基于云存儲的數(shù)據(jù)庫密文檢索研究

謝怡文

摘要： 云存儲的應用相比傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫技術具備更高的可用性、更低廉的運行成本、更便捷地管理以及更為敏捷的運行模式。云存儲是云計算應用的基礎，是一種按需使用、按需付費的數(shù)據(jù)庫管理模式，并支持海量數(shù)據(jù)的存儲。但由于當前云存儲的安全問題，用戶并非將自身的核心數(shù)據(jù)放到云端管理。針對該研究背景，本文提出一種安全、有效以及靈活的方法用于提高云存儲密文檢索的安全性，通過采用IBC技術提高了管理的方便性，采用ECC技術提供了數(shù)據(jù)機密性的提升，同時采用ECDS技術確保了數(shù)據(jù)的完整性。

關鍵詞： 云存儲；云計算；密文檢索

中圖分類號： TP393 文獻標志碼： A 文章編號：1009-3044（2016）25-0214-02

1 概述

云計算是一種通過虛擬化技術實現(xiàn)存儲資源共享使用的新型模式，用戶可隨時隨地的通過任何智能設備接入云計算系統(tǒng)獲取自身所需的服務。云存儲是云計算發(fā)展的基礎，所謂云存儲就是通過超大型服務陣列形成一個云計算中心，通過互聯(lián)網服務的方式，用戶可按需申請所需的存儲服務，但由于當前缺乏云存儲安全性的評價標準，云服務（按照業(yè)界可劃分為兩種模式，一種為SaaS、PaaS、IaaS，另一種為Public、Private、Community、HyBrid）按照其基本的因素（業(yè)界分為五種：On-Demand， BroadNetwork Access， Rapid Elasticity， Measured Service，and Resource pooling）出現(xiàn)了集中具有代表性的云存儲安全技術—IBC（Identity-Based Cryptography）、ECC（Elliptic Curve Cryptography）以及TC（Trusted Cloud）[1]。

本文針對云存儲所面臨的安全問題，提出了一種新的云存儲數(shù)據(jù)庫密文檢索算法，該算法基于文獻[1]中提出的幾種經典策略（IBC、ECC、TC）等進行改進。

2 相關研究工作

關于數(shù)據(jù)庫密文檢索的安全性研究已經得出相關的研究成果。文獻[4]中提出的基于RSA算法的改進，對用戶的遠程接入管理數(shù)據(jù)庫的安全性進行了論證；文獻[3]采用ECC以及Sobol隊列技術設計實現(xiàn)了一套安全協(xié)議，該協(xié)議提供了解決數(shù)據(jù)完整性以及機密性的問題；文獻[2]中針對云存儲安全問題，采用RSA算法解決數(shù)據(jù)真實性問題，采用AES算法獲取存儲數(shù)據(jù)的機密性；文獻[5]提出在私有云存儲中的安全協(xié)議，基于Diffie-Hellman協(xié)議以及RSA算法實現(xiàn)了云存儲數(shù)字簽名的機制，并定義了相關的加密、解密算法；文獻[6]中基于RSA、ECC以及RC4設計實現(xiàn)了一套用于云存儲安全管理的加解密系統(tǒng)。綜上所述，當前對于云存儲數(shù)據(jù)庫密文檢索的研究主要集中于解決某一方面問題，如服務訪問的安全性、數(shù)據(jù)完整性、以及數(shù)據(jù)安全性等問題，但是對于解決云計算中數(shù)據(jù)庫安全的研究甚少。

3 算法介紹

3.1 數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)定位

云計算中心的設計通常采用多服務器的分布式架構，為用戶提供快捷、可靠的數(shù)據(jù)服務是云計算存儲的核心競爭力，然而面對多用戶的海量搜索請求，及時的處理反饋是十分重要的。云存儲的建設是建立在海量數(shù)據(jù)存儲管理、低成本服務、高可靠性訪問、高有效性管理等基礎上的[12-15]。

云存儲安全性問題主要包含數(shù)據(jù)存儲冗余性、動態(tài)性。其中云存儲的冗余性通過不同位置的副本的保存是確保云存儲數(shù)據(jù)保護的手段之一，而動態(tài)性意味著客戶的數(shù)據(jù)存在被修改的可能性。用戶按照相應的權限只限定訪問自己的數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的獨立性，而不同用戶對數(shù)據(jù)的修改并不影響當前用戶對數(shù)據(jù)的訪問。

確保存儲數(shù)據(jù)的安全性，首先要確定數(shù)據(jù)的存儲位置，這在不同的國家/政府之間存在相應的法律差異，因此對于云服務的用戶應該了解服務提供商相關的安全法規(guī)（當前CSP的選擇是由客戶選擇數(shù)據(jù)中心的位置）。

3.2 數(shù)據(jù)的安全周期

數(shù)據(jù)的安全周期是指從數(shù)據(jù)的創(chuàng)建到損壞的整個流程，根據(jù)文獻[7，8]中所描述的過程介紹如下。

（1）創(chuàng)建：在數(shù)據(jù)的創(chuàng)建過程中可能由于用戶的操作錯誤造成數(shù)據(jù)的分類錯誤，需要按照數(shù)據(jù)標簽以及分類策略降低數(shù)據(jù)分類錯誤的風險；

（2）存儲：云計算服務的數(shù)據(jù)存儲通常面臨網絡、非法接入、數(shù)據(jù)泄露等問題，為了保證數(shù)據(jù)質量，往往基于SLA的拷貝、備份、存儲過程均在本地進行；

（3）使用與共享：數(shù)據(jù)的使用包含數(shù)據(jù)的傳輸（CSP、傳輸過程以及客戶），數(shù)據(jù)的使用與共享的核心是數(shù)據(jù)交互，須確保數(shù)據(jù)在多個用戶之間交互過程中確保數(shù)據(jù)的一致性和完整性；

（4）存檔：在數(shù)據(jù)存儲階段，必須確保數(shù)據(jù)免受未經授權的用戶訪問，除了在數(shù)據(jù)備份和檢索是需要防止數(shù)據(jù)過早被破壞或損失，因此在數(shù)據(jù)庫存檔前需對數(shù)據(jù)進行加密處理；

（5）銷毀：數(shù)據(jù)的最終銷毀是數(shù)據(jù)庫存儲的最后階段，該階段關系著數(shù)據(jù)的最后安全問題，當前業(yè)界常用的技術有磁盤擦除、物理數(shù)據(jù)破壞技術等方式。

3.3 基于身份的加密

基于身份認證的加密技術（Identity-Based Cryptogrphy， IBC）是公鑰密碼學的核心技術之一，當前在電話網加密、電子郵件加密過程中均采用了IBC技術，它是采用IP地址或者域名作為公鑰，而非使用數(shù)字證書。對于IBC技術的改進已出現(xiàn)多種新策略，如Shamir等人提出的基于數(shù)字簽名的加密技術—IBS，該算法是基于RSA算法，通過數(shù)字簽名的方式實現(xiàn)用戶認證過程，該策略雖然再認證過程中添加了加密的流程（Identity-Based Encryption，IBE），但并未得出最終的解決方案，該問題在學術界仍是未解課題[9，10，11]。

基于身份認證的密文系統(tǒng)通過第三方的私鑰生成器（PKG），創(chuàng)建一個私鑰（MK）和公鑰（PS），PKG通過向用戶公布PS，用戶可根據(jù)MK和PS生成自有的公鑰（UMK），即完成用戶身份的加密過程。

3.4 EC密文檢索機制

ECC機制依賴于有限域的橢圓曲線理論，該機制自1990年已成為眾多數(shù)據(jù)庫密文檢索安全研究所遵循的標準，具體介紹如下。

3.4.1 EC算法介紹

ECC機制的最大優(yōu)勢在于其提供了一種平等的安全級別，但在密鑰長度上相比RSA較短（這樣就降低了密碼破解的難度）。本文定義一個系數(shù)范圍為0到P-1的橢圓曲線方程用來計算模ρ，當使用橢圓曲線來研究密文檢索，相當于對阿貝爾群限制系數(shù)和變量[7，8]，ECC方程表述如公式1所示。

3.4.2 橢圓曲線離散對數(shù)問題研究

假設E為有限元的橢圓曲線，P為E上的點n序列，那么對于E的橢圓曲線離散對數(shù)問題的研究表述公式2。

3.4.3 基于橢圓曲線密文檢索

ECC算法是基于非對稱算法為基礎的，因此對于集成電路加密、智能卡加密、無線設備加密都具備簡單、安全的特性，3.4.2中所介紹的橢圓曲線離散對數(shù)問題對ECC算法的安全性研究是十分重要的。文獻[9]中對160位的ECC加密與1024的RSA加密同時進行解密處理，結果表明安全系數(shù)相差無幾，如表1所示為ECC與RSA的密鑰對比結果（安全性相當情況）

本文提出的密文檢索策略包含三部分：私有密鑰生成器（PKG）、可信云（TC）和用戶（User）。PKG是用于生成用戶的密鑰，User從TC租用其存儲用于存儲自身的數(shù)據(jù)。通過使用IBC旨在提供更安全的方法來確保用戶的數(shù)據(jù)安全性，以及降低管理的復雜性，并且基于橢圓曲線數(shù)字簽名算法（后續(xù)介紹）提供私鑰確保數(shù)據(jù)的完整性。該策略的核心是將IBC和ECC應用于TC，其中IBC的應用大大降低了密鑰管理的復雜性。對于云存儲，使用TC的有很多好處，如在CSP中可減少拒絕服務攻擊（DOS），如圖1所示為系統(tǒng)的總體架構。

算法描述如下：

4 總結

本文提出一個靈活、有效地用于解決云存儲的數(shù)據(jù)庫密文檢索問題，采用IBC使用提供密鑰管理和不需證書的優(yōu)勢，通過ECC確保數(shù)據(jù)安全以及云存儲之前的加密處理，并且保證了數(shù)據(jù)的完整性，未來的研究可能會考慮在使用等級等基于身份的密碼學（HIBC）來代替IBC技術。

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