云計算環(huán)境中靜態(tài)數(shù)據(jù)可信存儲技術(shù)的測試研究＊

苗 麗，彭月英

（1.廣西經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530021；2.廣西師范學(xué)院，廣西 南寧 530023）

0 引言

在云計算模式下，靜態(tài)數(shù)據(jù)以存儲為主要目的，用戶只需將數(shù)據(jù)和應(yīng)用進行托管.云計算大規(guī)模、高可擴展性及按需服務(wù)等特點，與傳統(tǒng)IT技術(shù)相比，都有著明顯的優(yōu)勢.但是自云計算誕生以來，發(fā)生的很多安全事件讓云用戶對云存儲產(chǎn)生了很多的不信任.由于這種數(shù)據(jù)外包的服務(wù)使用戶失去了對數(shù)據(jù)的控制，對用戶而言，托管至云端的數(shù)據(jù)一般不再保存數(shù)據(jù)副本，這對數(shù)據(jù)的安全存儲來說無疑是一個隱患.畢竟云服務(wù)商的可信性不可評估：首先，存在不可預(yù)知的云服務(wù)器機械故障或管理失責(zé)；其次，云服務(wù)商若發(fā)生數(shù)據(jù)破壞，會盡量隱瞞，是半可信的；再次，即使用戶追究云服務(wù)商的責(zé)任，由于涉及商業(yè)機密，調(diào)查細節(jié)往往難以實現(xiàn)［1］.那么如何建立用戶對云端靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲的信任，促成數(shù)據(jù)合法并安全的使用，數(shù)據(jù)可信存儲便成了需要解決的關(guān)鍵問題.

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 研究領(lǐng)域分析

云計算采用虛擬化技術(shù)，虛擬軟件的安全、虛擬服務(wù)器和客戶端的安全均是研發(fā)人員所面臨的挑戰(zhàn)，云安全方面的研究主要集中在三個方面：數(shù)據(jù)的保密性，查詢隱私保護和數(shù)據(jù)的完整性.而其中用戶數(shù)據(jù)完整性主要是指存儲在云端的數(shù)據(jù)有沒有被隨意篡改、刪除或者偽造，數(shù)據(jù)的完整性是數(shù)據(jù)安全中最基本的安全要求，現(xiàn)階段數(shù)據(jù)完整性保護的研究領(lǐng)域主要集中在外包數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)發(fā)布、遠程存儲以及云存儲相關(guān)領(lǐng)域.鑒于云服務(wù)商的半可信性特點，用戶必須定期對數(shù)據(jù)進行測試，尤其是對于長時間沒有被訪問的數(shù)據(jù)，當(dāng)用戶訪問時才發(fā)現(xiàn)文件被篡改或者丟失，就為時已晚.對用戶來說，將數(shù)據(jù)存儲在云端，希望保證數(shù)據(jù)的完整狀態(tài)，而且當(dāng)數(shù)據(jù)被破壞時，希望知道并且可以定位出哪臺數(shù)據(jù)服務(wù)器有問題，從而追究云服務(wù)商的責(zé)任，進而最大程度的進行數(shù)據(jù)補救.

1.2 測試方法分析

云計算中對數(shù)據(jù)完整性測試可以分為兩個方面：數(shù)據(jù)擁有者和非數(shù)據(jù)擁有者對數(shù)據(jù)的完整性測試.數(shù)據(jù)擁有者是指個人或企業(yè)，非數(shù)據(jù)擁有者一般是第三方.已有的完整性測試方案有：

1）PDP（Provable Data Possression）.

該方案是測試遠程數(shù)據(jù)的完整性方案，可以檢測到外包數(shù)據(jù)中大于某個比例的數(shù)據(jù)破壞.用戶通過對服務(wù)器發(fā)送挑戰(zhàn)值進行數(shù)據(jù)測試，服務(wù)器收到挑戰(zhàn)之后，隨時抽樣生成概率性的測試結(jié)果，最終反饋給用戶.

2）POR（Proof of Retrievability）.

該方案是可證明性數(shù)據(jù)恢復(fù)方案，事先在數(shù)據(jù)文件上植入一些數(shù)據(jù)塊，用來檢測數(shù)據(jù)文件是否被篡改，在隨機抽樣生成的概率性結(jié)果的基礎(chǔ)上，再結(jié)合糾錯碼，最終對被破壞的數(shù)據(jù)進行一定程度的修復(fù).

3）基于哈希樹驗證結(jié)構(gòu)的方法.

哈希完整驗證方法需要用戶存儲所有數(shù)據(jù)文件用來計算哈希值，這本身與用戶使用云存儲的目的相違背，而且測試一次都需要下載整個文件，通信開銷較大.所以，基于哈希計算的完整性測試不適用于云計算環(huán)境.

4）副本修復(fù)策略.

副本修復(fù)策略是系統(tǒng)為對象創(chuàng)建副本后，系統(tǒng)試圖在整個過程中修復(fù)維護對象的副本.有兩種不同的修復(fù)策略：一種是主動修復(fù)策略，檢測到任何一份備份“死去”就立刻創(chuàng)建新的副本；另一種是基于閾值的修復(fù)策略，只有當(dāng)備份數(shù)量小于某些閾值才修復(fù)，如Total Re－call［2］.

2 整改思路

云計算中靜態(tài)數(shù)據(jù)可信存儲的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)的完整性，包括租戶與云服務(wù)器之間傳輸數(shù)據(jù)時的數(shù)據(jù)完整性和已在云端保存的數(shù)據(jù)的完整性.針對云服務(wù)商的信譽和技術(shù)，用戶和云服務(wù)商之間需要形成一定的測試規(guī)則.對用戶而言，希望能夠及時了解云端數(shù)據(jù)的完整性狀態(tài)，當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)不完整信息的反饋時，用戶能夠及時確定是哪一臺服務(wù)器上的數(shù)據(jù)，并且希望能夠?qū)?shù)據(jù)進行較高比例的修復(fù).筆者致力于設(shè)計更為有效的完整性測試算法，利用某種形式的挑戰(zhàn)－應(yīng)答協(xié)議［1］，用戶可以及時了解數(shù)據(jù)的完整性情況，還能夠在部分?jǐn)?shù)據(jù)出現(xiàn)損壞時，僅用少量數(shù)據(jù)便能夠進行最大程度的修復(fù)［3］，此設(shè)計還巧妙的引入第三方機制，有效地防止云服務(wù)商對數(shù)據(jù)破壞的隱瞞，從而進一步達到數(shù)據(jù)可信存儲的目標(biāo).

3 支持公開驗證和數(shù)據(jù)恢復(fù)的數(shù)據(jù)完整性測試

3.1 完整性測試方案基本架構(gòu)

數(shù)據(jù)可信存儲的架構(gòu)包含三類實體：租戶、第三方服務(wù)器和云端服務(wù)器（如圖1所示）.租戶端即將大量數(shù)據(jù)存儲在云端的租戶，也是完整性測試方案的實施者；第三方是租戶和服務(wù)商進行通信的一個可信的媒介，能夠?qū)τ脩暨M行身份認(rèn)證，并且可以根據(jù)用戶發(fā)出的響應(yīng)值對數(shù)據(jù)完整性進行測試，并將測試結(jié)果返回給租戶；云端存儲服務(wù)器用來存儲用戶的數(shù)據(jù)［4］.

圖1 完整性測試方案架構(gòu)Fig.1Integrity verification solution architecture

3.2 數(shù)據(jù)完整性測試過程

基于可證明性測試方案和數(shù)字簽名的啟發(fā)，筆者提出的完整性測試方案采用多副本存儲，在整個完整性測試過程中，包括3個初始化函數(shù)，3個完整性測試函數(shù)和1個數(shù)據(jù)修復(fù)函數(shù).假設(shè)用F表示租戶要保存在云端服務(wù)器上的文件.

1）密鑰生成函數(shù)［1］：Setup（π）→（Pk，Sk），該函數(shù)由租戶設(shè)置，輸入值為安全參數(shù)π，生成租戶的公開密鑰Pk和秘密密鑰Sk，Sk由租戶自己保存，Pk被公開.

2）副 本 生 成 算 法［6］：Duplicate （F，Sk，s，n，m）→ （F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)s）.租戶在客戶端采用副本生成算法對源數(shù)據(jù)進行加密，生成s個加密副本，再將加密副本劃分成n個數(shù)據(jù)塊，每個數(shù)據(jù)塊劃分為m個子塊.加密密鑰Sk只有1個，所以要想得到s個不同的副本，可以將副本序號與文件進行連接，然后采用AES等，諸如此類具有強混淆能力的算法進行加密.

綜上，租戶如果需要解密從云端服務(wù)器獲得的數(shù)據(jù)，那么只需要保存一個Sk就能可以做到，在一定程度上保證了數(shù)據(jù)不被非法用戶使用，也為后期的數(shù)據(jù)恢復(fù)做好準(zhǔn)備.由此得到，每個副本又被分解為：

3）測試碼生成函數(shù)：Key（Pk，Sk，F(xiàn)）→ Key，該函數(shù)由租戶設(shè)置，以Pk，Sk，F(xiàn)為輸入，輸出為對文件F的一個測試碼Key.租戶將Key公開為面向第三方的數(shù)據(jù)完整性公開測試.

4）挑戰(zhàn)函數(shù)：Chal（X）→Chal：該函數(shù)在租戶端執(zhí)行，輸入為隨機函數(shù)X，輸出值為挑戰(zhàn)值Chal，請求第三方開展對文件F的完整性證明.

5） 響 應(yīng) 函 數(shù)：Response（Pk，F(xiàn)，Chal） →Ture／Res，該函數(shù)由第三方執(zhí)行，以公開密鑰Pk、F和挑戰(zhàn)值為輸入，如果測試通過，返回正確信息給租戶，如果測試沒通過，則以Pk和F1…Fs數(shù)據(jù)分塊為輸入，將輸出響應(yīng)值Res發(fā)送至租戶端，由租戶確定哪個數(shù)據(jù)分塊出錯.

6）測試函數(shù)［1］：Verify（Res，Key）→ Ture／False，該函數(shù)在租戶端執(zhí)行，輸入值為響應(yīng)值Res和測試碼Key，輸出為對響應(yīng)Res的測試結(jié)果.若結(jié)果為True，則表明第i個數(shù)據(jù)分塊Fi的完整性測試通過，基于文獻［7］提出的SESS秘密共享方案的性質(zhì)，證明該文件分塊沒有問題；當(dāng)測試結(jié)果為False時，則說明測試的第i（1≤i≤s）個數(shù)據(jù)塊發(fā)生了損壞.這時可以利用文件F的冗余性，如果測試結(jié)果為False，則執(zhí)行n＝n＋1，以此來測試n與門限值ε的大小關(guān)系.

7）數(shù)據(jù)修復(fù)算法：Repair（Fj｜1＜j＜n－k）→F／⊥：K為（1＜k＜n）的整數(shù)，該函數(shù)以測試通過的n－k個副本為輸入，其中，ε是秘密共享方案的門限值，該算法執(zhí)行基于閾值的懶惰的修復(fù)策略［8］，這種策略只有當(dāng)樣本數(shù)量小于某些閾值時，才嘗試從云存儲服務(wù)器上恢復(fù)原始數(shù)據(jù).如果恢復(fù)成功，則輸出正確的數(shù)據(jù)文件，并進行文件的重新存儲；如果恢復(fù)失敗，則終止.

3.3 方案的正確性和合理性分析

該方案借助第三方對云端數(shù)據(jù)進行完整性測試，當(dāng)測試出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤時，借助副本恢復(fù)機制進行數(shù)據(jù)恢復(fù).整個方案首先需要租戶對公開密鑰和私密密鑰進行初始化，另外租戶在存儲文件的同時進行副本的創(chuàng)建，保證數(shù)據(jù)不被非法用戶使用，也為后期的數(shù)據(jù)恢復(fù)做準(zhǔn)備，測試及恢復(fù)過程是由租戶向第三方發(fā)起測試挑戰(zhàn)值開始的，第三方收到挑戰(zhàn)之后進行云端數(shù)據(jù)的測試過程，如果測試通過，返回正確信息給租戶，如果沒有通過，則記錄錯誤信息，并返回一系列響應(yīng)值給租戶，由租戶確定出錯的數(shù)據(jù)塊，并確定損壞副本數(shù)量是否小于一定的閾值，如在閾值范圍內(nèi)，則執(zhí)行數(shù)據(jù)恢復(fù)函數(shù)進行文件修復(fù).

在該方案中，主要完成了兩大任務(wù)：

一是由第三方完成數(shù)據(jù)的完整性測試，這樣在發(fā)生數(shù)據(jù)完整性問題時，云服務(wù)商的責(zé)任不可推卸；

二是完成一定程度的數(shù)據(jù)恢復(fù)，當(dāng)挑戰(zhàn)次數(shù)低于一定的閾值ε就可以借助副本機制和秘密共享算法進行數(shù)據(jù)恢復(fù)，當(dāng)然如果挑戰(zhàn)次數(shù)大于閾值ε，則證明存儲的數(shù)據(jù)到了比較嚴(yán)重的損壞程度，則無法進行修復(fù).

4 結(jié)語

筆者提出的支持公開驗證和數(shù)據(jù)恢復(fù)的數(shù)據(jù)完整性測試方案為用戶提供了遠程數(shù)據(jù)完整性證明和數(shù)據(jù)的可恢復(fù)性等安全機制，可以使用戶及時知道云上數(shù)據(jù)的完整性狀態(tài)，較以往的方法相比，很好地解決了目前云服務(wù)商半可信性等問題所帶來的隱患，并且當(dāng)數(shù)據(jù)損壞小于一定程度時，可以借助副本機制以較高概率修復(fù)數(shù)據(jù)，在一定程度上保證了云計算的可信存儲.除此之外，如何保證用戶數(shù)據(jù)不被云服務(wù)商非法泄露，防止被非授權(quán)第三方使用也是需要進一步研究的課題，而對于動態(tài)數(shù)據(jù)的實時性完整性測試也是下一步需要研究的課題.

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