云計(jì)算中數(shù)據(jù)資源的安全加密機(jī)制

程玉柱 胡伏湘

（長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院軟件學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410004）

隨著通信技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)的高速發(fā)展，人們?cè)诨ヂ?lián)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)共享和訪問(wèn)日益頻繁，數(shù)據(jù)的安全性面臨著更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，安全問(wèn)題已成為阻礙云計(jì)算發(fā)展的關(guān)鍵因素，也是云計(jì)算得以普及的前提。概括地說(shuō)，云計(jì)算是將大量的、可規(guī)?；腎T資源作為一種服務(wù)通過(guò)因特網(wǎng)提供給多個(gè)外部用戶。在云計(jì)算這種新的服務(wù)模式下，數(shù)據(jù)提供者和數(shù)據(jù)訪問(wèn)者不再是簡(jiǎn)單的一對(duì)一關(guān)系，數(shù)據(jù)提供者將數(shù)據(jù)存放在第三方云計(jì)算服務(wù)提供商提供的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心，數(shù)據(jù)訪問(wèn)者通過(guò)云計(jì)算服務(wù)提供商提供的多種開(kāi)發(fā)接口而訪問(wèn)數(shù)據(jù)提供者發(fā)布的重要數(shù)據(jù)。然而，如云安全聯(lián)盟白皮書(shū)所指出的那樣，存儲(chǔ)在云服務(wù)端的數(shù)據(jù)很可能被非可信的云計(jì)算服務(wù)提供商或非法用戶竊取。因此，針對(duì)當(dāng)前云計(jì)算中數(shù)據(jù)資源所面臨的威脅，如何利用有效的安全加密機(jī)制來(lái)加強(qiáng)數(shù)據(jù)的安全性、防止數(shù)據(jù)泄露和加強(qiáng)隱私保護(hù)是云安全的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

1.數(shù)據(jù)加密的基本原理

1.1 數(shù)據(jù)加密的基本概念和一般原理

數(shù)據(jù)加密的基本過(guò)程就是對(duì)原來(lái)為明文的文件或數(shù)據(jù)按某種算法進(jìn)行處理，使其成為不可讀的一段代碼，通常稱(chēng)為“密文”。其只能在輸入相應(yīng)的密鑰之后才能顯示出本來(lái)內(nèi)容，通過(guò)這樣的途徑來(lái)達(dá)到保護(hù)數(shù)據(jù)不被非法竊取、閱讀的目的。該過(guò)程的逆過(guò)程為解密，即將該編碼信息轉(zhuǎn)化為其原來(lái)數(shù)據(jù)的過(guò)程[1]。

一個(gè)典型的數(shù)據(jù)加密模型如圖1所示：

一個(gè)安全的加密技術(shù)應(yīng)該滿足五個(gè)基本要求：一是必須提供高強(qiáng)度的安全性。二是具有高強(qiáng)度的復(fù)雜性，使得破譯的開(kāi)銷(xiāo)超過(guò)可能獲得的利益，同時(shí)又便于理解、掌握和推廣應(yīng)用。三是安全性應(yīng)不依賴(lài)于算法的保密，其加密的安全性?xún)H以加密密鑰的保密為基礎(chǔ)。四是必須適用于不同的用戶和不同的場(chǎng)合，加解密變換必須對(duì)所有密鑰均有效。五是理想的加密算法應(yīng)該是對(duì)系統(tǒng)性能幾乎沒(méi)有負(fù)面的影響。

1.2 加密算法分類(lèi)

從密鑰的特點(diǎn)來(lái)分類(lèi)，加密算法可以分為對(duì)稱(chēng)密碼算法和非對(duì)稱(chēng)密碼算法[1]。對(duì)稱(chēng)密碼算法又稱(chēng)為傳統(tǒng)密碼算法，其特點(diǎn)是在加密與解密過(guò)程中使用相同的密鑰，而與之相對(duì)應(yīng)的是非對(duì)稱(chēng)密碼算法。顧名思義，非對(duì)稱(chēng)密碼算法的加密密鑰不同于解密密鑰，加密密鑰（公鑰）公之于眾，而解密密鑰（私鑰）卻只有解密人自己知道。日常生活中，非對(duì)稱(chēng)密碼算法又稱(chēng)為公鑰密碼算法。

1.2.1 對(duì)稱(chēng)密碼體制

對(duì)稱(chēng)密碼體制是指加密與解密密鑰相同或等價(jià)，而且通信雙方必須都要獲得這把密鑰，并保持其機(jī)密性。當(dāng)給對(duì)方發(fā)信息時(shí)，用自己的加密密鑰進(jìn)行加密，而在接收方收到數(shù)據(jù)后，用對(duì)方所給的密鑰進(jìn)行解密。因?yàn)榧咏饷苊荑€相同，需要通信的雙方必須選擇和保存他們共同的密鑰，各方必須相信對(duì)方不會(huì)將密鑰泄密出去，這樣就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的機(jī)密性和完整性。由于安全強(qiáng)度高，加密速度快，對(duì)稱(chēng)加密技術(shù)是最常用的加密技術(shù)，典型的對(duì)稱(chēng)密碼算法有 DES、AES、IDEA等。

DES（Data Encryption Algorithm）數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)，是一個(gè)對(duì)稱(chēng)的分組密碼算法。加密前將明文分成固定長(zhǎng)度的組，用同一密鑰對(duì)每一塊加密，輸出也是固定長(zhǎng)度的密文，加密過(guò)程使用64位密鑰來(lái)對(duì)64位數(shù)據(jù)塊進(jìn)行加密，并對(duì)64位數(shù)據(jù)塊進(jìn)行16輪編碼。64位一組的明文從算法的一端輸入，64位密文從另一端輸出。DES加密數(shù)據(jù)速度快、效率高，被廣泛用于大量數(shù)據(jù)的加密。

IDEA（International Data Encryption Algorithm）是國(guó)際數(shù)據(jù)加密算法，它使用128位密鑰，每次加密一個(gè)64位的數(shù)據(jù)塊。IDEA算法的安全性相對(duì)DES算法有很大的提高，其密鑰是128位，而且它比DES在軟件實(shí)現(xiàn)上快得多。

AES（Advanced Encryption Standard）即高級(jí)數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)，是一個(gè)迭代的對(duì)稱(chēng)密鑰加密標(biāo)準(zhǔn)，是基于排列和置換運(yùn)算，現(xiàn)在已經(jīng)成為新一代的數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)。AES加密的分組長(zhǎng)度都是可變的，其密鑰可以是128、192和256位密鑰，一般較常用的密鑰長(zhǎng)度是128位，并且可以根據(jù)自己的需要選擇分組的長(zhǎng)度和加密的輪數(shù)來(lái)保證數(shù)據(jù)的安全。AES加密與DES相比有很強(qiáng)的保密強(qiáng)度，安全級(jí)別較高，且能經(jīng)受住時(shí)間的檢驗(yàn)和攻擊。密鑰的長(zhǎng)度及速度都高于DES，且資源的消耗較低，但是同樣為對(duì)稱(chēng)密鑰，密鑰必須通過(guò)安全的途徑傳送，密鑰管理困難。

1.2.2 非對(duì)稱(chēng)密碼體制

非對(duì)稱(chēng)密碼體制要求密鑰成對(duì)使用，加密和解密分別用兩個(gè)密鑰來(lái)實(shí)現(xiàn)。每個(gè)用戶都有一對(duì)選定的密鑰，一個(gè)可以公開(kāi)，即公共密鑰，用于加密；另一個(gè)由用戶安全擁有，即秘密密鑰，用于解密，非法用戶根據(jù)公開(kāi)的加密密鑰在計(jì)算上并不能算出解密密鑰。該技術(shù)就是針對(duì)對(duì)稱(chēng)密碼體制的缺陷被提出來(lái)的[2]。如果一個(gè)人選擇并公布了他的公鑰，另外任何人都可以用這一公鑰來(lái)加密傳送給那個(gè)人的消息。私鑰是秘密保存的，只有私鑰的所有者才能利用私鑰對(duì)密文進(jìn)行解密。非對(duì)稱(chēng)密碼系統(tǒng)可提供以下功能：

（1）機(jī)密性（Confidentiality）：保證非授權(quán)人員不能非法獲取信息，通過(guò)數(shù)據(jù)加密來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（2）確認(rèn)（Authentication）：保證對(duì)方屬于所聲稱(chēng)的實(shí)體，通過(guò)數(shù)字簽名來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（3）數(shù)據(jù)完整性（Dataintegrity）：保證信息內(nèi)容不被篡改，入侵者不可能用假消息代替合法消息，通過(guò)數(shù)字簽名來(lái)實(shí)現(xiàn)。

典型的公鑰密碼算法有RSA和ECC。RSA是當(dāng)前最著名的、應(yīng)用最廣泛的公鑰算法，安全性基于大整數(shù)素因子分解問(wèn)題的困難性，它是一種分組加密算法，該算法原理簡(jiǎn)單，易于使用[3]。ECC（Elliptic Curve Cryptosystem）即橢圓曲線密碼體制，是建立在求橢圓曲線離散對(duì)數(shù)困難基礎(chǔ)上的，它的安全性依賴(lài)于橢圓曲線離散對(duì)數(shù)問(wèn)題的安全性，是目前最流行的一種公開(kāi)密鑰密碼體制。ECC與RSA方法相比，它的安全性更高，只需要160位的密鑰就可以達(dá)到1024位RSA算法提供的安全等級(jí)，有更好的加密強(qiáng)度，計(jì)算量小且處理速度快。

2.云計(jì)算環(huán)境下數(shù)據(jù)資源的加密技術(shù)分析

在云計(jì)算環(huán)境中，針對(duì)用戶數(shù)據(jù)資源所面臨的安全威脅，目前所采用的最基本、最核心的技術(shù)是數(shù)據(jù)加密技術(shù)，其利用密碼學(xué)里的相關(guān)技術(shù)對(duì)信息進(jìn)行替換或者移位，實(shí)現(xiàn)信息隱藏，從而保護(hù)信息的安全。然而，隨著近年來(lái)云計(jì)算技術(shù)的高速發(fā)展，用戶在互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)共享日益頻繁，傳統(tǒng)的加密體制和方法已經(jīng)不能適應(yīng)新的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下層出不窮的應(yīng)用需求。云計(jì)算中數(shù)據(jù)資源安全加密體制遇到了一些新的挑戰(zhàn)，同時(shí)也引起了研究界的廣泛關(guān)注。

2.1 對(duì)稱(chēng)密碼體制

數(shù)據(jù)擁有者首先與數(shù)據(jù)訪問(wèn)者協(xié)商一對(duì)加、解密密鑰，然后利用加密密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，數(shù)據(jù)訪問(wèn)者則從數(shù)據(jù)擁有者或密鑰管理中心KCC處獲取相應(yīng)解密密鑰（對(duì)稱(chēng)密碼體制中，解密密鑰=加密密鑰）。該方案存在的兩個(gè)主要問(wèn)題是：第一，每一個(gè)數(shù)據(jù)訪問(wèn)者均需要與數(shù)據(jù)擁有者協(xié)商一對(duì)密鑰，當(dāng)訪問(wèn)用戶很多時(shí)，需要協(xié)商的密鑰數(shù)量將會(huì)很龐大；第二，在不安全的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，密鑰將通過(guò)什么安全通道進(jìn)行協(xié)商或分發(fā)？

2.2 非對(duì)稱(chēng)密碼體制

基于對(duì)稱(chēng)密碼體制下密鑰的協(xié)商和分發(fā)難題，非對(duì)稱(chēng)密鑰體制用公鑰加密，而用私鑰來(lái)解密，從而實(shí)現(xiàn)了加密密鑰和解密密鑰的分離，但該體制存在兩個(gè)典型問(wèn)題：第一、如何確認(rèn)公鑰的正確性？目前確認(rèn)加密用公鑰的正確性一般是通過(guò)設(shè)立一個(gè)可信第三方（即證書(shū)中心CA）來(lái)對(duì)公鑰進(jìn)行認(rèn)證，在云計(jì)算環(huán)境下，用戶數(shù)量可能會(huì)非常龐大，這就對(duì)CA的安全性和管理負(fù)荷帶來(lái)了一定的挑戰(zhàn)。第二、當(dāng)數(shù)據(jù)擁有者希望共享自己的數(shù)據(jù)時(shí)，需要獲得每一個(gè)訪問(wèn)用戶的公鑰來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，而訪問(wèn)用戶則憑借自己的私鑰對(duì)密文進(jìn)行解密。這種方式對(duì)數(shù)據(jù)擁有者的共享帶來(lái)了很大的操作負(fù)擔(dān)，每增加一個(gè)授權(quán)訪問(wèn)用戶，就需要去CA獲得該訪問(wèn)用戶的公鑰，對(duì)共享數(shù)據(jù)加密后再進(jìn)行發(fā)布。

2.3 基于身份的加密體制[4]

針對(duì)非對(duì)稱(chēng)密碼體制下公鑰正確性證明需要提供一個(gè)CA中心的問(wèn)題，在基于身份的加密體制下，采用用戶的身份信息作為其公鑰，從而避免了額外設(shè)立CA中心的負(fù)擔(dān)。也就是說(shuō)，公鑰真實(shí)性問(wèn)題和證書(shū)管理問(wèn)題在基于身份加密的系統(tǒng)中就不再需要。但基于身份的加密體制仍存在的問(wèn)題是，如果數(shù)據(jù)擁有者希望所共享的數(shù)據(jù)可以為多個(gè)授權(quán)用戶訪問(wèn)，則同樣需要分別采用每個(gè)訪問(wèn)用戶的身份信息作為公鑰來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。

2.4 基于屬性的加密體制

基于用戶的身份信息唯一，但其屬性可能會(huì)有共性的特點(diǎn)，Sahai和Waters在2005年歐洲密碼年會(huì)上發(fā)表了《模糊基于身份加密方案》一文[5]，首次提出了基于屬性加密的概念。與基于身份的加密體制中采用用戶的唯一身份信息作為公鑰不同，基于屬性的加密體制采用用戶的屬性集合作為公鑰來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，如果一個(gè)訪問(wèn)用戶能夠解密一個(gè)密文，當(dāng)且僅當(dāng)該用戶的屬性集合和密文的屬性集合共有屬性的數(shù)量達(dá)到門(mén)限要求。在該加密體制中，引入了包含與、或、非，以及門(mén)限能力的訪問(wèn)樹(shù)結(jié)構(gòu)，使得密文可以被多個(gè)用戶共享。

舉一個(gè)例子說(shuō)明：假設(shè)系統(tǒng)中門(mén)限為3，因此只有用戶的屬性集合中至少有3個(gè)屬性與密文屬性集合相同，用戶才能解密。設(shè)a,b,...h表示系統(tǒng)中的屬性，若系統(tǒng)中有三個(gè)用戶分別為:A(a,b,c,d,e)，B(b,c,e,f)，C(a,d,g)?，F(xiàn)有一個(gè)密文，其密文的屬性集合為(b,c,d,f)。因?yàn)橄到y(tǒng)的門(mén)限是3，這就要求解密用戶的屬性集合至少含(b,c,d,f)中三個(gè)或三個(gè)以上的屬性。從A,B,C三個(gè)用戶的屬性集合可以看出A和B滿足條件，他們的屬性集合滿足了解密條件，能夠解密密文。而用戶C屬性集合不滿足要求，因此不能解密。

因?yàn)榛趯傩约用芊桨钢屑用芎徒饷芫哂袆?dòng)態(tài)、靈活的特性，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中用戶的解密能力和密文的保護(hù)方面的細(xì)粒度控制。近幾年來(lái)，基于屬性加密成為公鑰密碼學(xué)的研究熱點(diǎn)[6-8]。

3.云計(jì)算環(huán)境下數(shù)據(jù)加密的發(fā)展趨勢(shì)

綜合對(duì)目前主流的加密方案進(jìn)行分析，對(duì)稱(chēng)密碼體制在加解密速度上占有一定的優(yōu)勢(shì)，但在云計(jì)算環(huán)境下，其密鑰管理和分發(fā)的障礙更為突出。非對(duì)稱(chēng)密碼體制一定程度上解決了對(duì)稱(chēng)密碼體制在密鑰管理和分發(fā)的難題，但在公鑰管理和分發(fā)上需要設(shè)立一個(gè)公鑰認(rèn)證中心，在云計(jì)算環(huán)境下該認(rèn)證中心很容易成為黑客重點(diǎn)攻擊的目標(biāo)，且一旦其被攻破，則用戶數(shù)據(jù)安全性不再得到保證?；谏矸莸募用荏w制可以不再需要認(rèn)證中心，但其仍然存在的問(wèn)題是用戶希望共享數(shù)據(jù)時(shí)，需要獲取所有訪問(wèn)用戶的身份信息來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，其代價(jià)比較大。而基于屬性的加密體制從原理上較適合云計(jì)算環(huán)境下的針對(duì)多用戶的數(shù)據(jù)共享問(wèn)題，在很多應(yīng)用場(chǎng)景下不再需要認(rèn)證中心來(lái)管理和分發(fā)密鑰，而且針對(duì)多訪問(wèn)用戶，可以用他們的共有屬性集來(lái)設(shè)計(jì)加密方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)用戶解密密文的細(xì)粒度控制。然而據(jù)我們所知，到目前為止，基于屬性的加密體制在某些擴(kuò)展應(yīng)用場(chǎng)景中還存在一些問(wèn)題，比如針對(duì)所有屬性情況下的訪問(wèn)樹(shù)設(shè)計(jì)是否可行？能否在不設(shè)立認(rèn)證中心的前提下，處理新增用戶訪問(wèn)的要求？如何處理在云計(jì)算環(huán)境下，基于屬性加密體制的用戶單點(diǎn)登錄問(wèn)題？

4.結(jié)束語(yǔ)

數(shù)據(jù)作為一種資源，其安全的重要性顯而易見(jiàn)，業(yè)已成為云計(jì)算技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵與難點(diǎn)。而加密則是目前保障數(shù)據(jù)安全的重要措施。隨著云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，對(duì)數(shù)據(jù)加密技術(shù)提出了越來(lái)越高的要求，各種加密算法陸續(xù)被提出、應(yīng)用、否定和改進(jìn)。目前來(lái)看，由于不同體制的加密算法各有所長(zhǎng)，所以在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)，各類(lèi)加密體制將會(huì)共同發(fā)展。而基于屬性的加密算法在近年得到廣泛的關(guān)注，不僅僅是因?yàn)槠湓诶碚撛O(shè)計(jì)上的復(fù)雜性，更因?yàn)榛趯傩悦艽a以及相關(guān)研究的巨大應(yīng)用價(jià)值?；趯傩缘募用芩惴ㄔ诎褜?duì)身份的控制和認(rèn)證擴(kuò)充為對(duì)用戶擁有的屬性集合的認(rèn)證，提供了豐富的控制手段。通過(guò)門(mén)限，與門(mén)和或門(mén)等控制單元構(gòu)造出可以適應(yīng)多種情況的訪問(wèn)控制結(jié)構(gòu)。但是現(xiàn)有的一些基于屬性的加密算法以及相關(guān)的方案還存在一些需要改進(jìn)和關(guān)注的問(wèn)題，有待研究的繼續(xù)深入。

[1]吳世忠.應(yīng)用密碼學(xué)－協(xié)議、算法與C源程序[M],北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[2]W Diffie,M E Hellman.New directions in cryptography[J],IEEE Transon Inf.Theory,1976,22(6):644-654.

[3]R L Rivest,A Shamir,L Adleman.A method for obtaining digital signatures and public key cryptosystem[C].Comm.ACM.1978.21:120-126.

[4]D Boneh,M K Franklin.Identity-based encryption from the weil pairing[C].CRYPTO,2001,213-229.

[5]Sahai A,Waters B.Fuzzy identity based encryption[C].Advances in Cryptology(EUROCRYPT 2005).Lecture Notes in Computer Science(3494),Berlin:Springer-Verlag,2005.457-473.

[6]Bethencourt J,Sahai A,Waters B.Ciphertext-policy attribute-based encryption[C].Proceedings of IEEE Symposium on Security and Privacy,2007.321-334.

[7]Attrapadung N,Imai H.Dual-Policy Attribute Based Encryption[C].Proceedings of Applied Cryptography and Network Security.Lecture Notesin Computer Science(5536),Berlin:Springer-Verlag,2009.168-185.

[8]Guo Z Z,Li M C,Cui Y R,Fan X X.Dynamic multi-attribute based encryption[J],JDCTA:International Journal of Digital Content Technology and its Applications,2011,Vol.5:281-289.