载所需文件。这一过程依赖资源的唯一哈希值来实现，确保资源查找和下载的准确性与高效性。在资源共享过程中，共享中心考虑资源的重要性等级、隐私性需求、传输环境的安全性以及信道安全隐患等因素，制定最优的共享策略，以确保资源的安全、高效和合规共享。

4 实验

4.1 实验环境配置

为了全面且深入地验证本文提出的基于密钥矩阵的教育资源加密共享方法的性能，并确保实验结果能够紧密贴合实际应用场景的需求，本文搭建了一套复杂而细致的实验环境。这一实验环境的构建不仅考虑了技术实现的细节，还充分模拟了教育资源在传输与共享过程中可能遇到的各种挑战与限制条件。本文实验环境的详细配置如表1所示。

由表1可以看出，本文搭建的实验环境在硬件、软件和网络等方面进行了全面而细致的配置，能够充分模拟教育资源在传输与共享过程中可能遇到的各种挑战和限制条件，为验证基于密钥矩阵的教育资源加密共享方法的性能提供了有力的支持。

4.2 教育资源准备

为了全面且深入地评估本文提出的加密方法在教育资源保护中的实际效果，精心准备了一系列多样化的教育资源。这些资源覆盖了教育过程中常见的各种数据类型和格式，旨在全面模拟真实教育场景下的资源保护与共享需求。表2是对本次实验准备的教育资源清单的详细扩展说明。

在加密实验过程中，将针对不同资源类型的特性，设计并实施不同的加密策略，以探索最适合教育资源保护的加密方法。通过对比不同加密策略在加密效率、数据安全性和用户体验等方面的表现，旨在为教育领域提供一套高效、安全且易于实施的加密解决方案。

4.3 结果分析

本文设计并实施了一系列实验，旨在全面评估所提出的基于密钥矩阵的教育资源加密安全共享方法，并将其性能与两种对比方法进行比较。对比方法分别是：基于混沌映射的隐私数据库自适应加密方法（简称对比方法一） 和基于关联规则的课程教学资源加密传输方法（简称对比方法二） 。表3所示的实验结果展示了三种方法在不同教育资源类型上的加密速度表现。

根据表3中的实验结果可以看出，本文方法在不同教育资源类型上的加密速度均展现出了显著的优势。在文本资料的处理上，尽管数据量相对较小，但本文方法依然实现了较快的加密速度，达到了147.3 MB/s，远超对比方法，体现了该算法在处理小型数据时的高效性。对于图片素材、课件PPT等视觉教学资源，本文方法在保证加密质量的同时，也实现了加密速度的显著提升，这对于提高教育资源在网络传输中的效率和安全性具有重要意义。值得注意的是，在处理数据密集型资源如视频课程和音频资料时，本文方法的加密速度更是实现了飞跃性增长。视频课程加密速度高达789.5 MB/s，音频资料也达到了396.2 MB/s，远超对比方法。这一成果不仅极大地优化了用户体验，使用户能够更快地获取加密后的教育资源，也为教育资源的广泛传播与高效利用提供了强有力的技术支持。此外，这种高效的加密速度还降低了加密过程对系统资源的占用，提高了整体系统的稳定性和可靠性。本文基于密钥矩阵的教育资源加密共享方法，在加密速度、安全性、适应性和稳定性等方面均表现出了卓越的性能。这一成果的取得，不仅为教育资源保护领域的研究注入了新的活力，也为推动教育的个性化、精准化传播提供了有力的技术支撑。

5 结束语

综上所述，本文围绕基于密钥矩阵的教育资源加密共享方法进行了深入探索，通过精心设计与实现一种创新的密钥管理机制，成功将密钥矩阵无缝融入教育资源的加密与解密流程中，显著提升了资源传输与存储过程的安全性。实验结果表明，本文提出的基于密钥矩阵的教育资源加密共享方法在加密速度、安全性、适应性和稳定性等方面均展现出卓越的性能。与对比方法相比，本文方法不仅在加密速度上实现了显著提升，更在安全性方面构建了更为坚固的防线。通过灵活的密钥分配策略，成功实现了对不同用户群体权限的精细控制，为教育的个性化与精准化传播提供了有力的技术支撑。展望未来，将继续深化基于密钥矩阵的教育资源加密共享方法的研究，探索更高效、更安全的密钥管理机制，以及更智能、更个性化的教育资源分发策略。同时，也将关注新兴技术在教育领域的应用，将先进技术融入研究中，推动教育资源的共享与传播，为教育的发展和创新做出贡献。

参考文献：

[1] 孔庆苹.大数据环境下物联网设备数据隐私保护研究[J].无线互联科技，2024，21（7）：116-118.

[2] 许宏敏，李京，尹隽.基于区块链的在线教育资源可信共享平台[J].无线互联科技，2022，19（13）：63-65.

[3] 周山虎.基于区块链技术的高校物理数字化教育资源集成共享方法[J].信息与电脑（理论版），2024，36（6）：254-256.

[4] 王一海，刘星.基于区块链技术的信息资源共享模式研究[J].信息化研究，2023，49（6）：1-6.

[5] 王博琼.基于区块链技术的物联网环境教育资源数据共享方法[J].无线互联科技，2023，20（16）：158-160，168.

[6] 王亮.基于区块链技术的高校线上课程教育资源共享方法[J].信息与电脑（理论版），2023，35（10）：25-27.

[7] 陈巧坚.基于区块链技术的图书馆信息化业务系统的重建和改造策略研究[J].江苏科技信息，2022，39（33）：49-51，66.

【通联编辑：张薇】