基于可信第三方平臺(tái)的RSA一次一密數(shù)據(jù)安全方案

李能能 徐希煒 李丹陽(yáng)

摘要：在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至云服務(wù)器的過(guò)程中，數(shù)據(jù)被非法訪問(wèn)以及密鑰極易被破解的安全性問(wèn)題成為限制其發(fā)展的主要問(wèn)題。對(duì)此，本文提出了一種基于RSA一次一密加密策略的可信第三方平臺(tái)數(shù)據(jù)安全方案，該方案的核心是通過(guò)RSA一次一密加密技術(shù)實(shí)現(xiàn)密鑰的實(shí)時(shí)更新，并且通過(guò)可信第三方平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)密鑰的管理。理論分析以及實(shí)驗(yàn)表明，本方案增大了非法用戶破解密鑰的難度，降低了數(shù)據(jù)被非法訪問(wèn)的可能性。

關(guān)鍵詞：可信第三方平臺(tái);RSA加密算法;一次一密;logistic映射

中圖分類(lèi)號(hào)：TP309? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）16-0009-03

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

近年來(lái)，隨著云計(jì)算和大數(shù)據(jù)的快速發(fā)展，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到云服務(wù)器進(jìn)行管理的企業(yè)、組織和個(gè)人的數(shù)量成爆發(fā)式增長(zhǎng)，這主要?dú)w因于云計(jì)算具有可存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)和運(yùn)算速率高的特點(diǎn)。但是，云計(jì)算在廣泛被使用的同時(shí)，安全隱患也越來(lái)越突出。與此同時(shí)，各個(gè)服務(wù)商由于管理制度的差異，提供的服務(wù)水平也存在著很大的不同，用戶也無(wú)法判斷具體哪一個(gè)服務(wù)商更加可靠[1]。在2012底，著名的VMware企業(yè)公布了第三次云熱度調(diào)查的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，有將近70%的用戶拒絕采用云服務(wù)，他們不使用云服務(wù)的主要原因是擔(dān)心云服務(wù)器會(huì)將自己的數(shù)據(jù)泄露，對(duì)數(shù)據(jù)的安全性造成威脅。

上述內(nèi)容表明，數(shù)據(jù)的安全與隱私為題已經(jīng)嚴(yán)重阻礙到了云服務(wù)的發(fā)展[2]。另一方面，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至云端后，云服務(wù)商擁有過(guò)大的權(quán)限，用戶對(duì)服務(wù)商的不信任感也大大增加。針對(duì)上述提出的兩種問(wèn)題，本文在分析云計(jì)算發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上提出了一種基于RSA一次一密加密技術(shù)和可信第三方平臺(tái)的云數(shù)據(jù)安全方案。通過(guò)該種方案，既解決了非法盜取數(shù)據(jù)密鑰的問(wèn)題，也解決了云服務(wù)商權(quán)限過(guò)大的問(wèn)題[3]。另外，可信第三方平臺(tái)除了可以管理密鑰和存儲(chǔ)用戶的信息的功能，還具有記錄數(shù)據(jù)和訪問(wèn)信息的功能，將生成的記錄與云服務(wù)商的記錄做對(duì)比，在數(shù)據(jù)被非法訪問(wèn)時(shí)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)[4]。

1 可信第三方平臺(tái)

1.1 RSA一次一密加密技術(shù)

RSA一次一密加密技術(shù)是在RSA加密算法的基礎(chǔ)上同時(shí)增加了一對(duì)加密密鑰和解密密鑰（e0，d0），在數(shù)據(jù)被加密解密一次后，該算法就會(huì)通過(guò)迭代函數(shù)生成一對(duì)新的加密密鑰和解密密鑰（e1，d1），這種生成過(guò)程并非和傳統(tǒng)算法相同，不是通過(guò)生成大素?cái)?shù)來(lái)生成密鑰。

該種一次一密加密算法可以理解為當(dāng)我們使用RSA加密算法老對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密時(shí)，并不是將所有的密鑰進(jìn)行一次性的生成，來(lái)永久的加密數(shù)據(jù)，而是當(dāng)用戶每訪問(wèn)一次數(shù)據(jù)，就得密鑰在使用過(guò)后就會(huì)失效，這是，算法就會(huì)自動(dòng)生成一對(duì)新的密鑰（en，dn）。通過(guò)en來(lái)重新對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，并將新的解密密鑰傳送至數(shù)據(jù)屬主或者云端上，等用戶訪問(wèn)者通過(guò)驗(yàn)證之后才可以得到來(lái)解密數(shù)據(jù)。但是，每一次加密結(jié)束之后，必須確保e0和d0的和能夠被n整除，為了使加密解密能夠完整無(wú)誤，在初始化時(shí)可以使e0=n-d0。具體加密過(guò)程如下[8]。

第一步是密鑰的生成：

（1）由算法選取兩個(gè)素?cái)?shù) p 和 q，計(jì)算 n=pq，保密p 和 q，公開(kāi)n 。

（2）計(jì)算 Φ（n）=（p-1）（q-1）， 任取一個(gè)值使得 2 ≤ e ≤ Φ（n）成立，且gcd（e， Φ（n））=1， e為算法的加密密鑰，且該密鑰是公開(kāi)的。

（3）計(jì)算d，使 ed=1（mod（Φ（n））， 稱(chēng)d 為e對(duì)模Φ（n） 的逆，其中d為算法的解密秘鑰，該密鑰是保密的。

（4）按照如下方法初始化 e0，d0。

利用 Logistic 映射產(chǎn)生的混沌序列來(lái)將e0和d0初始化，e0（2≤ e0

Logistic映射的離散模型為 ：

研究表明，在Logistic 映射中μ的取值從3逐漸趨向4時(shí)，由Logistic 映射產(chǎn)生的序列周期通向混沌，只要給定的μ值在合適的取值范圍內(nèi)，就能夠產(chǎn)生一個(gè)序列是趨向于混沌的。

（5）將 {e，e0，n} 設(shè)為加密算法的公開(kāi)密鑰，{d，d0} 設(shè)為私密密鑰。

第二步是使用密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密：

在加密時(shí)，首先應(yīng)將所得到的明文比特串進(jìn)行分組，使得分得的每一個(gè)小組所對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)都小于n，即分組后每組的長(zhǎng)度都小于log2n，然后加密每一個(gè)明文分組m：

最后一步，進(jìn)行解密，過(guò)程為：

在此過(guò)程中，密鑰實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)性改變：先生成隨機(jī)的整數(shù)z。待所有的分組的明文都加密結(jié)束后，利用（4）中的迭代函數(shù)使e0發(fā)生改變：

等到所有的密文分組都完成加密之后，利用公式（5）中的迭代函數(shù)使d0發(fā)生改變：

1.2 基于RSA一次一密的可信第三方平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路

傳統(tǒng)的RSA加密算法只使用于云端和客戶端之間，具體的流程可以簡(jiǎn)述為：

（1）當(dāng)用戶將自己的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于云服務(wù)器時(shí)，首先會(huì)產(chǎn)生一對(duì)密鑰;

（2）將公鑰1和用戶傳輸?shù)臄?shù)據(jù)一并發(fā)送至云服務(wù)器，使用云服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，并存儲(chǔ)密鑰;

（3）客戶端保對(duì)私鑰進(jìn)行自行保存;

（4）當(dāng)其他用戶想要查看數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)將利用算法自行生成一對(duì)新的私鑰和公鑰，然后將生成的新的公鑰的舊的私鑰一并發(fā)送至云服務(wù)器，新的私鑰傳輸至密鑰管理模塊進(jìn)行存儲(chǔ);

（5）使用舊的私鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，將解密后的數(shù)據(jù)提供給數(shù)據(jù)訪問(wèn)者訪問(wèn)，然后再將云服務(wù)器保存的數(shù)據(jù)用新的公鑰加密成密文。

通過(guò)RSA一次一密加密技術(shù)，達(dá)到了用戶只獲得私鑰仍無(wú)法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解密的效果，如果該用戶屬于非法用戶，那么就無(wú)法解密數(shù)據(jù)，因?yàn)楫?dāng)前的數(shù)據(jù)已有新公鑰加密，但是能夠加密當(dāng)前數(shù)據(jù)的最新私鑰并未發(fā)送給服務(wù)器，所以無(wú)權(quán)限用戶不能獲得[10-12]。

本文中提出的基于RSA一次一密和可信第三方平臺(tái)的安全方案，不僅可以保留可信第三方平臺(tái)在使用過(guò)程中自身所具備的優(yōu)勢(shì)，在此基礎(chǔ)上也增加了RSA一次一密加密技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，使得密鑰更難破解，從而阻止非法用戶訪問(wèn)數(shù)據(jù)。

1.2 基于RSA一次一密的可信第三方平臺(tái)的工作流程

在該方案中，用戶對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行安全管理時(shí)，第一步是利用RSA一次一密加密算法生成一對(duì)密鑰，使用密鑰加密數(shù)據(jù)，之后再對(duì)于用戶的每次訪問(wèn)，都會(huì)改變之前使用的密鑰，生成新密鑰替換掉原來(lái)的舊密鑰，使用新密鑰重新加密被訪問(wèn)過(guò)后的數(shù)據(jù)。在此過(guò)程中，所有的密鑰由可信第三方平臺(tái)進(jìn)行儲(chǔ)存，通過(guò)可信第三方的密鑰管理模塊對(duì)密鑰進(jìn)行管理，不需要經(jīng)由云服務(wù)商進(jìn)行操作。

具體上傳下載過(guò)程如下：

在用戶將數(shù)據(jù)上傳至云端時(shí)，先連接客戶端和可信第三方平臺(tái)，驗(yàn)證用戶身份，驗(yàn)證通過(guò)后可將數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳。如果檢測(cè)用戶上傳的是新的數(shù)據(jù)，就將上傳的新的數(shù)據(jù)記錄添加到數(shù)據(jù)庫(kù)中，如果用戶想要對(duì)原有的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，則先驗(yàn)證用戶的身份。當(dāng)用戶通過(guò)身份驗(yàn)證之后就需要在可信第三方平臺(tái)通過(guò)RSA一次一密加密技術(shù)，按照上述加密流程，使用新密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密解密和對(duì)密鑰進(jìn)行管理。

下載數(shù)據(jù)時(shí)，首先將客戶端與可信第三方平臺(tái)建立連接，在連接之后驗(yàn)證用戶身份，驗(yàn)證通過(guò)后可以對(duì)目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行下載。同樣，根據(jù)上述RSA一次一密加密技術(shù)，先獲得解密密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，在讀取數(shù)據(jù)之后再用新生成的密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新加密。被解密的數(shù)據(jù)傳送至客戶端以備客戶端來(lái)進(jìn)行訪問(wèn)。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

本文是在Inter Core 1.73 GHz的CPU，4.00GB的內(nèi)存中，操作系統(tǒng)為windows 10，在VMware Workstation10.5.2 上安裝了 Ubuntu 16.10，以此來(lái)建立虛擬環(huán)境，分配2GB內(nèi)存來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在該環(huán)境中通過(guò)對(duì)云服務(wù)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)和修改，測(cè)試實(shí)施本文方案前后數(shù)據(jù)被修改成功的概率。

實(shí)驗(yàn)一：在該實(shí)驗(yàn)中，對(duì)總量為N的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行惡意修改，只修改其中的k塊，然后對(duì)當(dāng)N數(shù)量相同但是攻擊塊數(shù)k不同和總塊數(shù)N不同單數(shù)攻擊塊數(shù)K相同的情況分別進(jìn)行比較。結(jié)果如上圖，由上圖可以看出當(dāng)N相同，k不同時(shí)，k越大，數(shù)據(jù)被修改成功的概率越大;當(dāng)N越大但是保持k變時(shí)，數(shù)據(jù)被修改成功的概率也越大。

實(shí)驗(yàn)二：在實(shí)驗(yàn)一得出的結(jié)論的基礎(chǔ)上，設(shè)置1000塊數(shù)據(jù)塊的總量，分別對(duì)這其中的5、10、20、50、100、150、200、500塊數(shù)據(jù)塊惡意修改。在修改成功率為100%的基礎(chǔ)上，分別對(duì)圖中標(biāo)明的三種不同保護(hù)措施的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)修改成功率比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如上圖所示。本實(shí)驗(yàn)表明，本文提出的方案數(shù)據(jù)修改成功率更低，數(shù)據(jù)的安全性也就越高。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文中提出的數(shù)據(jù)安全性方案，一方面增大了密鑰的破解難度，保障數(shù)據(jù)的安全性，另一方面消減了云服務(wù)供應(yīng)商的權(quán)限。所以，本文提出的數(shù)據(jù)安全方案能夠充分保障數(shù)據(jù)的安全。

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