加強(qiáng)云存儲(chǔ)數(shù)據(jù)安全[權(quán)威資料]

加強(qiáng)云存儲(chǔ)數(shù)據(jù)安全 本文檔格式為 WORD,感謝你的閱讀。 摘 要 云存儲(chǔ)服務(wù)是眾多云服務(wù)中最著名的服務(wù)之一，它為用戶提供了一個(gè)經(jīng)濟(jì)又簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式。然而，為了保證云端數(shù)據(jù)的安全性，云系統(tǒng)需要為每一份數(shù)據(jù)維護(hù)多份副本，極大的降低了空間利用率。本文提出了一個(gè)空間高效的、面向用戶的、安全、可調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案。方案在有效提高云端系統(tǒng)空間利用率的條件下，可以保證用戶數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)安全性，并允許用戶根據(jù)實(shí)際安全需求自定義備份數(shù)據(jù)數(shù)量。此外，本方案還 可以為用戶的備份數(shù)據(jù)提供一定程度上的數(shù)據(jù)機(jī)密性，并讓用戶在下載數(shù)據(jù)時(shí)可以選擇不同安全級(jí)別的傳輸方式。 關(guān)鍵詞 云存儲(chǔ)服務(wù)；空間高效性；安全；面向用戶 1 前言 云存儲(chǔ)服務(wù)屬于基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)（ IaaS）的范疇，是云計(jì)算服務(wù)的最基本服務(wù)形式之一。在云存儲(chǔ)服務(wù)中，云服務(wù)提供商（ CSP）為用戶提供無(wú)限量的空間供其存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)，并從中收取少量費(fèi)用，這就為用戶省去了購(gòu)買存儲(chǔ)設(shè)備的費(fèi)用。一項(xiàng)調(diào)查結(jié)果顯示， 56%的云用戶使用的是 IaaS 服務(wù)，并且絕大部分 IaaS 用戶使用的是云存儲(chǔ)服務(wù) 和虛擬機(jī)租借服務(wù)。由此可見(jiàn)，云存儲(chǔ)服務(wù)在所有云服務(wù)中占據(jù)著非常重要的地位，可以為 CSP 帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)收益。 然而，用戶在使用云存儲(chǔ)服務(wù)過(guò)程中也有很多擔(dān)憂。一項(xiàng)國(guó)外調(diào)查結(jié)果 1顯示， 81%的云用戶關(guān)注云數(shù)據(jù)的安全性和機(jī)密性，其中數(shù)據(jù) “ 安全性 ” 指的是數(shù)據(jù)可靠性和完整性。顯然，數(shù)據(jù)安全性和機(jī)密性是云服務(wù)中用戶最關(guān)心的問(wèn)題。 為了保證云端數(shù)據(jù)安全性， CSP（如 Google，使用GFS2系統(tǒng)）會(huì)為每一份數(shù)據(jù)保存多份備份數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)生數(shù)據(jù)損壞時(shí)就可以從完整的數(shù)據(jù)副本里恢復(fù)出正確數(shù)據(jù)。顯然，備份數(shù) 據(jù)越多數(shù)據(jù)越安全，但同時(shí)卻也降低了云存儲(chǔ)空間的有效利用率。此外，就機(jī)密性來(lái)說(shuō)，一般情況下，用戶在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的時(shí)候會(huì)先將數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，然后將密文存于云端，這就可以避免數(shù)據(jù)信息泄露。 我們提出了一個(gè)空間高效的、面向用戶的、安全、可調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案。本方案基于 Shamir 秘密分享方案 3，可以在保證提供與 GFS 系統(tǒng)相同數(shù)據(jù)安全性的同時(shí)有效減少空間使用量。并且，本方案使得用戶可以估計(jì)自己數(shù)據(jù)安全性并以此為依據(jù)選擇備份數(shù)據(jù)的數(shù)量。該機(jī)制的引入對(duì)于用戶和 CSP 均有好處，對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，用戶可以租用適當(dāng)?shù)拇鎯?chǔ)空間， 從而節(jié)約存儲(chǔ)費(fèi)用；而對(duì) CSP 來(lái)說(shuō)，可以獲得更多的空間服務(wù)更大量的用戶。此外，本方案還可以為備份數(shù)據(jù)提供一定程度上的數(shù)據(jù)機(jī)密性。最后，在用戶下載數(shù)據(jù)的時(shí)候本方案可以提供不同安全級(jí)別的數(shù)據(jù)傳輸模式。 2 相關(guān)工作和設(shè)計(jì)目標(biāo) GFS2系統(tǒng)包括了兩個(gè)部分： Master 服務(wù)器和 Chunk服務(wù)器集群。其中， Master 服務(wù)器負(fù)責(zé)與用戶的交互和對(duì)Chunk 服務(wù)器集群的管理。而 Chunk 服務(wù)器集群負(fù)責(zé)存儲(chǔ)用戶的數(shù)據(jù)并接受 Master 服務(wù)器的調(diào)度和控制。當(dāng)用戶存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)被分成固定大小的數(shù)據(jù)分塊 存儲(chǔ)在 Chunk 服務(wù)器集群之中。為了保證數(shù)據(jù)的安全性， GFS 為每一個(gè)數(shù)據(jù)分塊備份三份數(shù)據(jù)副本。此模式下， GFS 系統(tǒng)的有效空間利用率為25%。 從上述分析可以得知，當(dāng)前的云存儲(chǔ)服務(wù)系統(tǒng)有效空間利用率非常低，并且云系統(tǒng)并不為備份數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)機(jī)密性。因此，本文提出了一個(gè)空間高效的、面向用戶的、安全、可調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案。其具體設(shè)計(jì)目標(biāo)包括： 1.空間高效性，方案空間利用率應(yīng)比較高； 2.方案應(yīng)該是面向用戶的，用戶可以自己估計(jì)數(shù)據(jù)的安全性，并根據(jù)安全需求個(gè)性化設(shè)置備份數(shù)據(jù)的數(shù)量； 3.方案是安全的，方案能為備份數(shù)據(jù)提供一定程度上的數(shù)據(jù)機(jī)密性； 4.方案是可調(diào)節(jié)的，當(dāng)用戶下載數(shù)據(jù)時(shí)系統(tǒng)能為用戶提供不同安全級(jí)別的傳輸模式。 系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖 1 所示，系統(tǒng)包括用戶模塊和 CSP 模塊。用戶模塊即使用云存儲(chǔ)服務(wù)的用戶， CSP 模塊即云系統(tǒng)模塊。如 GFS 一樣， CSP 模塊也包括了兩類服務(wù)器： Master 服務(wù)器和 Storage 服務(wù)器。 在我們的系統(tǒng)中，用戶模塊除了可以向 CSP 模塊租用云服務(wù)以外還可以： 1. 根據(jù)自己實(shí)際安全需求個(gè)性化定制自己備份數(shù)據(jù)副本的數(shù)量； 2.下載數(shù)據(jù)時(shí)可以選擇不同安全級(jí)別的傳輸模式。 在 CSP 模塊中， Master 服務(wù)器主要負(fù)責(zé)與用戶進(jìn)行請(qǐng)求交互、管理 Storage 服務(wù)器集群、根據(jù)用戶設(shè)置的參數(shù)引導(dǎo) Storage 服務(wù)器備份數(shù)據(jù)等。而 Storage 服務(wù)器則主要負(fù)責(zé)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、在 Master 服務(wù)器的引導(dǎo)下備份數(shù)據(jù)等。 在我們的方案中，當(dāng)用戶想要將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至云端的時(shí)候，他首先應(yīng)該個(gè)性化定制他的數(shù)據(jù)備份方案（即，確定備份數(shù)據(jù)的數(shù)量）。接著他向 Master 服務(wù)器提出存儲(chǔ)請(qǐng)求，Master 服務(wù)器根據(jù)用戶的數(shù)據(jù)總量和備份方案選擇是否向用戶提供云存儲(chǔ)服務(wù)。 3.2 數(shù)據(jù)備份方案 我們的存儲(chǔ)方案與 GFS 系統(tǒng)一樣，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)用戶數(shù)據(jù)會(huì)首先被分成固定大小的數(shù)據(jù)分塊，然后再備份并存儲(chǔ)。但我們的數(shù)據(jù)備份方案卻與 GFS 完全不一樣。我們的方案基于（ K， N） -Shamir 秘密分享方案 3，是一個(gè)空間高效性的、面向用戶的備份過(guò)程。當(dāng)用戶擁有 N 中的任意 K 份數(shù)據(jù)就能恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)，具體過(guò)程如下所示。 當(dāng) Storage 服務(wù)器收到用戶的數(shù)據(jù)之后，它會(huì)以數(shù)據(jù)分塊為單位對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，我們以一個(gè)數(shù)據(jù)分塊（記作 D）為例來(lái)講解數(shù)據(jù)備份過(guò)程。服務(wù)器首先將數(shù)據(jù)分塊 D 分成多份更小的單位數(shù)據(jù)塊（記作 URP），于 是我們就可以用有序?qū)Γ?i， URPi）來(lái)表示 D，即 D=（ i， URPi） 0iK ，其中 i表示 URP 的序列號(hào)， K 表示 D 中 URP 的總量。接下來(lái)，我們將K 個(gè)（ i， URPi）對(duì)看作有限域 Zp上的 K 個(gè)離散點(diǎn)，其中 p 為大素?cái)?shù)。于是我們就可以在這 K 個(gè)點(diǎn)上利用拉格朗日插值公式 4生成 K-1 階多項(xiàng)式 f（ x），如公式（ 1）所示： 其中， NBlock 與公式（ 2）中的 K 的意義完全一樣，而公式（ 2）中的 N=NGFS*NBlock。 如果我們令NBlock=10、 =0.01 ，則根據(jù)公式（ 2）和公式（ 3）我們可以得 出備份數(shù)據(jù)所提供的數(shù)據(jù)安全性，結(jié)果如圖 2 所示： 圖 2 中，橫坐標(biāo)是備份數(shù)據(jù)的數(shù)量，縱坐標(biāo)是備份數(shù)據(jù)所提供的安全性。需要注意的是，在 GFS 系統(tǒng)中，由于備份方案是復(fù)制整個(gè)數(shù)據(jù)分塊，所以，單位數(shù)據(jù)塊的數(shù)量的增長(zhǎng)應(yīng)該是按照 NBlock 的倍數(shù)增長(zhǎng)方式進(jìn)行的：即 NBlock=10時(shí)，當(dāng)單位數(shù)據(jù)塊數(shù)量為 10時(shí)，備份了一個(gè)數(shù)據(jù)，為 20時(shí)，備份了兩個(gè)數(shù)據(jù)，以此類推。因此，當(dāng) NBlock 處于 1020之間時(shí)，由于 GFS 沒(méi)有完整的備份完第二個(gè)數(shù)據(jù)副本，因此其提供的安全性并沒(méi)有增長(zhǎng)。 從圖 2 中我們可以看出，在備份 數(shù)據(jù)數(shù)量達(dá)到 12時(shí)我們的方案即能提供 99.98%的安全性。而在 GFS 系統(tǒng)中，要達(dá)到同等級(jí)別的數(shù)據(jù)安全性則需要備份三份（即 NGFS=3）完整數(shù)據(jù)，即備份數(shù)據(jù)數(shù)量為 30（ 3*NBlock）。此時(shí)，我們的方案可以比 GFS 節(jié)約 60%（ 30-12） /30*100%）的存儲(chǔ)空間。 同樣的，當(dāng) NBlock 和 的值發(fā)生變化時(shí)，根據(jù)公式（ 2）和公式（ 3）我們依然能得出如圖 2 所示的同等結(jié)論：我們的存儲(chǔ)方案提供與 GFS 系統(tǒng)同等數(shù)據(jù)安全性的情況下能比后者節(jié)約大量的存儲(chǔ)空間。因此，我們的方案有著非常高的空間利用率。 4.2 數(shù)據(jù)機(jī)密性 從本文 3.2 節(jié)中我們知道，我們的備份數(shù)據(jù)是從原始的 K 個(gè)單位數(shù)據(jù)中映射出來(lái)的 N 個(gè)單位數(shù)據(jù)，這 N 個(gè)數(shù)據(jù)與原來(lái)的 K 個(gè)數(shù)據(jù)完全不同。敵手在不知道各單位數(shù)據(jù)的具體序列的情況下，即便竊取了所有數(shù)據(jù)也無(wú)法重構(gòu)出原始數(shù)據(jù)，因此可以看作是對(duì)原始數(shù)據(jù)的一次加密。所以，我們的方案能為備份數(shù)據(jù)提供一定程度的數(shù)據(jù)機(jī)密性。 4.3 傳輸安全級(jí)別 從本文 3.4 節(jié)的介紹可知，用戶在下載數(shù)據(jù)的時(shí)候有兩種安全級(jí)別的傳輸模式：高安全傳輸模式和低安全傳輸模式。 5 結(jié)論 云存儲(chǔ)服務(wù)是云計(jì)算服務(wù)的基本服務(wù)形式之一，用戶對(duì)云服務(wù)的最大擔(dān)憂是數(shù)據(jù)的安全性。我們調(diào)研了各大 CSP，如， Google、 Amazon 和 Microsoft 等，發(fā)現(xiàn)在這些云系統(tǒng)中保證數(shù)據(jù)安全性的機(jī)制是簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)多份相同數(shù)據(jù)，這極大降低了存儲(chǔ)空間的利用率。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)基于秘密分享方案的、空間高效的、面向用戶的、安全、可調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案。方案中利用拉格朗日插值公式和秘密分享技術(shù)備份用戶數(shù)據(jù)，從而達(dá)到了對(duì)數(shù)據(jù)加密和提高空間利用率雙重目的。本文詳細(xì)介紹了方案的架構(gòu)，并結(jié)合設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)方案做了詳盡的分析，完全達(dá)到了 既定目標(biāo)。最后，我們通過(guò)分析可知備份過(guò)程的時(shí)間復(fù)雜度為 O（ K2），當(dāng) K 取值合理時(shí)，備份時(shí)間開(kāi)銷是完全可接受的。 參考文獻(xiàn) 1 Wu J， Ping L， Ge X， et al. 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