云環(huán)境下的數(shù)據(jù)多副本安全共享與關(guān)聯(lián)刪除方案

熊金波，沈薇薇，黃陽群，姚志強(qiáng)

（福建師范大學(xué) 軟件學(xué)院，福建 福州 350108）

1 引言

云計(jì)算的飛速發(fā)展促使人類社會(huì)逐步信息化，每天都有數(shù)以億計(jì)用戶的私密郵件、文件等隱私數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到云環(huán)境中。由于用戶數(shù)據(jù)被分享到云環(huán)境中，授權(quán)用戶或云服務(wù)提供商的再次分享、下載或轉(zhuǎn)存到其他云服務(wù)提供商中等操作不可避免地會(huì)產(chǎn)生多個(gè)數(shù)據(jù)副本文件，使被廣泛傳播的用戶數(shù)據(jù)不再受到數(shù)據(jù)擁有者的約束與管控，如訪問時(shí)間段等不受控制。當(dāng)用戶數(shù)據(jù)到達(dá)其存儲(chǔ)期限需要被刪除時(shí)，如果缺乏有效的數(shù)據(jù)多副本關(guān)聯(lián)刪除機(jī)制，則該用戶數(shù)據(jù)的其他副本得不到有效刪除，這不僅造成存儲(chǔ)空間的極大浪費(fèi)，而且導(dǎo)致用戶數(shù)據(jù)濫用和隱私泄露等問題，嚴(yán)重影響社會(huì)穩(wěn)定，甚至危害國家安全。因此如何對(duì)這些涉及隱私信息的用戶數(shù)據(jù)及其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)副本實(shí)施安全有效的保護(hù)和關(guān)聯(lián)刪除是迫切需要解決的問題。

本文針對(duì)云環(huán)境下數(shù)據(jù)多副本的安全共享與關(guān)聯(lián)問題，提出一種能夠有效解決因授權(quán)用戶或服務(wù)提供商分享、下載、轉(zhuǎn)存等操作所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)多副本關(guān)聯(lián)刪除問題的方案，保障用戶數(shù)據(jù)的隱私安全并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)多副本的關(guān)聯(lián)刪除。

2 目標(biāo)、模型與假設(shè)

本方案的設(shè)計(jì)目標(biāo)在于設(shè)定一種封裝有用戶數(shù)據(jù)和訪問權(quán)限屬性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)—副本關(guān)聯(lián)對(duì)象(RAO, replication associated object)，使RAO在其存儲(chǔ)期限內(nèi)能夠遵循訪問權(quán)限約束，并實(shí)現(xiàn)訪問期限過期后的用戶數(shù)據(jù)多副本的自動(dòng)關(guān)聯(lián)刪除，有效保護(hù)用戶隱私安全。

本方案設(shè)計(jì)的系統(tǒng)模型如圖1所示，數(shù)據(jù)擁有者首先通過客戶端將待分享數(shù)據(jù)進(jìn)行加密等操作封裝成RAO后共享到CSP，隨后RAO副本可能通過 CSP以數(shù)據(jù)備份或用戶轉(zhuǎn)存等方式存儲(chǔ)到其他CSP中；授權(quán)用戶通過CSP下載到RAO副本后再進(jìn)行解析解密等操作，最終獲取用戶數(shù)據(jù)明文。

圖1 系統(tǒng)模型

為實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)目標(biāo)，現(xiàn)做如下安全假設(shè)[1,2]。

1) 數(shù)據(jù)擁有者、授權(quán)用戶、授時(shí)中心和密鑰授權(quán)中心可信。數(shù)據(jù)擁有者是 RAO的創(chuàng)建者，是可信的；授權(quán)用戶不會(huì)主動(dòng)泄露自己的私鑰信息或傳播已解析出的用戶數(shù)據(jù)明文；授時(shí)中心作為提供可信時(shí)間戳的第三方服務(wù)器，不會(huì)提供虛假時(shí)間參考；密鑰授權(quán)中心負(fù)責(zé)驗(yàn)證用戶身份并提供授權(quán)用戶的私鑰，不會(huì)主動(dòng)泄露用戶的私鑰信息。

2) 云服務(wù)商(CSP, cloud service provider)之間、CSP與客戶端之間存在安全通信協(xié)議。CSP之間、CSP與客戶端之間預(yù)先設(shè)定安全通信協(xié)議，能夠識(shí)別處理雙方發(fā)送的消息指令并做出相應(yīng)操作，如客戶端能夠正確識(shí)別并執(zhí)行 CSP所發(fā)送的刪除目標(biāo)RAO指令。

3 方案構(gòu)造

本方案將對(duì)稱加密算法、基于屬性的加密算法和副本定位技術(shù)相結(jié)合，提出一種云環(huán)境下的數(shù)據(jù)多副本安全共享與關(guān)聯(lián)刪除方案，能夠有效保護(hù)用戶的隱私安全，并實(shí)現(xiàn)副本的關(guān)聯(lián)刪除。具體地，數(shù)據(jù)擁有者首先通過客戶端將待分享數(shù)據(jù)進(jìn)行加密等操作封裝成RAO后上傳到CSP進(jìn)行存儲(chǔ)，隨后 RAO副本可能通過數(shù)據(jù)備份或用戶轉(zhuǎn)存等方式存儲(chǔ)到其他 CSP并在其副本目錄中做相應(yīng)信息記錄；授權(quán)用戶下載到 RAO副本后再進(jìn)行解析解密等操作，最終獲取用戶數(shù)據(jù)明文。

為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)多副本關(guān)聯(lián)刪除，本文在文獻(xiàn)[3]的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出如下副本關(guān)聯(lián)模型。

通過副本目錄[3]記錄云存儲(chǔ)系統(tǒng)中所有副本的相關(guān)信息，即每個(gè)存儲(chǔ)服務(wù)器中都存儲(chǔ)有副本目錄，記錄有用戶分享的RAO所產(chǎn)生的所有副本相關(guān)信息，包括RAO副本的邏輯文件名[3]、物理文件名[3]和存儲(chǔ)期限T'。本方案中使用RAO副本的散列摘要值[4]作為邏輯文件名，確保存儲(chǔ)在服務(wù)器上的所有相同 RAO副本擁有全局的唯一標(biāo)識(shí)符；使用RAO副本存儲(chǔ)在CSP或客戶端中的物理路徑和CSP編號(hào)或客戶端編號(hào)作為RAO的物理文件名。

同時(shí)每個(gè)服務(wù)器設(shè)定有副本目錄的同步機(jī)制和監(jiān)測(cè)機(jī)制：同步機(jī)制用于時(shí)刻記錄 RAO產(chǎn)生或刪除副本的操作行為，一旦產(chǎn)生新的 RAO副本，則副本目錄同時(shí)更新，記錄該 RAO副本的物理文件名等相關(guān)信息；監(jiān)測(cè)機(jī)制用于監(jiān)測(cè)副本目錄中記錄的存儲(chǔ)期限，一旦存儲(chǔ)期限過期則對(duì)該 RAO副本進(jìn)行刪除。

本方案的基本工作原理如圖2所示，主要分為3個(gè)階段。

第1個(gè)階段為RAO的封裝及存儲(chǔ)階段，該階段具體工作原理可由6個(gè)算法描述。

1)Encrypt(Data,key)→C，通過使用對(duì)稱密鑰key加密數(shù)據(jù)擁有者待分享的原始數(shù)據(jù)Data，得到數(shù)據(jù)密文C，本文使用對(duì)稱加密算法AES進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

2)ABEEncrypt(key,kpub)→Ck，通過公鑰kpub對(duì)對(duì)稱密鑰key進(jìn)行屬性加密，得到密鑰密文Ck，本文使用ABE基于屬性加密算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

3)Encapsulate(C,Ck,T)→RAO，數(shù)據(jù)擁有者指定數(shù)據(jù)訪問期限T，結(jié)合前面步驟所獲得的數(shù)據(jù)密文C和密鑰密文Ck使用算法Encapsulate將其封裝成副本關(guān)聯(lián)對(duì)象RAO并上傳到CSP中進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)設(shè)置RAO在CSP中的存儲(chǔ)期限T'。

圖2 方案基本工作原理

4)Hash(RAO)→LFN，CSP接收到RAO后，通過使用散列算法計(jì)算出 RAO副本的摘要值作為RAO的邏輯文件名LFN，確保存儲(chǔ)在CSP上的所有相同RAO副本擁有全局唯一標(biāo)識(shí)符。

5)AddRecord(LFN,PFN,Deadline)，使用副本目錄記錄算法在 CSP存儲(chǔ)的副本目錄上記錄數(shù)據(jù)擁有者上傳的RAO副本的相關(guān)信息：邏輯文件名、物理文件名、存儲(chǔ)期限，其中物理文件名由 RAO存儲(chǔ)的物理路徑和其CSP編號(hào)構(gòu)成。

6)Feedback(LFN,PFN)，當(dāng)授權(quán)用戶或CSP對(duì)RAO副本進(jìn)行備份或轉(zhuǎn)存到下級(jí)CSP時(shí)，下級(jí)CSP將該RAO副本的相關(guān)信息存儲(chǔ)到自身的副本目錄，并將物理文件名反饋給上級(jí)CSP進(jìn)行記錄，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)多副本的關(guān)聯(lián)。

第2個(gè)階段為解封裝階段，該階段具體工作原理可由4個(gè)算法描述。

1)Verify(RAO,Tnow)，當(dāng)授權(quán)用戶對(duì)RAO副本進(jìn)行訪問時(shí)，算法Verify首先對(duì)RAO副本進(jìn)行解析獲得訪問期限，隨后使用從授時(shí)中心處獲取到的可信時(shí)間Tnow對(duì)RAO的訪問期限進(jìn)行驗(yàn)證，若當(dāng)前可信時(shí)間處于RAO訪問期限之前，則停止RAO的解析；若當(dāng)前可信時(shí)間處于RAO訪問期限之后，則進(jìn)入刪除階段，對(duì)該 RAO副本進(jìn)行刪除；若當(dāng)前可信時(shí)間處于 RAO訪問期限之間，則繼續(xù)對(duì)RAO進(jìn)行解析獲取數(shù)據(jù)密文C和密鑰密文Ck。

2)Decapsulate(RAO)→C,Ck，當(dāng) RAO 的訪問期限通過驗(yàn)證后，算法Decapsulate對(duì)RAO進(jìn)行進(jìn)一步解析獲取數(shù)據(jù)密文C和密鑰密文Ck。

3)ABEDecrypt(Ck,kpri)→key，授權(quán)用戶從密鑰授權(quán)中心處獲取私鑰kpri后，對(duì)密鑰密文Ck進(jìn)行解密獲得對(duì)稱密鑰key。

4)Decrypt(C,key)→Data，算法Decrypt使用對(duì)稱密鑰key對(duì)數(shù)據(jù)密文C進(jìn)行解密，最終獲得用戶數(shù)據(jù)明文Data。

第3個(gè)階段為刪除階段，該階段具體工作原理可由4個(gè)算法描述。

1)CSPDelete(t)，CSP中，算法CSPDelete以當(dāng)前可信時(shí)間作為輸入，時(shí)刻對(duì)其存儲(chǔ)的副本目錄進(jìn)行檢索，若存儲(chǔ) RAO副本的存儲(chǔ)期限已過期，即當(dāng)前時(shí)間t晚于存儲(chǔ)期限時(shí)，則算法獲取該RAO在該CSP中的物理文件名并對(duì)RAO進(jìn)行刪除。

2)Instruct(LFN)算法，根據(jù)RAO副本的邏輯文件名對(duì)副本目錄進(jìn)行檢索，查找存儲(chǔ)有該 RAO副本的下級(jí)CSP并向其發(fā)送刪除指令。

3)DeleteFeedback(PFN)，下級(jí)CSP接收到上級(jí)CSP發(fā)送的刪除指令，并對(duì)RAO副本進(jìn)行刪除后，通過算法DeleteFeedback將所刪除的RAO副本的物理文件名反饋給上級(jí)CSP，上級(jí)CSP接收到反饋后將調(diào)用算法DeleteRecord進(jìn)行相關(guān)操作。

4)DeleteRecord(PFN)，當(dāng)CSP成功刪除RAO副本后，算法DeleteRecord對(duì)副本目錄進(jìn)行修改，即刪除本次RAO副本存儲(chǔ)在CSP中的相關(guān)記錄信息。

4 綜合評(píng)價(jià)與安全性分析

4.1 綜合評(píng)價(jià)

與已有的云環(huán)境下用戶數(shù)據(jù)在其全生命周期[5]內(nèi)隱私安全保護(hù)與安全刪除方案相比，文獻(xiàn)[6～8]采用密鑰集中管理方式，依賴加密算法的安全性和密鑰安全管理來保障用戶數(shù)據(jù)的隱私不被侵犯，文獻(xiàn)[1,2,9～13]采用密鑰分散管理方式，利用DHT網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)周期性更新的特性實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)自動(dòng)刪除，以此來保障用戶隱私安全，但存在用戶不能自定義共享數(shù)據(jù)的訪問期限的局限性，而且其大部分密文并沒有被真正刪除，造成空間資源浪費(fèi)的同時(shí)也依舊存在密文被非法獲取并強(qiáng)力破解的隱患。針對(duì)以上方案的局限性，文獻(xiàn)[14]所提方案能夠使用戶自定義控制數(shù)據(jù)訪問期限，并且在訪問期限到期時(shí)直接刪除密文數(shù)據(jù)，釋放存儲(chǔ)空間，但以上所提方案的訪問或存儲(chǔ)期限控制僅作用于單一數(shù)據(jù)副本，并不能對(duì)數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的其他副本產(chǎn)生作用，即這些方案并未涉及數(shù)據(jù)多副本關(guān)聯(lián)刪除。而本文所提方案則能夠較好地解決這些問題，通過對(duì)用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理保障用戶隱私安全，通過數(shù)據(jù)擁有者自定義設(shè)置訪問期限和存儲(chǔ)期限使用戶數(shù)據(jù)在超過訪問期限后被刪除，通過副本關(guān)聯(lián)機(jī)制對(duì)數(shù)據(jù)副本進(jìn)行關(guān)聯(lián)管理，結(jié)合副本定位技術(shù)[15]和副本刪除技術(shù)[16]，實(shí)現(xiàn)在源數(shù)據(jù)被刪除后，其產(chǎn)生的副本數(shù)據(jù)能夠被關(guān)聯(lián)刪除的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4.2 安全性分析

在本文的安全假設(shè)中，假設(shè)數(shù)據(jù)擁有者、授權(quán)用戶和密鑰授權(quán)中心可信，不會(huì)主動(dòng)泄露用戶私鑰信息或傳播用戶數(shù)據(jù)明文，而CSP作為非可信第三方服務(wù)器，可能遭到敵手非法攻擊泄露RAO副本，即攻擊者非法持有 RAO副本并企圖通過強(qiáng)力攻擊的方法獲取數(shù)據(jù)明文，因此本方案的安全性依賴于所采用的數(shù)據(jù)加密算法(即對(duì)稱加密算法AES和基于屬性加密算法ABE)的安全性。

本方案在封裝 RAO前首先對(duì)用戶待分享數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)稱加密獲得數(shù)據(jù)密文，所使用的對(duì)稱密鑰通過 ABE加密算法進(jìn)行加密獲得密鑰密文，隨后將數(shù)據(jù)密文與密鑰密文和訪問期限進(jìn)行組合封裝最終獲得RAO。因此假設(shè)攻擊者獲得RAO副本，首先需要對(duì) RAO進(jìn)行解析，成功分離出數(shù)據(jù)密文后才能進(jìn)行強(qiáng)力攻擊或密碼分析攻擊。而 ABE算法是可證明安全的[17]，在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)無法破解密鑰密文獲得對(duì)稱密鑰信息并對(duì)數(shù)據(jù)密文進(jìn)行解密，而AES算法的攻擊復(fù)雜度依賴于分組長度和密鑰長度，假設(shè)AES算法采用的密鑰長度為1 024 bit，則對(duì)其密文進(jìn)行強(qiáng)力攻擊也需要耗費(fèi)成千上萬年，因此理論上攻擊者無法獲取原始密文，本方案是安全的，能夠有效保護(hù)用戶的隱私安全。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種云環(huán)境下的數(shù)據(jù)多副本安全共享與關(guān)聯(lián)刪除方案，能夠?qū)崿F(xiàn)云環(huán)境下的數(shù)據(jù)多副本的安全存儲(chǔ)與共享，并實(shí)現(xiàn)副本關(guān)聯(lián)刪除，使在數(shù)據(jù)擁有者刪除存儲(chǔ)在云服務(wù)端上的原始數(shù)據(jù)后，其他存儲(chǔ)有該數(shù)據(jù)副本的云服務(wù)端能夠自動(dòng)刪除該數(shù)據(jù)副本。同時(shí)該方案能夠?qū)崿F(xiàn)控制數(shù)據(jù)副本的訪問期限和存儲(chǔ)期限，有效保障用戶數(shù)據(jù)的隱私安全。

進(jìn)一步研究工作的重點(diǎn)主要為：結(jié)合Hadoop[18]開發(fā)出一個(gè)云環(huán)境下數(shù)據(jù)多副本安全共享與關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，對(duì)本方案進(jìn)行更全面的仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)本方案中的副本關(guān)聯(lián)模型進(jìn)行完善，制定最優(yōu)副本管理策略并提高副本定位與選擇效率，最終對(duì)本方案進(jìn)行優(yōu)化并嘗試推廣使用。

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