基于HTML5、AJAX的文件分割上傳與加密存儲研究

（閩北職業(yè)技術(shù)學院 信息與工程系，福建 南平 353000）

隨著網(wǎng)絡存儲應用越來越廣泛[1]，傳統(tǒng)的文件上傳模式，遇到大文件上傳時，容易造成服務器負載過大，同時，將文件以明文的方式存儲在服務器，或簡單的進行加密處理，一旦服務器遭遇黑客攻擊，文件被非法竊取導致文件信息泄漏，其后果嚴重。因此，對如何有效減輕文件上傳過程中服務器的負載，提高文件存儲安全性的研究具有一定的先進性和實際應用價值。文獻[2]中提出了一種文件分割上傳的思路，文件分割塊大小固定，針對服務器負載與分割上傳耗時的沖突解決不夠靈活，沒有對文件分割上傳的實現(xiàn)及文件類型驗證進行說明。本文提出了一種基于HTML5、AJAX的文件分割上傳方法，該方法使用HTML5中的File對象對文件進行分割，文件分割尺寸根據(jù)文件大小在區(qū)間范圍內(nèi)動態(tài)設置，降低服務器負載的同時，優(yōu)化了分割上傳的時間消耗，使用FormData對象進行文件異步上傳，提升上傳過程用戶體驗，在服務器端讀取文件頭信息對比驗證文件類型，防止惡意上傳。文獻[3]中提出了文件加密分割、離散云存儲，其核心是將文件加密分割后分散存儲在多個云服務端，在客戶端軟件中實現(xiàn)文件塊獲取、解密、重組。該方案要求用戶同時擁有多個云服務，且要求云服務開放文件讀取接口，普及難度較大。文獻[4]中提出了二次分割的新型文件分割技術(shù)，將分割后的文件塊再次分割成數(shù)量相同的N個子塊，根據(jù)相同編號拼接成最終的N個文件塊，雖然打亂了文件順序，但在加密環(huán)節(jié)不夠深入，二次分割規(guī)則一旦被破解，文件安全難以保障。結(jié)合文獻[3-4]中的優(yōu)點，并充分考慮實際應用中的可行性與易用性，在本文的文件分割上傳基礎上，針對文件存儲安全提出了一種將文件加密、分割、分散存儲的方法。該方法使用AES算法結(jié)合動態(tài)密鑰對文件進行加密、分割、分散存儲，使用RSA算法加密密鑰，由用戶保存私鑰，在下載時解密、合并文件，以二進制流分塊輸出的方法，并結(jié)合AES算法CPU加速和內(nèi)存安全防護，進行性能提升與安全防護。

1 文件分割上傳

1.1 文件分割

File對象，繼承了Blob對象的屬性和方法，可以將上傳的文件通過slice方法進行本地分割，還擴展了一些新的屬性[5]。File對象的主要屬性及方法，見表1。

表1 File對象主要屬性及方法

文件大?。╢ileSize）可通過File對象的size屬性獲得。分割塊大小（cutSize）的設置需要綜合考慮分塊數(shù)量、服務器網(wǎng)速、服務器配置、并發(fā)用戶預估峰值、客戶端網(wǎng)速等因素。分割塊越小，則塊數(shù)越多，會增加上傳處理時間，分割塊太大，會影響分割上傳的效果。為了平衡分割塊大小與分割塊數(shù)，增強文件分割的時效性、穩(wěn)定性，提出了分割塊大小的區(qū)間范圍優(yōu)先于預設塊數(shù)的原則，對文件的分割塊大小進行區(qū)間范圍內(nèi)的動態(tài)設置。cutSize取值的相關(guān)參數(shù)，見表2。

表2 cutSize取值的相關(guān)參數(shù)

根據(jù)分割塊大小區(qū)間優(yōu)先于預設塊數(shù)的原則，cutSize的取值為：

分割塊數(shù)（blockCount）與文件大小、分割塊大小之間的關(guān)系為：

以表2的參考值為例，隨著上傳文件大小的變化，分割塊大小、分割塊數(shù)的變動走勢，如圖1所示。

圖1 分割塊大小、分割塊數(shù)走勢圖

分割塊索引（blockIndex）、 分割塊的起始位置（start）、分割塊的終止位置（end），則每一個分割塊的分割起止位置值為：

1.2 異步上傳文件

XMLHttpRequest Level 2新增FormData接口。可以利用FormData對象組裝一組用 XMLHttpRequest發(fā)送請求的鍵/值對，還可以使用FormData對象異步上傳文件[6]。Jquery中的ajax方法封裝了異步的實現(xiàn)，上傳文件時，需要將processData屬性、contentType屬性的值設置為false，否則會造成文件上傳失敗。

HTTP使用的是無連接協(xié)議，為了服務器能夠識別出上傳的文件、分割塊順序、是否上傳完畢，要求異步提交的數(shù)據(jù)中包含文件唯一標識、分割塊索引、分割塊數(shù)。上傳的文件最終經(jīng)過加密后分散存儲，為了安全，未加密的原文件在加密操作后執(zhí)行刪除，并使用數(shù)據(jù)庫存儲文件的分散路徑。文件的唯一標識由服務器端生成，為了提高效率，可在服務器端處理第一個分割塊時生成，并在回調(diào)結(jié)果中返回，供后繼的分割塊使用。文件分割上傳過程，如圖2所示。

圖2 文件分割上傳流程圖

為了避免非法文件類型上傳到服務器，需要對上傳的文件類型進行驗證。JS中File對象的type屬性雖然可以獲得文件的MIME類型，但基于JS的文件類型判斷不可靠。由于使用文件分割、異步上傳，在服務器端通過ContentType屬性獲取文件塊的文件類型，得到的結(jié)果都是application/octetstream，無法區(qū)分不同的文件類型。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，文件的第一個分割塊中包含了文件頭信息，因此，可以使用文件頭比對的方法來識別文件的類型。

客戶端自定義方法PostFile(file,blockIndex)對文件分割上傳進行操作，遍歷上傳每一個分割塊，需要遞歸調(diào)用PostFile方法，為了進一步提高遞歸調(diào)用性能，采用了尾遞歸實現(xiàn)[7]。在ASP.NET中，服務器端可以使用一般處理程序進行實現(xiàn)，服務器端需要驗證用戶身份，避免非法用戶惡意上傳。

1.3 分割上傳實驗分析

將本文的文件分割上傳方法與普通的文件上傳方法進行實驗對比，通過服務器性能分析器對文件上傳過程中的主要參數(shù)進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)文件分割上傳能夠有效降低服務器內(nèi)存負載，特別是在大文件上傳時，效果更加明顯。在2G的內(nèi)存環(huán)境下，上傳510M的文件，對內(nèi)存對象的Pages/sec、Available MBytes進行實驗對比，如圖3所示。

圖3 分割上傳與普通上傳對比(Pages/sec)

對實驗結(jié)果進行分析，分割上傳時，Pages/sec的平均值4.099、峰值203.993，可用內(nèi)存穩(wěn)定，上傳所發(fā)費的時間較多。普通上傳時，Pages/sec的平均值284.135、峰值10607,867，峰值出現(xiàn)在文件上傳結(jié)束時，峰值持續(xù)時間較長，可用內(nèi)存快速下降，之后快速回升，上傳所發(fā)費的時間較少。文件分割上傳所發(fā)費的時間較多，可通過調(diào)整表2中的分塊最小值、分塊最大值、預設塊數(shù)，來實現(xiàn)性能和時間上的一個平衡。實驗表明，本文所提出的文件分割上傳方案能夠有效降低服務器負載、性能穩(wěn)定、設置靈活。

2 文件加密存儲方案研究

在本文的文件分割上傳基礎上，對文件加密存儲進行研究。主要包括加密方案的設計、算法的選擇、性能的分析與安全防護。

2.1 文件加密存儲改進

在文獻[3-4]的基礎上，提出改進的文件加密存儲方案，改進后的文件加密存儲及解密下載過程，如圖4～5所示。

圖4 文件加密存儲流程圖

圖5 文件解密下載流程圖

RSA算法在公開密鑰加密和電子商業(yè)中應用普及。AES算法適合用于大數(shù)據(jù)加密，加密、解密速度快[8]，AES的詳細說明請參見FIPS 197[9]，已被全世界廣泛使用。針對RSA算法不適合大數(shù)據(jù)加密、AES算法密鑰管理不安全的問題，可以有機融合兩種算法進行取長補短[10-11]。因此，文件數(shù)據(jù)量較大，對加密速度有要求，使用AES算法加密，加密的密鑰使用RSA算法加密，方便密鑰管理。

文件的加密分割、分散存儲、解密合并，使用自定義類Crypto進行封裝實現(xiàn)。類Crypto的主要成員，如表3所示。

表3 類Crypto的主要成員

改進后的加密存儲方案，主要優(yōu)點表現(xiàn)如下：

（1）文件分割上傳：降低上傳過程服務器端負載，對瀏覽器的支持也更好。

（2）文件分散存儲：隨機分散存儲文件，提高非法獲取完整文件的難度?？梢栽谕慌_服務器分散存儲，也可以在多個存儲設備分散存儲，可根據(jù)項目需求靈活設置。

（3）隨機生成文件加密密鑰：每一個文件的加密密鑰都不一樣，所有文件需要單獨破解，較使用同一密鑰加密，破解難度大大提升。

（4）密鑰加密存儲：提升了加密密鑰的存儲安全。

（5）公鑰隔離存儲：公鑰單獨存儲，更安全。

（6）私鑰的一部分由用戶保存：私鑰是解密文件的最后一環(huán)，一部分由用戶保存，提高了私鑰存儲安全性的同時，也降低了私鑰存儲對用戶的依賴性。

（7）二進制文件流分塊輸出：降低服務器負載。

改進后的文件加密存儲方案，增加了少量的時間開銷與成本投入，為了進一步增強私鑰存儲的安全性，對私鑰進行分散管理[12]，讓系統(tǒng)用戶只保存私鑰的一部分，較大程度的提高了文件存儲的安全性。

2.2 性能分析與提升

方案中RSA算法用于對密鑰進行加密，雖然速度較慢，但密鑰數(shù)據(jù)量不多。AES算法用于對文件數(shù)據(jù)進行加密，其性能是關(guān)鍵。針對AES算法的三種密鑰長度，進行文件加密速度測試，如圖6所示。使用256位的密鑰相比128位密鑰，其耗時增加40%左右，加密100 MB的文件，時間只相差0.6秒。其耗時增加可以接受，為了提升安全性，方案中的AES算法密鑰使用256位。

2010年，Intel發(fā)布了支持AES加速的CPU。對于非并行模式的 AES操作，如CBC加密，AES_NI可以獲得2到3倍的性能，對于并行模式的AES操作，如CBC解密、CTR，AES_NI可以獲得10X的性能[13]。方案中的服務器使用支持AES加速的CPU。

圖6 文件加密時間對比

2.3 算法攻擊與防護

針對RSA算法的攻擊方法，主要是基于大數(shù)因數(shù)分解，已公開破譯的密鑰長度是768位。采用消除密鑰中模n的分布方法，可以成功避免公鑰和私鑰中出現(xiàn)n,防止攻擊者通過因子分解法分解出公鑰中n的因子,推導出解密密鑰，采用三因子的加密算法，加大了分解的困難性[14]。將傳統(tǒng)RSA改進為四素數(shù)RSA的基礎上，再運用數(shù)學變換進行參數(shù)替換，消除了在公鑰中對傳輸兩個隨機素數(shù)的乘積n的需要，引入了一個新的參數(shù)x代替原參數(shù)n[15]。為了提升密鑰被破譯的難度，方案中的RSA算法使用2048位密鑰。

針對AES算法的攻擊手段主要包括：線性及差分分析、相關(guān)性分析、代數(shù)分析、立方體分析和旁路攻擊，旁路攻擊包括：電磁輻射分析、時序分析、差分故障分析、功耗分析。上海交大郁昱教授、以色列特拉維夫大學的Daniel Genkin等研究人員使用旁路攻擊成功破解了AES加密。實際應用中，服務器環(huán)境的配置很重要，如：防止內(nèi)存頁被交換至硬盤、限制硬件對內(nèi)存的訪問權(quán)限等，才能更好的保障文件存儲的安全。AES算法只有在極特殊的環(huán)境下才能被破解，AES256在當前的計算機體系結(jié)構(gòu)下，還沒有實質(zhì)性的破解威脅。

3 結(jié)束語

異步文件分割上傳，降低了服務器負載，通過對分割塊大小使用區(qū)間范圍內(nèi)的動態(tài)設置，兼顧了分割上傳的時效性與穩(wěn)定性。使用AES算法結(jié)合動態(tài)密鑰加密文件并分割、分散存儲，并配套支持AES加速的CPU，提升了加密、解密過程的性能。對加密密鑰再次使用RSA算法加密，私鑰的一部分由系統(tǒng)用戶保存，保障了密鑰存儲的安全性。本文所提出的基于HTML5、AJAX的文件分割上傳、加密存儲方案，貫穿了文件的上傳、加密、解密、下載全過程，經(jīng)實際應用與測試，性能穩(wěn)定并能有效的降低服務器負載、提升文件存儲的安全性。