基于云計(jì)算的氣象數(shù)據(jù)信息安全技術(shù)研究

馬欣

（61741 部隊(duì)，北京 100097）

隨著氣象業(yè)務(wù)的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化程度不斷發(fā)展，并行計(jì)算、分布式計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)等新技術(shù)方法已經(jīng)得到廣泛利用。但是主流的氣象業(yè)務(wù)仍然基于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，隨著數(shù)據(jù)的增長(zhǎng)需要購(gòu)置大量的存儲(chǔ)空間和處理設(shè)備作為支撐。相應(yīng)的各級(jí)氣象部門都需要對(duì)其進(jìn)行維護(hù)管理，為此投入大量的人力物力。

云數(shù)據(jù)庫(kù)是一種由大量計(jì)算節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的并行處理方式，這種方法突破了傳統(tǒng)方式的瓶頸，解決了硬件空間有限和軟件費(fèi)用高昂的問(wèn)題。云計(jì)算必將成為未來(lái)氣象業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)管理的最佳解決方案。但是由于氣象業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的特殊性，導(dǎo)致在使用云計(jì)算帶來(lái)便利的同時(shí)，也面臨著數(shù)據(jù)泄露等風(fēng)險(xiǎn)，基于云計(jì)算的查詢內(nèi)容及數(shù)據(jù)的保護(hù)將成為利用云計(jì)算開(kāi)展氣象業(yè)務(wù)研究的關(guān)鍵問(wèn)題之一[1]。

圖1 基于云服務(wù)器的加密文件查詢方法

本文提出一種有效提高加密云數(shù)據(jù)搜索效率的方法，制定了一種搜索相關(guān)文件的標(biāo)準(zhǔn)，這種標(biāo)準(zhǔn)可以在按照關(guān)鍵字進(jìn)行排名搜索的同時(shí)保護(hù)云數(shù)據(jù)不被泄露，部分實(shí)現(xiàn)云計(jì)算的數(shù)據(jù)安全托管服務(wù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果與可搜索對(duì)稱加密技術(shù)進(jìn)行對(duì)比和分析，可以認(rèn)為本文提出的新方法具有更好的高效性和魯棒性。

1 云計(jì)算的概念及其在氣象業(yè)務(wù)中的應(yīng)用

云計(jì)算是在處理器技術(shù)、分布式存儲(chǔ)技術(shù)、并行處理和寬帶互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)高速發(fā)展的環(huán)境下產(chǎn)生的以基礎(chǔ)架構(gòu)共享來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種新型技術(shù)[5-6]。其技術(shù)核心為超大規(guī)模的分布式環(huán)境下的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，通過(guò)分布式的大規(guī)模集群和服務(wù)器虛擬化軟件搭建來(lái)實(shí)現(xiàn)。每個(gè)“云”包括幾十萬(wàn)臺(tái)、甚至上百萬(wàn)臺(tái)電腦，“云”中的資源可以無(wú)限擴(kuò)展，并且可以隨時(shí)獲取。基于氣象業(yè)務(wù)的云計(jì)算使客戶通過(guò)遠(yuǎn)程存儲(chǔ)云數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)的資源共享，并通過(guò)配置獲得高質(zhì)量的氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用和服務(wù)。通過(guò)這種新的計(jì)算模式可以在如下方面對(duì)氣象業(yè)務(wù)獲得改進(jìn)和提高[7-9]：

（1）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和采集

通常針對(duì)不同氣象業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)需要提供多臺(tái)不同的專用服務(wù)器，但在運(yùn)行過(guò)程中每臺(tái)服務(wù)器并非同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理，造成許多資源的閑置和浪費(fèi)；通過(guò)建立氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)的私有云可以實(shí)現(xiàn)云數(shù)據(jù)和資源在各級(jí)氣象部門內(nèi)部及與總部的共享訪問(wèn)。

（2）遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)查詢和訪問(wèn)

通過(guò)云計(jì)算的方式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)存放在工作場(chǎng)所的氣象數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程訪問(wèn)，用戶只需通過(guò)認(rèn)證就可以對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行不同權(quán)限的處理。

那么，能不能開(kāi)發(fā)出更多用途呢？當(dāng)然可以。研究人員發(fā)現(xiàn)，苧麻莖葉粗，蛋白質(zhì)含量普遍高于20%，粗纖維含量普遍低于18%。同時(shí)，賴氨酸等限制性氨基酸、鈣等礦質(zhì)元素含量顯著高于禾本科飼草，更富含綠原酸、熊果酸、黃酮等生命活性物質(zhì)，可成為草食動(dòng)物的優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)飼料。

（3）氣象數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)

通過(guò)云計(jì)算可以整合分布在全國(guó)氣象部門網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)資源和計(jì)算資源等，提升整體系統(tǒng)的計(jì)算能力和使用效率，從而獲得更加精確的氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。

2 一種改進(jìn)的可搜索對(duì)稱加密方案

云計(jì)算應(yīng)用于氣象數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時(shí)的關(guān)鍵問(wèn)題在于：用戶在此條件下對(duì)數(shù)據(jù)不進(jìn)行直接操作和控制，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)加密算法不能被直接采用。而針對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)安全檢查時(shí)，也無(wú)法掌控全局?jǐn)?shù)據(jù)。此外還特別需要針對(duì)敏感氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，在保持更新頻率的情況下保證數(shù)據(jù)的安全性和準(zhǔn)確性[10]。

傳統(tǒng)的基于云計(jì)算的數(shù)據(jù)保護(hù)方法主要通過(guò)分發(fā)前對(duì)數(shù)據(jù)加密，這種加密方案支持對(duì)加密數(shù)據(jù)通過(guò)關(guān)鍵字進(jìn)行搜索，其問(wèn)題在于，這種技術(shù)只支持布爾搜索，沒(méi)有捕獲任何數(shù)據(jù)文件的相關(guān)性。

2.1 模型定義

云數(shù)據(jù)托管服務(wù)涉及三個(gè)不同的主體：擁有者O、用戶U、云服務(wù)器C。數(shù)據(jù)擁有者具有n個(gè)數(shù)據(jù)文件F=（F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)n），擁有者希望對(duì)這些文件進(jìn)行加密分發(fā)的同時(shí)仍可對(duì)其進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)查詢。為此首先需要根據(jù) m 個(gè)不同的關(guān)鍵字 W=（w1，w2，…，wm）建立并存儲(chǔ)一個(gè)安全的可查詢索引I。當(dāng)需要對(duì)關(guān)鍵字w進(jìn)行查詢時(shí)，授權(quán)用戶向云服務(wù)器C提交一個(gè)搜索請(qǐng)求，云服務(wù)器接收到請(qǐng)求后對(duì)其進(jìn)行響應(yīng)并返回相應(yīng)的文件內(nèi)容。

2.2 可搜索對(duì)稱加密方案

可搜索對(duì)稱加密SSE（Searchable Symmetric Encryption）技術(shù)允許數(shù)據(jù)的擁有者以加密方式分發(fā)數(shù)據(jù)，同時(shí)保持對(duì)加密數(shù)據(jù)的搜索能力?？伤阉鲗?duì)稱加密技術(shù)的基本策略包括初始化階段和搜索階段。

初始化階段：

定義安全參數(shù) k，l，l′，p，由數(shù)據(jù)擁有者對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)用，并初始化產(chǎn)生隨機(jī)關(guān)鍵字 x，yR{0，1}k和 zR{0，1}l，輸 出 k={x，y，z，ll，ll′，lp}，此 時(shí) 對(duì) 服 務(wù) 器 數(shù) 據(jù) 建 立 安 全逆序索引，方法如下：

對(duì)數(shù)據(jù)掃描并從中提取不同的關(guān)鍵字 W=（w1，w2，…，wm）對(duì)其建立函數(shù) F（wi）。 計(jì)算文件 Fij的得分 Score=（1+lnfd，t）， 其 中 fd，t代 表 文 件 Fd中 關(guān) 鍵 字 t的出現(xiàn)頻率。

定 義 算 法 語(yǔ) 義 ε：{0，1}l·{0，1}r→{0，1}r， 計(jì) 算 εz（Scoreij）并 與文 件 Fi，j的 ID 一 起保 存。

對(duì)于每個(gè)索 引 I（wi），假設(shè) π：{0，1}k·{0，1}*→{0，1}p，根據(jù)不同的關(guān)鍵字函數(shù)f（wi）對(duì)包含關(guān)鍵字wi的文件個(gè)數(shù)Ni=F（wi）進(jìn)行加密，并用 πx（wi）取代 wi，最后輸出索引I。

搜索階段：

對(duì)于感興趣的關(guān)鍵字 w 定義 T=（πx（w），f（w）），通過(guò) πx（w）定位與索引匹配的列表并用f（w）解密，并將與F（w）相關(guān)的文件及其關(guān)聯(lián)的已加密相關(guān)得分一起發(fā)送；通過(guò)關(guān)鍵字對(duì)相關(guān)得分解密，從而得到排名搜索結(jié)果。

上述方法能夠很好地滿足可搜索對(duì)稱加密算法對(duì)安全保證的要求，但由于排名在用戶端完成，需要付出很大的計(jì)算代價(jià)并進(jìn)行后處理，發(fā)送全部搜索結(jié)果也會(huì)占用很大帶寬，并且這種方法使得服務(wù)器可以保留搜索到的文件和關(guān)鍵字之間的信息。

2.3 改進(jìn)的可搜索對(duì)稱加密方案

為了使得服務(wù)器在沒(méi)有先驗(yàn)知識(shí)的情況下快速獲得搜索排名，提出一種改進(jìn)的可搜索對(duì)稱加密方案，其基本策略如下：

初始化階段：

定義安全參 數(shù) k，l，l′，p，|D|，|R|，由數(shù)據(jù)擁有者對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)用，并初始化產(chǎn)生隨機(jī)關(guān)鍵字x，y，zR{0，1}k，輸出 k={x，y，z，ll，ll′，lp，|D|，|R|}， 此時(shí)對(duì)服務(wù)器數(shù)據(jù)建立安全逆序索引，方法如下：

對(duì)數(shù)據(jù)掃描并從中提取不同的關(guān)鍵字 W=（w1，w2，…，wm）對(duì)其建立函數(shù) F（wi）。 計(jì)算文件 Fij的得分 Score=（1+lnfd，t），其中 fd，t代表文件 Fd中關(guān)鍵字 t的出現(xiàn)頻率。

定 義 算 法 語(yǔ) 義 εnew：{0，1}l×{0，1}log|D|→{0，1}log|R|， 其實(shí)現(xiàn)方法為：

D←{min（D），…，min（D）-1+RHGD}，其中 RHGD 為隨機(jī) HGD 采樣函數(shù)，且 R←{min（R），…，min（R）-1+|R|/2}；得到coinRCG（k，D，R，m，ID（Fi，j）），則有，最后輸出C作為對(duì)分?jǐn)?shù)的加密結(jié)果。

搜索階段：

首先對(duì)于感興趣的關(guān)鍵字 w 定義 T=（πx（w），f（w）），云服務(wù)器通過(guò)πx（w）定位與索引匹配的列表， 云服務(wù)器獲得文件 Fi，j的 ID及其關(guān)聯(lián)的已加密相關(guān)得分Score（εnew（Scoreij））發(fā)送；對(duì)已加密相關(guān) 得分解密，從 而得到排名搜索結(jié)果。

3 新方案性能評(píng)估

本節(jié)對(duì)新方案的安全保障性能進(jìn)行分析和評(píng)估，在此過(guò)程中需要保證云服務(wù)器沒(méi)有對(duì)數(shù)據(jù)或搜索關(guān)鍵字進(jìn)行關(guān)聯(lián)學(xué)習(xí)。實(shí)驗(yàn)部署在自行研發(fā)的氣象數(shù)據(jù)內(nèi)部實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，該平臺(tái)為基于內(nèi)網(wǎng)的面向單位全體人員的云計(jì)算環(huán)境，部署在20臺(tái)服務(wù)器上。從理論上而言根據(jù)上一節(jié)提到的新方案可以獲得更加隨機(jī)分布的加密值，可以降低被截獲后解密的概率。圖 3（a）、3（b）為新方案對(duì)同一關(guān)鍵字“Temperature”采用不同的隨機(jī)密鑰得到的加密相關(guān)得分對(duì)比，由圖中可以看出，新方案使得不同的隨機(jī)密鑰對(duì)應(yīng)的加密相關(guān)得分的分布產(chǎn)生明顯變化，進(jìn)一步降低加密數(shù)據(jù)被截獲后解密的可能性。

根據(jù)本文第2節(jié)的內(nèi)容可知，新方案的時(shí)間效率與相關(guān)分?jǐn)?shù)域范圍參數(shù)M和加密得分范圍參數(shù)R有關(guān)，圖4給出新方案下50次試驗(yàn)的時(shí)間效率測(cè)量平均結(jié)果，由圖4可以看出，隨著相關(guān)分?jǐn)?shù)域范圍參數(shù)M的增加，所付出的時(shí)間也有所增長(zhǎng)；同時(shí)隨著加密得分范圍參數(shù)R的增長(zhǎng)，所付出的時(shí)間代價(jià)減少；包括隨機(jī)密鑰產(chǎn)生在內(nèi)的時(shí)間代價(jià)范圍在0.05 s～0.45 s之間，說(shuō)明本方案具有效率較高的特性。

圖3 對(duì)同一關(guān)鍵字采用不同密鑰的加密相關(guān)得分

圖4 時(shí)間代價(jià)與相關(guān)分?jǐn)?shù)域范圍參數(shù)和加密得分范圍參數(shù)的關(guān)系圖

本文提出了一種改進(jìn)加密云數(shù)據(jù)搜索效率的方法，通過(guò)制定搜索相關(guān)文件的標(biāo)準(zhǔn)并返回匹配文件，可以部分實(shí)現(xiàn)云計(jì)算的數(shù)據(jù)安全托管服務(wù)。相關(guān)實(shí)驗(yàn)通過(guò)與可搜索對(duì)稱加密技術(shù)進(jìn)行對(duì)比和分析，說(shuō)明新方法具有更好的高效性和魯棒性。下一步將改進(jìn)該方案中運(yùn)算速度，使之支持更大規(guī)模服務(wù)器集群的云計(jì)算環(huán)境，同時(shí)進(jìn)一步研究加密數(shù)據(jù)排序問(wèn)題。

[1]張潔.云計(jì)算的發(fā)展前景以及安全問(wèn)題[J].信息與電腦，2012（1）：25-26.

[2]黃汝維，桂小林，余思，等.云環(huán)境中支持隱私保護(hù)的可計(jì)算加密方法 [J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2011，34（12）：2391-2402.

[3]ChangY C，MITZENMACHER M.Privacypreserving keyword searches on remote encrypted data[C].in Proc.of ACNS′05， 2005.

[4]CURTMOLA R， GARAY JA， KAMARA S， etal.Searchable symmetric encryption：improved definitions and efficient constructions[C].in Proc.of ACM CCS′06， 2006.

[5]GOLDREICH O，OSTROVSKY R.Software protection and simulation on oblivious rams[J].Journal of the ACM， 1996，43（3）：431–473.

[6]劉鵬.云計(jì)算[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[7]KAMARA S，LAUTER K.Cryptographic cloud storage[C].Proceedings of Financial Cryptography：Workshop on Real-Life Cryptographic Protocols and Standardization 2010，January 2010.

[8]REN K，LOU W，KIM K，etal.A novelprivacy preserving authentication and accesscontrolscheme for pervasivecomputing environment[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2006,55（4）：1373-1384.

[9]BONEH D， WATERS B.Conjunctive， subset， and range queries on encrypted data.Proceedings of TCC 2007[C].Lecture Notes in Computer Science 4392，2007.

[10]SHIE， BETHENCOURTJ， CHAN T-H.H， etal.Multi-dimensional range query over encrypted data[C].Proceedings of IEEE Symposium on Security and Privacy，2007.