云存儲中的代理重加密技術(shù)研究

楊 珂

(西南民族大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610041)

云存儲是在云計算概念發(fā)展的基礎(chǔ)上衍生出來的一種在線存儲服務(wù). 云存儲因其彈性容量、按需付費(fèi)、易于使用和管理等特點(diǎn)得到了廣泛的支持與應(yīng)用，另一方面，云存儲在數(shù)據(jù)安全性方面還存在很多問題有待解決[1－2].2010 年中國云計算調(diào)查報告顯示，數(shù)據(jù)安全性與隱私仍然是廣受各類企業(yè)和用戶關(guān)注的問題，有6 成受訪者表示“十分擔(dān)心”數(shù)據(jù)安全與隱私[3].在云存儲的服務(wù)模式中，用戶的敏感數(shù)據(jù)存儲在不可信的第三方存儲環(huán)境中，在允許已授權(quán)用戶對云端數(shù)據(jù)的共享訪問的同時如何使云端數(shù)據(jù)的機(jī)密性受到有效保障是云存儲中安全問題的重要研究焦點(diǎn).

一方面，云環(huán)境中的用戶不能完全信任云存儲服務(wù)提供商(Cloud Storage Provider，CSP)，不愿對包括CSP 在內(nèi)的任意未授權(quán)用戶暴露自己的私密數(shù)據(jù).通常的做法是，用戶首先采用某種加密算法對自己的私密數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，然后再將加密后的密文上傳至云端存儲.這樣，CSP 或其他未授權(quán)用戶即使得到了加密數(shù)據(jù)也無法對密文解密以獲取明文數(shù)據(jù)，從而有效保證了用戶隱私數(shù)據(jù)的機(jī)密性.

另一方面，云存儲中也普遍涉及到多個用戶間需要共享特定數(shù)據(jù)的場景.由于在云端存儲的是數(shù)據(jù)密文，因此數(shù)據(jù)在多用戶間的共享必然涉及到數(shù)據(jù)解密的操作.由于CSP 處于半可信(Semi －Trust)狀態(tài)，因此不可能將解密操作交給云服務(wù)器完成.為保證數(shù)據(jù)的機(jī)密性，可行的方案是由數(shù)據(jù)擁有者(Data Owner，DO)用事先與對方協(xié)商好的密鑰(對稱加密)或?qū)Ψ降墓€(非對稱加密)對共享數(shù)據(jù)重新加密后再重新上傳至云端，并由共享用戶下載后解密. 但這樣的方案加重了數(shù)據(jù)擁有者的計算負(fù)擔(dān)和帶寬壓力，同時在數(shù)據(jù)大量共享的時候，也加大了數(shù)據(jù)擁有者的密鑰管理難度.

針對分布式數(shù)據(jù)存儲的代理重加密(Proxy Re －Encryption，PRE)技術(shù)能夠在保證數(shù)據(jù)機(jī)密性的同時，使云端數(shù)據(jù)能夠在多個合法用戶之間提供安全共享.

1 代理重加密

代理重加密是1998 年由Blaze 等[4]在歐洲密碼學(xué)年會上提出的密文間的一種密文轉(zhuǎn)換機(jī)制，它允許一個半可信的第三方(Proxy)把使用用戶A 的公鑰加密得到的密文轉(zhuǎn)換得到使用用戶B 的公鑰加密的密文.為了實現(xiàn)密文的轉(zhuǎn)換，用戶A 只需要用自己的私鑰(例如使用自己的個人信息)結(jié)合用戶B 的公鑰采用一定的算法計算一個重加密秘鑰并提供給Proxy，Proxy 就可以完成相當(dāng)于解密用戶A 的密文并用用戶B 的公鑰加密的操作，并且在整個過程中，Proxy 不能獲取和推導(dǎo)出有關(guān)用戶數(shù)據(jù)或私鑰的任何信息.

因為能夠把密文轉(zhuǎn)換的復(fù)雜計算任務(wù)轉(zhuǎn)移給半可信的代理執(zhí)行，在保證私密數(shù)據(jù)機(jī)密性的前提下有效緩解客戶端的性能瓶頸，代理重加密機(jī)制已經(jīng)廣泛應(yīng)用在加密電子郵件轉(zhuǎn)發(fā)、分布式文件系統(tǒng)等安全管理領(lǐng)域中，最近由于云存儲的安全問題更是引起了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注.

2 云存儲中的代理重加密應(yīng)用

云存儲因其自身的架構(gòu)特點(diǎn)，安全已是核心問題，因此各種加密算法和框架成為了云存儲研究中的熱點(diǎn).近年來，由于能夠在保障數(shù)據(jù)安全的前提下有效降低數(shù)據(jù)擁有者的計算強(qiáng)度和密鑰管理難度，代理重加密框架在云存儲中得到了越來越廣泛的應(yīng)用.

2.1 安全假定

在云存儲環(huán)境中，對云服務(wù)器有不同的考慮. 對于云服務(wù)器，用戶不能給予完全的信任，一般說來，普遍假定云服務(wù)器是一個半信任模型(Honest but Curi-ous)，即云服務(wù)器會忠實地執(zhí)行協(xié)議的過程，同時，云服務(wù)器又會根據(jù)存儲的加密數(shù)據(jù)以及用戶的請求盡力獲取文件數(shù)據(jù)和請求間的關(guān)聯(lián)關(guān)系.這也是研究云存儲模型的基本安全環(huán)境假設(shè).因此，一方面，應(yīng)該充分利用云服務(wù)器的Honest 特性為云用戶客戶端有效緩解壓力，另一方面，出于對云服務(wù)器Curious 特性的考慮，必須保證云服務(wù)器不能獲取任何數(shù)據(jù)內(nèi)容.

2.2 基本應(yīng)用模型

由于云服務(wù)器所具有的半可信特點(diǎn)，用戶不能直接將數(shù)據(jù)明文上傳至云服務(wù)器存儲，必須首先在本地經(jīng)過加密后，再把數(shù)據(jù)密文上傳至云服務(wù)器. 在需要授權(quán)其他用戶訪問權(quán)限時，必須通過其它安全信道傳輸密鑰，以使得被授權(quán)用戶可以訪問數(shù)據(jù). 一個典型的密文訪問控制系統(tǒng)如圖1 所示.

但在這樣的典型模型中，對授權(quán)用戶的安全數(shù)據(jù)共享僅僅是通過數(shù)據(jù)擁有者(Data Owner，DO)對密鑰的分發(fā)控制來實現(xiàn)的.當(dāng)共享數(shù)據(jù)和共享用戶不斷增多時，數(shù)據(jù)擁有者生成、管理和維護(hù)秘鑰的工作量不斷增大，最終成為整個系統(tǒng)的瓶頸.

引入代理重加密技術(shù)后，密鑰重新生成的一部分工作可以轉(zhuǎn)移到云服務(wù)器執(zhí)行，進(jìn)而有效地緩解了數(shù)據(jù)擁有者客戶端的性能壓力.用戶A 首先用自己的公鑰Papub把要上傳的文件F 加密得到數(shù)據(jù)密文Ca，然后上傳至云服務(wù)器存儲，這樣，密文C 只能用Papriv才能解密，因此云存儲服務(wù)提供商不能得到明文數(shù)據(jù).當(dāng)用戶A 需要向用戶B 共享數(shù)據(jù)時，他可以使用自己的私鑰Papriv并結(jié)合用戶B 的公鑰Pbpub計算得到重加密密鑰Rk，并將重加密密鑰Rk上傳至云端.云服務(wù)器在得到重加密密鑰Rk后，利用Rk對原來的數(shù)據(jù)密文Ca進(jìn)行代理重加密得到數(shù)據(jù)密文Cb. 用戶B 從云端下載數(shù)據(jù)密文Cb，用自己的私鑰Kbpriv即可解密恢復(fù)為共享文件F，進(jìn)而實現(xiàn)了云存儲中多用戶間的數(shù)據(jù)共享.

圖1 云存儲的密文訪問控制模型Fig.1 Cryptograpic access control model in cloud storage

在上述過程中，用戶數(shù)據(jù)以加密后的密文的形式上傳到云端存儲，有效保證了云端數(shù)據(jù)的機(jī)密性. 同時，借助于代理重加密技術(shù)，又把對數(shù)據(jù)的重加密工作部分地轉(zhuǎn)移到了云服務(wù)器，進(jìn)而大大降低了數(shù)據(jù)擁有者的數(shù)據(jù)加密工作量.

由于非對稱加密算法的效率較低，因此在云存儲環(huán)境中一般才用對稱加密算法加密數(shù)據(jù)文件，用非對稱加密算法加密對稱密鑰，最后再把數(shù)據(jù)密文和密鑰密文一起上傳至云端存儲.數(shù)據(jù)擁有者只對合法授權(quán)用戶提供密鑰密文的解密能力，進(jìn)而在實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的同時保證了用戶數(shù)據(jù)的私密性.

2.3 應(yīng)用模型擴(kuò)展

PRE 代理重加密技術(shù)可以直接運(yùn)用在云存儲環(huán)境中，用以調(diào)整現(xiàn)有加密框架的資源調(diào)配并適應(yīng)更合理的用戶信任模型；而且，它還可以與其他技術(shù)進(jìn)一步組合或擴(kuò)展，以產(chǎn)生更有靶向的精確安全控制. CP－ABE 和CL－PKC 正是組合擴(kuò)展方面的兩個典型應(yīng)用.

2.3.1 基于CP－ABE 的擴(kuò)展

由于云服務(wù)器是一個半可信模型，用戶必須首先對自己的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，之后上傳至云端，然后再通過對密鑰的分發(fā)管理控制其他用戶對數(shù)據(jù)的訪問權(quán)限.引入代理重加密后，數(shù)據(jù)擁有者可以針對特定用戶對密鑰密文生成重加密密鑰并交由云服務(wù)器進(jìn)行代理重加密以達(dá)到數(shù)據(jù)安全共享的目的. 然而，在一個實際的共享云存儲系統(tǒng)中，大量用戶的相關(guān)信息需要相互共享.如果讓每一個數(shù)據(jù)擁有者針對共享文件的每一個共享用戶都單獨(dú)生成一個重加密密鑰，這樣的計算代價顯然是難以承受的.為了有效降低密鑰生成、管理和維護(hù)的難度，必須引入更加靈活的加密方案，以便為數(shù)據(jù)的隱私保護(hù)提供更為有效的細(xì)粒度訪問控制.

基于屬性的密碼體制對傳統(tǒng)的基于身份密碼體制中關(guān)于身份的概念進(jìn)行了擴(kuò)展，將身份標(biāo)志為若干屬性的集合.Sahai 與Waters 首次提出基于模糊身份加密，將生物學(xué)特性應(yīng)用于基于身份的加密方案中.2006 年，Goyal 等人在基于模糊身份加密方案的基礎(chǔ)上提出了基于屬性的加密方案(Attribute －Based En-cryption，ABE).2007 年，Bethencourt 等人[8]提出了密文策略的基于屬性的加密方案(Ciphertext － policy ABE，CP－ABE).CP －ABE 提供了一種很好的描述密文和授權(quán)用戶之間對應(yīng)關(guān)系的模型，在引入CP －ABE 的系統(tǒng)中，每個用戶都與一組特定的屬性集合關(guān)聯(lián)，數(shù)據(jù)擁有者可以為密文指定基于屬性的訪問控制結(jié)構(gòu)，使得只有具有特定屬性集合的用戶才能訪問對應(yīng)的數(shù)據(jù).

2009 年，Liang 等人把基于屬性的加密方案與代理重加密技術(shù)相結(jié)合，提出了基于屬性的代理重加密方案(Attribute － Based Proxy Re － Encryption，AB-PRE)[9].該方案使用屬性來控制用戶對數(shù)據(jù)的訪問權(quán)限，如果用戶的屬性沒有出現(xiàn)在訪問結(jié)構(gòu)中而是出現(xiàn)在系統(tǒng)屬性集中，密文數(shù)據(jù)就可以通過代理重加密算法予以重新加密，進(jìn)而使得對應(yīng)用戶可以解密以獲取明文.Luo 等人[10]在2010 年提出了密文策略的基于屬性的代理重加密，對AB －PRE 進(jìn)行了進(jìn)一步的擴(kuò)展和豐富，允許屬性可以有多個贊成值.同時，該方案中引入了重加密控制的概念，使得數(shù)據(jù)擁有者可以決定密文數(shù)據(jù)是否允許被重加密. 此外，該方案中的訪問策略蘊(yùn)含于密文數(shù)據(jù)中，并且支持AND 門限、多值屬性、否定屬性和通配符.考慮到CP－ABE 應(yīng)用于實際環(huán)境中存在的一些問題，Yu 等人[11]把CP－ABE和PRE 結(jié)合在一起，減小了因權(quán)限撤銷引起用戶屬性修改的性能負(fù)擔(dān)，因此能夠隨時方便地根據(jù)權(quán)限的變化對用戶屬性進(jìn)行調(diào)整.

為了實現(xiàn)更加靈活的訪問控制，Wang 等人把基于層次身份加密(Hierarchical Identity－Based Encryp-tion，HIBE)和基于屬性加密(CP －ABE)相結(jié)合，提出了基于層次屬性的加密(Hierarchical Attribute －Based Encryption，HABE)模型[12].HABE 模型融合了HIBE 中基于層次結(jié)構(gòu)的密鑰生成方式的優(yōu)點(diǎn)和CP－ABE 中靈活的訪問控制的特點(diǎn)，同時支持基于屬性和基于身份的加密，從而有效降低了加密/解密開銷.并且通過結(jié)合代理重加密技術(shù)和懶惰重加密技術(shù)，不但有效降低了用戶端的計算壓力，而且緩解了云服務(wù)器的重加密開銷，提供了一種適用于云計算環(huán)境的更加細(xì)粒度的數(shù)據(jù)安全訪問控制方案.

文獻(xiàn)設(shè)計了CP－ABE 的變種算法HCCP－ABE，結(jié)合密鑰分割技術(shù)和代理重加密技術(shù)，在保證用戶數(shù)據(jù)安全的前提下，將對稱密鑰的重加密以及新私鑰組件的生成與分發(fā)任務(wù)移到云端執(zhí)行，降低了數(shù)據(jù)擁有者的計算代價[13].

2.3.2 基于CL－PKC 的擴(kuò)展

對于很多基于公有云的大型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)，例如社會性網(wǎng)絡(luò)服務(wù)(Social Network Service，SNS)，由于涉及到的用戶數(shù)量眾多，用戶間關(guān)系復(fù)雜，還有海量涉及到個人隱私的數(shù)據(jù)需要根據(jù)用戶的實際需求實現(xiàn)共享，傳統(tǒng)的公鑰基礎(chǔ)設(shè)施管理機(jī)制因為缺乏靈活性和擴(kuò)展性而難以勝任. Xu 等人把基于無證書公鑰密碼體制(Certificateless Public Key Cryptography，CL－PKC)的認(rèn)證引入到代理重加密技術(shù)中，提出了針對公有云環(huán)境中實現(xiàn)數(shù)據(jù)安全共享的有效解決方案CL－PRE(Certificateless Proxy Re－Encryption)[14].

在CL－PRE 中，云不僅用來存儲數(shù)據(jù)，也為在多個用戶間共享數(shù)據(jù)行使安全分發(fā)密鑰的職責(zé). CL －PRE 使用數(shù)據(jù)用戶的身份信息作為用戶公鑰的構(gòu)成要素，消除了傳統(tǒng)PKI 繁雜的證書管理和ID － PKC密鑰托管的問題.用戶只需要在生成自己的私鑰時訪問PKG 一次，生成公鑰時已無需再與PKG 進(jìn)行交互，即使用戶今后需要更新自己的公私鑰對，也不必再與PKG 進(jìn)行通信，從而大大降低了PKG 的負(fù)擔(dān)，提高了運(yùn)行效率.用戶可以自行管理自己的公鑰，例如SNS用戶可以把公鑰發(fā)布在自己的主頁上以方便其他用戶獲?。黄渌脩舻玫搅嗽撚脩舻墓€后就可以產(chǎn)生重加密密鑰并發(fā)布到云端由云服務(wù)器進(jìn)行代理重加密，這樣就方便而安全地實現(xiàn)了用戶間的數(shù)據(jù)共享.

考慮到CL －PRE 可能應(yīng)用于公有云環(huán)境，為了增強(qiáng)云存儲服務(wù)的安全性、健壯性并獲得更好的性能，文獻(xiàn)[7]中還提出了多重代理(Multi－Proxy)和隨機(jī)會話重加密密鑰(Randomized CL－PRE)的兩套CL－PRE 擴(kuò)展方案. 在Multi －Proxy CL －PRE 中，假定系統(tǒng)中共有n 個代理，數(shù)據(jù)擁有者可以指定整數(shù)k(1< k < n)，只有當(dāng)k 個以上的代理都能夠正確重加密的時候，對應(yīng)的數(shù)據(jù)用戶才能得到有效數(shù)據(jù). 在Randomized CL－PRE 中，數(shù)據(jù)擁有者A 自己保存針對其他共享用戶例如用戶B 的重加密密鑰，當(dāng)每次希望和用戶B 共享新的數(shù)據(jù)時，用戶A 都會根據(jù)到用戶B 的重加密密鑰計算產(chǎn)生一個跟此次會話相關(guān)的一次性隨機(jī)重加密密鑰.因為這個一次性重加密密鑰是會話相關(guān)的，因此代理服務(wù)器得到這個密鑰不會給數(shù)據(jù)帶來任何威脅.

3 結(jié)論

云計算因其眾多的優(yōu)越性而飛速發(fā)展，已經(jīng)在社會上引起了日益廣泛的關(guān)注；與此同時，它的安全性問題也逐漸成為制約其健康發(fā)展的關(guān)鍵因素.與傳統(tǒng)的本地存儲相比，云存儲環(huán)境有其自身的特殊性，例如其分布式特點(diǎn)及半可信模型，決定了很多目前已較為成熟的技術(shù)，包括代理重加密在內(nèi)，并不能只是簡單地移植到云存儲環(huán)境中，還需要有針對性地做出調(diào)整和改進(jìn)，才能更好地推動云計算的發(fā)展與進(jìn)步. 因此，在云存儲的數(shù)據(jù)共享領(lǐng)域中，代理重加密技術(shù)還有更多的發(fā)展空間，需要展開更進(jìn)一步的深入研究.