基于云存儲的海上作戰(zhàn)數(shù)據(jù)安全研究?

陸光宇

1 引言

隨著科學技術(shù)的進步，各種類型的海上作戰(zhàn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆炸式增長，包括傳感器數(shù)據(jù)、移動設(shè)備數(shù)據(jù)和射頻數(shù)據(jù)等都在時刻產(chǎn)生，海軍作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)大數(shù)據(jù)處理需求越來越迫切。海軍作戰(zhàn)大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是在大數(shù)據(jù)時代背景下未來海軍發(fā)展的方向之一，其通過多種途徑全面獲取數(shù)據(jù)量巨大且種類繁多的數(shù)據(jù)信息，并運用大數(shù)據(jù)技術(shù)手段為海軍作戰(zhàn)指揮和決策提供強有力的支撐。

云計算［1］在快速發(fā)展的同時，其安全性問題也日益突出，尤其是云存儲數(shù)據(jù)的安全性和隱私性［2］，近年來，云計算的發(fā)起者谷歌、蘋果和亞馬遜等公司不斷爆發(fā)各種安全事故。云計算的安全性研究不能只從傳統(tǒng)安全角度出發(fā)，需要全方位的考慮。目前，仍需要設(shè)計相應的安全機制和體系結(jié)構(gòu)來保護數(shù)據(jù)的機密性、完整性和可用性［3］。如何保障海量海上作戰(zhàn)數(shù)據(jù)的安全是海軍作戰(zhàn)大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)面臨的難題，也是未來海軍裝備發(fā)展重點研究方向之一。

基于云存儲的數(shù)據(jù)安全已經(jīng)引起各界的廣泛關(guān)注，特別在數(shù)據(jù)加密存儲、密文訪問控制和數(shù)據(jù)完整性審計三個領(lǐng)域展開了重點研究，本文首先概述了云數(shù)據(jù)安全面臨的挑戰(zhàn)，提出了一種基于云存儲的海上作戰(zhàn)數(shù)據(jù)安全架構(gòu)，分析了保障其安全性的關(guān)鍵技術(shù)手段，包括數(shù)據(jù)加密存儲、密文訪問控制和數(shù)據(jù)完整性審計，之后對海上作戰(zhàn)云存儲數(shù)據(jù)安全未來研究領(lǐng)域進行了預測，最后是全文總結(jié)。

2 云存儲數(shù)據(jù)安全挑戰(zhàn)

在海上作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)的日常使用中，積累了海量的靜態(tài)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)日志和運維數(shù)據(jù)，其中既有結(jié)構(gòu)化的靜態(tài)數(shù)據(jù)，也有非結(jié)構(gòu)化的海戰(zhàn)場偵察圖片、視頻等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。與通用云存儲數(shù)據(jù)安全類似，基于云存儲的海上作戰(zhàn)數(shù)據(jù)安全面臨著諸多問題，存在著數(shù)據(jù)加密存儲、數(shù)據(jù)隔離、數(shù)據(jù)遷移和數(shù)據(jù)安全審計等挑戰(zhàn)［4］。

2.1 數(shù)據(jù)加密存儲

與傳統(tǒng)信息系統(tǒng)一樣，云存儲數(shù)據(jù)一般也采用加密的手段來保證數(shù)據(jù)的安全性，但實現(xiàn)起來更加困難。在不同云計算服務(wù)模式下其表現(xiàn)有較大差異，基于云存儲的海上作戰(zhàn)數(shù)據(jù)在IaaS模式下，授權(quán)給用戶的虛擬資源因為可以被用戶完全控制，數(shù)據(jù)加密相對容易進行，但在PaaS和SaaS模式下，數(shù)據(jù)加密相對困難，因為對于加密數(shù)據(jù)，在執(zhí)行檢索、計算等操作時將難以甚至無法進行。

2.2 數(shù)據(jù)隔離

多租戶技術(shù)是云計算體系中的關(guān)鍵技術(shù)，在具體實現(xiàn)時，多個用戶的數(shù)據(jù)會存放在同一個存儲介質(zhì)上，為了防止不同用戶對混合存儲數(shù)據(jù)的非授權(quán)訪問，系統(tǒng)需采用一些數(shù)據(jù)隔離技術(shù)，但是海上作戰(zhàn)數(shù)據(jù)可能存在非授權(quán)用戶的非法訪問。

2.3 數(shù)據(jù)遷移

當云服務(wù)器發(fā)生宕機時，為了確保其提供的服務(wù)正常運行，需要將其上的服務(wù)遷移到其他服務(wù)器上，遷移的實質(zhì)是數(shù)據(jù)的遷移，不僅包括內(nèi)存和寄存器中的動態(tài)數(shù)據(jù)，還包括存儲介質(zhì)上的靜態(tài)數(shù)據(jù)，為了使服務(wù)不中斷，海上作戰(zhàn)數(shù)據(jù)遷移必須快速完成，同時必須保證海上作戰(zhàn)數(shù)據(jù)的完整性。

2.4 數(shù)據(jù)安全審計

數(shù)據(jù)持有者需要確認數(shù)據(jù)已完整存儲到云中，同時非授權(quán)用戶不能對數(shù)據(jù)進行更新。數(shù)據(jù)持有者不可能將數(shù)據(jù)下載到本地之后再進行安全審計，這將導致大量的通信開銷。通過某種知識證明協(xié)議或概率分析手段，獲取少量海上作戰(zhàn)數(shù)據(jù)來判斷數(shù)據(jù)完整性和執(zhí)行安全審計是一種可行途徑。

3 基于云存儲的海上作戰(zhàn)數(shù)據(jù)安全

本節(jié)提出了一種基于云存儲的海上作戰(zhàn)數(shù)據(jù)安全架構(gòu)，分析了保障云存儲數(shù)據(jù)安全的關(guān)鍵技術(shù)，包括數(shù)據(jù)加密存儲、密文訪問控制和數(shù)據(jù)完整性審計。

3.1 基于云存儲的海上作戰(zhàn)數(shù)據(jù)安全架構(gòu)

基于云存儲的海上作戰(zhàn)數(shù)據(jù)安全架構(gòu)圖如圖1所示。從圖中可以看出，數(shù)據(jù)所有者包括數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)驗證、令牌生成、憑證生成組件，其中，數(shù)據(jù)處理組件負責云存儲中數(shù)據(jù)的加密存儲和密文訪問控制；數(shù)據(jù)驗證組件負責對云存儲中的數(shù)據(jù)完整性進行驗證；令牌生成組件負責生成數(shù)據(jù)訪問令牌；憑證生成組件負責為數(shù)據(jù)訪問者生成訪問憑證。

在數(shù)據(jù)訪問過程中，數(shù)據(jù)所有者將數(shù)據(jù)文件的令牌和憑證發(fā)送給數(shù)據(jù)訪問者，數(shù)據(jù)訪問者使用令牌從云存儲中獲取數(shù)據(jù)文件的密文，之后使用憑證對數(shù)據(jù)文件解密。

3.2 云存儲數(shù)據(jù)安全關(guān)鍵技術(shù)

云存儲數(shù)據(jù)安全防護的常規(guī)做法是預先對存儲到云存儲服務(wù)器中的數(shù)據(jù)進行加密處理，并在數(shù)據(jù)訪問時由數(shù)據(jù)使用者對數(shù)據(jù)進行解密。基于云存儲的海上作戰(zhàn)數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)加密存儲、密文訪問控制和數(shù)據(jù)完整性審計三個方面對云存儲數(shù)據(jù)進行安全防護。數(shù)據(jù)加密存儲技術(shù)包括代理重加密算法、屬性加密算法、同態(tài)加密技術(shù)和可搜索加密技術(shù)，同態(tài)加密技術(shù)是解決云數(shù)據(jù)安全悖論的最有效方法之一，也是海上云存儲作戰(zhàn)數(shù)據(jù)加密存儲的重要解決方案，可搜索加密技術(shù)實現(xiàn)對海上作戰(zhàn)數(shù)據(jù)密文數(shù)據(jù)的檢索；密文訪問控制技術(shù)用于管理海上作戰(zhàn)數(shù)據(jù)的授權(quán)訪問；數(shù)據(jù)完整性審計保障海上作戰(zhàn)數(shù)據(jù)的完整性和可用性。

1）數(shù)據(jù)加密存儲技術(shù)

代理重加密算法（proxy re-encryption，PRE）［5］常用于多用戶共享的云數(shù)據(jù)安全應用中，第三方代理可解密數(shù)據(jù)所有者加密的密文后發(fā)送給數(shù)據(jù)訪問者。條件代理重加密算法（conditionnal proxy re-encryption，CPRE）［6～7］是僅當重加密密鑰和指定密文條件同時滿足時，才能執(zhí)行解密操作。屬性加密算法（attribute-based encryption，ABE）［8～9］中公鑰密碼的密鑰與密文依賴于數(shù)據(jù)持有者自身的某些屬性，當且僅當密鑰屬性與密文屬性相匹配時，解密操作才能執(zhí)行。

基于云存儲的海上作戰(zhàn)數(shù)據(jù)安全架構(gòu)借鑒了代理重加密算法的思想，數(shù)據(jù)所有者使用對稱內(nèi)容加密密鑰來加密數(shù)據(jù)，再使用公鑰加密內(nèi)容加密密鑰，只有擁有私鑰的所有者才能解密內(nèi)容加密密鑰，第三方代理使用代理重加密密鑰將密文轉(zhuǎn)化為指定授權(quán)者能解密的密文，實現(xiàn)授權(quán)訪問。本文采用的數(shù)據(jù)加密算法步驟流程可以簡要分為以下四步：

（1）初始化：生成主密鑰MK和公開密鑰PK；

（2）生成用戶密鑰：SK=KG(MK，A)，使用主密鑰MK和用戶屬性集A生成用戶的私鑰SK；

（3）加密：密文CT=E(PK，M，T)，使用主密鑰MK和訪問結(jié)構(gòu)T對數(shù)據(jù)明文M執(zhí)行加密操作，得到密文CT；

（4）解密：M=D(CT，SK)，使用用戶密鑰SK對數(shù)據(jù)密文CT執(zhí)行解密操作得到明文M。

基于云存儲的海上作戰(zhàn)數(shù)據(jù)安全架構(gòu)流程圖如圖2所示。數(shù)據(jù)擁有者首先使用公鑰加密數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到云存儲服務(wù)器中，數(shù)據(jù)訪問者向數(shù)據(jù)擁有者獲取接收方公鑰，此后數(shù)據(jù)擁有者生成重加密密鑰并將其發(fā)送到云存儲服務(wù)器中，云存儲服務(wù)器使用密鑰重加密數(shù)據(jù)后將其發(fā)送至數(shù)據(jù)訪問者，數(shù)據(jù)訪問者最后使用私鑰解密數(shù)據(jù)，以完成數(shù)據(jù)訪問。

同態(tài)加密技術(shù)［10］可以實現(xiàn)對明文上執(zhí)行的代數(shù)運算結(jié)果等同于在密文上的另一個代數(shù)運算結(jié)果同態(tài)加密。同態(tài)加密起源于私密同態(tài)，其允許在不知道解密函數(shù)的情況下對加密數(shù)據(jù)進行計算。設(shè)E（K，M）表示用加密算法E和密鑰K對明文M進行加密，F(xiàn)表示一種運算。

如果對于加密算法E和運算F，存在算法G滿足式（1），則稱加密算法E對于運算F是同態(tài)的。如果式（1）中等式對于成立，則稱為加法同態(tài)加密算法；如果式（1）中等式對于，則稱為乘法同態(tài)加密算法。如果公式（1）中等式對于加法和乘法運算都成立，則稱為全同態(tài)加密算法；如果只對一種算法成立，則稱為部分同態(tài)加密算法。

基于云存儲的海上作戰(zhàn)數(shù)據(jù)安全架構(gòu)采用的加法同態(tài)加密算法如下：設(shè)p，q為大素數(shù)，n=pq，，假設(shè)g滿足：，要加密數(shù)據(jù)m＜n，選擇一個隨機數(shù)r＜n，則密文數(shù)據(jù)為 E(M )=gmrnmod n2。而由于

所以此算法具有加法同態(tài)性。

基于云存儲的海上作戰(zhàn)數(shù)據(jù)安全架構(gòu)采用的乘法同態(tài)加密算法如下：設(shè)p是一個大素數(shù)，g是Zp

*的一個生成元，任意選擇一個隨機數(shù)n∈Zp*作為私鑰，計算h=gnmod p作為公鑰，要加密數(shù)據(jù)m＜p，任意選擇一個隨機數(shù) r∈Zp*，計算：c1=grmod p，c2=mhrmod p ，m 的 密 文 為E(M )=(c1，c2)=(gr，mhr)。而由于

所以此算法具有乘法同態(tài)性。

同時滿足加法和乘法運算的全同態(tài)加密算法設(shè)計較為困難，但是一種可行的加密方案思路可以分為以下三個關(guān)鍵步驟，第一步是構(gòu)建一個支持密文低階多項式運算的受限同態(tài)加密算法；第二步是將解密操作分割為可以表示成低階多項式運算的子操作；第三步是利用“引導程序”將受限同態(tài)加密算法轉(zhuǎn)變成全同態(tài)加密算法。

可搜索加密技術(shù)支持對密文數(shù)據(jù)的查詢與檢索，用于保障數(shù)據(jù)可用性。主要可分為對稱可搜索加密技術(shù)（symmetric searchable encryption，SSE）和非對稱可搜索加密技術(shù)（asymmetric searchable encryption，ASE）?；谠拼鎯Φ暮Ｉ献鲬?zhàn)數(shù)據(jù)安全架構(gòu)采用對稱可搜索加密技術(shù)，其流程為數(shù)據(jù)所有者使用標準對稱加密算法對數(shù)據(jù)文件進行加密處理后存儲于云服務(wù)器中，只有擁有對稱密鑰的數(shù)據(jù)訪問者才能解密訪問，同時，數(shù)據(jù)所有者使用特定可搜索加密算法構(gòu)建安全加密索引，在數(shù)據(jù)和檢索關(guān)鍵詞之間建立索引連接，以便后續(xù)關(guān)鍵詞索引。

基于云存儲的海上作戰(zhàn)數(shù)據(jù)安全架構(gòu)采用的可搜索加密技術(shù)密文搜索流程圖如圖3所示。數(shù)據(jù)擁有者首先使用非對稱可搜索加密技術(shù)加密海上作戰(zhàn)數(shù)據(jù)并將密文和可搜索索引上傳至海上作戰(zhàn)云存儲服務(wù)器中，數(shù)據(jù)訪問者生成檢索關(guān)鍵詞陷門，當其向云存儲服務(wù)器提出檢索請求時，云存儲服務(wù)器返回檢索結(jié)果，最后數(shù)據(jù)訪問者使用解密密鑰解密檢索到的加密數(shù)據(jù)。

2）密文訪問控制

數(shù)據(jù)訪問者通過訪問控制模型得到一定的訪問權(quán)限，基于云存儲的海上作戰(zhàn)數(shù)據(jù)安全架構(gòu)采用的訪問控制模型以傳統(tǒng)訪問控制模型為基礎(chǔ)改進而來，是云存儲安全數(shù)據(jù)隔離問題的解決方案之一。傳統(tǒng)訪問控制流程包括授權(quán)、認證、訪問和審計四個基本環(huán)節(jié)，其中，授權(quán)用于規(guī)定數(shù)據(jù)訪問者的訪問密級；認證用于驗證數(shù)據(jù)訪問者是否具有訪問權(quán)限；訪問用于授權(quán)數(shù)據(jù)使用者實際的訪問權(quán)限訪問數(shù)據(jù)文件；審計用于記錄數(shù)據(jù)訪問操作。云存儲中采用基于屬性加密及其擴展算法的動態(tài)策略訪問控制模型，以適應云存儲平臺的可擴展性、靈活性與高效性。

3）數(shù)據(jù)完整性審計

云存儲的海上作戰(zhàn)數(shù)據(jù)訪問者在使用云存儲數(shù)據(jù)之前，需對海上作戰(zhàn)數(shù)據(jù)完整性進行驗證?；谠拼鎯Φ暮Ｉ献鲬?zhàn)數(shù)據(jù)安全架構(gòu)采用可回收證明來進行數(shù)據(jù)完整性驗證，是云存儲安全數(shù)據(jù)遷移和數(shù)據(jù)安全審計的解決方案之一?？苫厥兆C明（proofs of retrievability，POR）模型通過抽樣和糾錯碼技術(shù)來驗證數(shù)據(jù)完整性，數(shù)據(jù)訪問者不需要下載全部數(shù)據(jù)就可以驗證數(shù)據(jù)是否為完整的和可取回的。其驗證過程是將文件拆分成多個數(shù)據(jù)塊，對每個數(shù)據(jù)塊糾錯編碼后計算由密鑰產(chǎn)生的消息認證碼，在校驗時，數(shù)據(jù)訪問者隨即產(chǎn)生多個需要檢驗的數(shù)據(jù)塊信息，以驗證整個數(shù)據(jù)的完整性。該方案采用對稱加密技術(shù)，不支持第三方的公開審計。

4 結(jié)語

目前基于云存儲的海上作戰(zhàn)數(shù)據(jù)安全仍然面臨眾多問題，從未來研究的發(fā)展趨勢看，可以有以下幾點：

1）海量作戰(zhàn)數(shù)據(jù)的安全存儲。未來海上作戰(zhàn)云存儲數(shù)據(jù)中心應支持海量作戰(zhàn)數(shù)據(jù)的高效安全存儲，而對于海量作戰(zhàn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)加密存儲的效率太低，難以滿足高性能存儲需求。

2）同態(tài)加密技術(shù)。同態(tài)加密技術(shù)是解決云存儲數(shù)據(jù)安全悖論的最有效方法之一，但是，目前該技術(shù)采用的加密方法和公鑰加密都需要大量復雜的指數(shù)運算，大大降低了數(shù)據(jù)處理效率。該技術(shù)的數(shù)據(jù)處理速度和效率在未來都亟待提高。

3）公開審計時數(shù)據(jù)安全性保證。云存儲中數(shù)據(jù)在公開審計時，需要提供數(shù)據(jù)部分信息，這可能威脅到數(shù)據(jù)本身的安全性。同時，云存儲中數(shù)據(jù)在動態(tài)更新時，將大大增加數(shù)據(jù)公開審計的難度。

在大數(shù)據(jù)時代背景下，海軍作戰(zhàn)指揮決策系統(tǒng)必須具備高效處理種類繁多且數(shù)據(jù)量巨大作戰(zhàn)數(shù)據(jù)的能力，云計算是實現(xiàn)大數(shù)據(jù)處理和分析的可靠技術(shù)手段之一，而其云存儲數(shù)據(jù)安全問題也日益突出。如何保障云存儲中海上作戰(zhàn)數(shù)據(jù)的安全性是目前海軍作戰(zhàn)大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)面臨的難題。本文首先概述了云存儲數(shù)據(jù)安全面臨的挑戰(zhàn)，即數(shù)據(jù)加密存儲、數(shù)據(jù)隔離、數(shù)據(jù)遷移和數(shù)據(jù)安全審計。在云存儲數(shù)據(jù)安全的相關(guān)研究基礎(chǔ)上，提出了一種基于云存儲的海上作戰(zhàn)數(shù)據(jù)安全架構(gòu)，并分析了保障其云存儲數(shù)據(jù)安全的關(guān)鍵技術(shù)，包括數(shù)據(jù)加密存儲、密文訪問控制和數(shù)據(jù)完整性審計。最后預測了未來研究的發(fā)展趨勢。

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