云存儲環(huán)境下數(shù)據(jù)安全共享模型的設(shè)計

曾德生 駱金維 高靜 劉倍雄 陳孟祥

摘 要：隨著云計算的發(fā)展，越來越多的用戶將數(shù)據(jù)存儲在云端，而采用傳統(tǒng)的明文存儲數(shù)據(jù)的方式不適合于開放的云存儲環(huán)境，基于對稱加密的方案也不適合于云端數(shù)據(jù)的分享及協(xié)同工作。針對用戶對云存儲中數(shù)據(jù)安全共享的需求，提出了采用層次化的身份加密技術(shù)（HIBE），規(guī)范身份標識管理，提高私鑰的生成效率及密鑰管理的安全性。引入私鑰版本號的方法，改進CP-ABE算法，提高屬性撤銷的效率。通過相應(yīng)分析，共享模型具有較好的安全性，最后采用Samkumar的HIBE和John Bethencourt的cpabe工具集進行測試，結(jié)果表明該方案有較好的性能表現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：云存儲;安全共享模型;HIBE;屬性撤銷

文章編號：2095-2163（2019）04-0240-08 中圖分類號：TP309.2 文獻標志碼：A

0 引 言

云存儲是云計算中的熱門應(yīng)用，通過集群技術(shù)、分布式計算等技術(shù)將異構(gòu)存儲設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用軟件等結(jié)合起來協(xié)同工作，構(gòu)建一個大型的存儲資源池，為企業(yè)及個人用戶提供數(shù)據(jù)存儲、備份、同步及共享等服務(wù)。云存儲可以有效地解決各類用戶對存儲資源需求擴展的問題，已成為一種成熟的服務(wù)模式，在企業(yè)及個人市場的應(yīng)用越來越廣泛[1-2]。云存儲中的數(shù)據(jù)安全性依賴于云存儲服務(wù)供應(yīng)商的管控，但由于云存儲架構(gòu)的開放性、共享性等特征，相較于傳統(tǒng)的存儲方式，云存儲中的安全需求不僅要求保證數(shù)據(jù)的安全性，還需要包含相應(yīng)的密鑰的分發(fā)及更新管理，以及如何實現(xiàn)在密文上進行高效操作等。在多項調(diào)查報告中顯示，云存儲的安全性已經(jīng)成為用戶最關(guān)注的問題之一[2-3]。

本文提出一種方案，結(jié)合層次化身份標識加密技術(shù)（Hierarchical Identity-based Encryption，HIBE）和密文策略屬性基加密技術(shù)（Ciphertext Policy Attribute-based Encryption，CP-ABE）的特點，設(shè)計云存儲環(huán)境下的數(shù)據(jù)安全共享模型：CP-AHI（BE）2方案。

在CP-AHI（BE）2方案中，利用HIBE技術(shù)構(gòu)建層次化的身份標識管理模塊，規(guī)范身份認證及標識管理，提高屬性密鑰的生成效率;采用CP-ABE算法對云存儲服務(wù)器中的數(shù)據(jù)進行加密以保證數(shù)據(jù)的機密性，實現(xiàn)細粒度的訪問控制機制，降低合謀攻擊的風(fēng)險，同時改進CP-ABE方案，采用增加密鑰版本號的方法[4-5]，提高了密鑰撤銷的效率[6-7]。通過相應(yīng)驗證，CP-AHI（BE）2方案可以提高數(shù)據(jù)共享的安全性，并提高云存儲系統(tǒng)密鑰管理性能。

1 相關(guān)工作

1.1 云存儲安全現(xiàn)狀

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，智能手機等設(shè)備的飛速增長以及互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模式的變革，用戶對數(shù)據(jù)存儲的容量及性能方面的要求越來越高，運維成本也隨之快速增加。由于云計算具有成本低、效率高的優(yōu)勢，結(jié)合虛擬化、分布式計算等技術(shù)，將大量計算資源、異構(gòu)存儲資源、網(wǎng)絡(luò)及軟件等資源進行整合，形成一個有機整體，對外提供大規(guī)模的數(shù)據(jù)存儲服務(wù)，實現(xiàn)按需服務(wù)等應(yīng)用模式。為用戶提供數(shù)據(jù)備份、多終端數(shù)據(jù)同步、用戶間數(shù)據(jù)共享和協(xié)同工作等服務(wù)，為企業(yè)和個人用戶的工作和生活帶來了極大的便利。

從應(yīng)用的角度看，云存儲對用戶是透明的。云存儲同樣具備云計算的5種特征[8]：按需自助、廣泛網(wǎng)絡(luò)接入、資源池化、快速彈性伸縮、可計量服務(wù)。因此云存儲系統(tǒng)架構(gòu)通?？梢苑譃?個層次：數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)管理層、數(shù)據(jù)接口層和用戶訪問層，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

（1）存儲層：可采用虛擬化及集群技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)中的NAS、SAN等存儲設(shè)備進行集中式管理，形成存儲資源池。

（2）數(shù)據(jù)管理層：利用集群系統(tǒng)、分布式文件系統(tǒng)等文件管理系統(tǒng)對底層的資源池進行管理，并提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)壓縮、去重和數(shù)據(jù)備份、加密等功能。

（3）應(yīng)用接口層：根據(jù)用戶的需求，提供數(shù)據(jù)接入的接口，為高層的用戶訪問層提供用戶認證、權(quán)限管理等功能。

（4）用戶訪問層：通過應(yīng)用接口層提供的標準接口，提供數(shù)據(jù)訪問服務(wù)。

在云存儲環(huán)境下，云存儲服務(wù)供應(yīng)商（Cloud Storage Service Providers，CSSP）利用虛擬化等技術(shù)手段，實現(xiàn)各類存儲設(shè)備資源的邏輯共享，將用戶的數(shù)據(jù)存儲在動態(tài)共享的存儲資源池中。用戶間的數(shù)據(jù)可能存放在相同的物理存儲設(shè)備中，同時用戶數(shù)據(jù)的完全依賴于CSSP的保護，因此也帶來了第三方依賴性問題[9]。云存儲的安全風(fēng)險分析，見表1。

1.2 云計算安全模型研究現(xiàn)狀

隨著云計算應(yīng)用的不斷深入，國內(nèi)外的研究人員都致力于云計算安全體系架構(gòu)的研究。2011年，馮登國總結(jié)了云存儲環(huán)境下的數(shù)據(jù)安全問題，并提出了如圖2所示的安全參考框架[10]。

2015年，工業(yè)和信息化部辦公廳關(guān)于印發(fā)《云計算綜合標準化體系建設(shè)指南》的通知中，也明確提出了云計算綜合標準化體系框架。其中安全標準，用于指導(dǎo)實現(xiàn)云計算環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)安全、系統(tǒng)安全、服務(wù)安全和信息安全，主要包括云計算環(huán)境下的安全管理、服務(wù)安全、安全技術(shù)和產(chǎn)品、安全基礎(chǔ)等方面的標準[8]，如圖3所示。

1.3 HIBE及CP-ABE算法研究

1.3.1 HIBE

基于身份標識的加密技術(shù)（Identity-based Encryption，IBE）是一種基于雙線性配對和橢圓曲線的公鑰密碼技術(shù)。通過可信的密鑰管理中心，將用戶標識融入到密鑰中，可以提供加密及身份認證等功能。與以往的公鑰加密相比，IBE方案可以減少對公鑰的查詢，提高密鑰生成中心的效率[11]。

傳統(tǒng)的IBE管理中心只有獨立的私鑰生成中心（Private Key Generator，PKG），隨著用戶數(shù)量增加，容易導(dǎo)致PKG的負載過高，產(chǎn)生系統(tǒng)瓶頸。為解決這一問題，在基于IBE的基礎(chǔ)上構(gòu)建多個PKG，并將其層次化，將多個PKG分層構(gòu)建成一棵倒置的樹，如圖4所示。

HIBE方案相對于IBE具有更高的安全性，可以適當縮短密文長度，減少密鑰的存儲空間，各層PKG分擔密鑰管理任務(wù)[12]，可以減少加密解密所需的時間，提高系統(tǒng)運行的效率[13-16]。與傳統(tǒng)的PKI方案比較，HIBE方案在密鑰管理方面具有以下優(yōu)勢，見表2。

1.3.2 CP-ABE

基于屬性的加密技術(shù)（Attribute-based Encryption，ABE），可以提供細粒度的非交互式訪問控制機制，從而解決傳統(tǒng)對稱加密機制中一對一的加解密模式，擴展為云存儲環(huán)境中一對多的多用戶分享模式。在ABE中，引入了訪問結(jié)構(gòu)的概念，密文和密鑰根據(jù)屬性集合生成，可以提供2種關(guān)聯(lián)方案[17]：密鑰策略的屬性加密（Key-policy ABE，KP-ABE）和密文策略的屬性加密（Ciphertext-policy ABE，CP-ABE）。

在KP-ABE方案中，密鑰對應(yīng)于一個訪問控制而密文對應(yīng)于一個屬性集合，解密當且僅當屬性集合中的屬性能夠滿足此訪問結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計比較接近靜態(tài)場景，此時密文用與其相關(guān)的屬性加密存放在服務(wù)器上，當允許用戶得到某些消息時，就分配一個特定的訪問結(jié)構(gòu)給用戶。因此，KP-ABE算法更適用于查詢類的應(yīng)用。

在CP-ABE方案中，密文對應(yīng)于一個訪問結(jié)構(gòu)而密鑰對應(yīng)于屬性集合，解密當且僅當屬性集合中的屬性能夠滿足此訪問結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計比較接近于現(xiàn)實中的應(yīng)用場景，每個用戶可以根據(jù)自身條件或者屬性從屬性機構(gòu)得到密鑰，然后加密者來制定對消息的訪問控制。因此，CP-ABE算法更適用于云存儲環(huán)境下的密文訪問控制。方便用戶在分享云存儲中的數(shù)據(jù)，無需為每一目標用戶分發(fā)屬性密鑰，只需要通過訪問結(jié)構(gòu)進行權(quán)限管理，大幅度地降低了權(quán)限管理的復(fù)雜度[7]，提供了更加靈活的訪問控制。從功能上實現(xiàn)了“一對多”的加密文件訪問控制，解決了云存儲中多用戶環(huán)境應(yīng)用的瓶頸問題[17- 18]。

2 安全共享需求

對于用戶而言，數(shù)據(jù)安全是最重要的需求之一。通常，數(shù)據(jù)安全包含機密性、完整性、可用性3個方面。在云存儲環(huán)境下，數(shù)據(jù)的安全包含數(shù)據(jù)存儲的安全性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?個部分。

（1）機密性。在云存儲中，數(shù)據(jù)的機密性體現(xiàn)在用戶對數(shù)據(jù)存儲和傳輸過程中要求任何個人或CSSP在未授權(quán)的情況下都無法查看到明文數(shù)據(jù)，理論上不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)泄露的情形。

（2）完整性。在云存儲中，數(shù)據(jù)的完整性主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)的存儲、傳輸和使用等情形。當用戶進行數(shù)據(jù)上傳或下載等操作時，要求CSSP能夠根據(jù)用戶的指令，提供完整的數(shù)據(jù)讀寫操作，并提供相應(yīng)的檢測機制，確保用戶數(shù)據(jù)的完整，避免云端數(shù)據(jù)被偽造或篡改。

（3）可用性。用戶的數(shù)據(jù)存儲在CSSP中，對用戶而言，云端的存儲硬件、網(wǎng)絡(luò)接入都屬于不可控的環(huán)境。因此，CSSP如何為用戶提高數(shù)據(jù)的可用性是實現(xiàn)安全共享的重要需求之一。

在云計算中，為了保護用戶的數(shù)據(jù)安全和隱私，大多數(shù)方案都是采用非對稱（公鑰）加密（Public-key cryptography，PKE）技術(shù)來保證數(shù)據(jù)的安全性。PKE技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展后，演化產(chǎn)生了基于身份標識的加密技術(shù)和基于屬性的加密技術(shù)。

在云計算環(huán)境下，供應(yīng)商采用透明化的方案，用戶不需要關(guān)注云存儲的軟硬件系統(tǒng)的部署。相當于用戶采用外包的方式將數(shù)據(jù)存放在CSSP的存儲服務(wù)器中。云存儲系統(tǒng)多處于海量用戶的應(yīng)用場景，須滿足“M對N”的多對多訪問模式，供應(yīng)商的服務(wù)器中需要使用合理的方式保護數(shù)據(jù)加密所使用的大量密鑰，用于保障數(shù)據(jù)擁有者對數(shù)據(jù)的可控性。因此，完成云存儲環(huán)境下數(shù)據(jù)安全共享模型的設(shè)計，需要解決以下問題：

（1）如何解決云端存儲數(shù)據(jù)的安全性和可用性，云存儲服務(wù)供應(yīng)商（CSSP）在獲得用戶信任的同時該如何保證服務(wù)的可用性。

（2）云存儲中數(shù)據(jù)的機密性與算法復(fù)雜度之間存在不可調(diào)和的矛盾，CSSP該采用哪種合適的算法，既提高用戶的使用體驗又降低服務(wù)器的投入。

（3）在用戶“M對N”的訪問模式下，CSSP該如何解決密鑰管理問題，每個數(shù)據(jù)擁有者都有可能面對多個不同的用戶，CSSP如何實現(xiàn)細粒度訪問控制。

（4）當出現(xiàn)用戶的注冊、注銷等，分享的增加、刪除、修改等操作，密鑰的分配管理都將發(fā)生變化，CSSP該如何解決動態(tài)安全性問題。

3 算法與模型設(shè)計

3.1 共享模型設(shè)計

3.1.1 系統(tǒng)角色

典型云存儲環(huán)境下的數(shù)據(jù)安全共享模型中，通常有4類實體參與云存儲服務(wù)供應(yīng)商（CSSP）、密鑰管理中心（Key Management Center，KMC）、數(shù)據(jù)屬主（Data Owner，DO）、數(shù)據(jù)用戶（Data Requester，Dreq）。

（1）CSSP。云存儲服務(wù)供應(yīng)商，管理大量的云存儲服務(wù)器，為用戶提供7*24小時不間斷的數(shù)據(jù)存儲及訪問服務(wù)。

（2）KMC。密鑰管理中心，在本文的方案中，KMC分為層次化身份認證中心和屬性密鑰加密中心2個部分。前者用于身份認證及屬性的規(guī)范化管理，后者處理相應(yīng)的屬性加密。屬性密鑰加密中心，通常由一個密鑰產(chǎn)生中心（Key Generation Center，KGC）和若干個密鑰授權(quán)中心（Key Authorization Center，KAC）組成，主要完成密鑰的生成、分發(fā)、更新及撤銷等操作。

（3）DO。數(shù)據(jù)擁有者，通常為各類企業(yè)及個人用戶，其將自己的數(shù)據(jù)存儲在云端，并且依靠CSSP維護數(shù)據(jù)。

（4）Dreq。數(shù)據(jù)用戶是CSSP的服務(wù)對象，可以理解為云存儲服務(wù)的消費者，訪問DO在云端共享的數(shù)據(jù)，并通過相應(yīng)的密鑰解密云端的密文數(shù)據(jù)。

3.1.2 模型圖

在安全共享模型中，結(jié)合HIBE和CP-ABE加密技術(shù)，由CSSP和KMC完成密鑰的管理;DO制定相應(yīng)的訪問控制策略，與CSSP協(xié)商，生成對稱參數(shù)密鑰對，并利用相應(yīng)的密鑰加密數(shù)據(jù)后，將密文數(shù)據(jù)存放在云端。當Dreq訪問云端的共享數(shù)據(jù)時，首先使用自己的賬號及密碼通過HIBE進行身份驗證，然后利用自己的私鑰及相應(yīng)授權(quán)的屬性密鑰，通過CSSP驗證后，解密相應(yīng)的密文數(shù)據(jù)，安全共享系統(tǒng)的模型設(shè)計如圖5所示。

3.2 CP-AHI（BE）2算法設(shè)計

在算法設(shè)計過程中，首先利用HIBE算法的優(yōu)勢，實現(xiàn)統(tǒng)一規(guī)范的身份標識管理，其次根據(jù)規(guī)范化處理后的細粒度屬性，采用改進的CP-ABE方案，應(yīng)用于云存儲環(huán)境中。

3.2.1 HIBE

在共享模型中，HIBE模塊用于實現(xiàn)身份的認證及相應(yīng)屬性私鑰的管理。進行相應(yīng)的形式化定義后，HIBE算法加密的流程可以分解為5個步驟：

（1）根密鑰中心初始化（initSetup）。根密鑰中心選取安全參數(shù)k，產(chǎn)生主密鑰s和系統(tǒng)參數(shù)params。其中，系統(tǒng)參數(shù)params是公開使用的參數(shù)，包含明文空間描述M和密文空間描述C，初始根結(jié)點的私鑰s（即主密鑰）是秘密信息，M=0，1n，C=Gt1×0，1n，在公開params的情況下s可以實現(xiàn)保密。

（2）分層密鑰中心初始化（levelSetup）。每個用戶設(shè)置自己的低層密鑰，為下一層用戶的私鑰生成做準備。

（3）生成密鑰（keyGen）。根據(jù)用戶的ID首先為用戶產(chǎn)生公鑰Q，然后根據(jù)公鑰等信息計算出私鑰St。如果用戶是在根密鑰中心的下一層，則直接由根密鑰中心為用戶產(chǎn)生私鑰genKey（ID1）;如果用戶在其它層，則由用戶的上一層密鑰生成中心為用戶產(chǎn)生。如genKey（ID1，ID2）由ID1所在的密鑰生成中心產(chǎn)生。

（4）加密（Encryption）。輸入系統(tǒng)參數(shù)params、接收方（Receiver）用戶的身份信息ID，明文m、輸出相應(yīng)的密文c。當發(fā)送方（Sender）經(jīng)秘密安全通道從根密鑰中心接收params，使用接收方的公鑰QRec 和params對明文數(shù)據(jù)m加密，并把密文c發(fā)送給接收方，加密公式為c=EncData（params，QRec，m）。

（5）解密（Decryption）。輸入系統(tǒng)參數(shù)params、接收方（Receiver）用戶的私鑰sRec、密文c，輸出相應(yīng)的明文m。接收方依據(jù)（3）的方法從本層PKG 處得到私鑰SRec 并從根密鑰中心得到params，使用算法對密文c解密得到明文m，m=DecData（params，SRec，C）。

在共享模型中，通過HIBE的規(guī)范管理規(guī)則包含標識管理、命名和訪問3個方面進行身份認證及屬性粒度管理：

（1）規(guī)范標識管理規(guī)則。規(guī)范用戶注冊、登錄、信息維護及注銷4種規(guī)則。

（2）規(guī)范標識命名規(guī)則。將用戶的用戶名（ID）、電子郵箱等各種屬性按照身份標識命名規(guī)則進行標識。

（3）規(guī)范標識訪問規(guī)則。建立標識管理模塊，制定相應(yīng)訪問規(guī)則及限制策略。當系統(tǒng)接收到用戶登錄請求時，首先驗證接入端是否符合相應(yīng)規(guī)則，然后驗證用戶登錄標識是否合法，最后驗證用戶的身份。通過用戶身份驗證后，采用會話模式（Session）將用戶的相應(yīng)密鑰分發(fā)至其它功能模塊。此后標識管理模塊采用周期性的檢測機制，檢查用戶標識當前是否有效，如果無效，則強制退出。

3.2.2 改進的CP-ABE算法

用戶在CSSP中進行注冊時，在IBE體系中，完成身份標識管理，根據(jù)規(guī)則生成細粒度的屬性集合，進行相應(yīng)用戶屬性私鑰（Attribute Private Key，APK）分發(fā)，DO可以根據(jù)屬性集合設(shè)定合適的訪問控制策略。User通過CSSP進行身份驗證登錄后，KMC驗證用戶屬性，KGC根據(jù)用戶屬性集，計算生成用戶的私鑰（Private Key，Prik），User合并Prik和DO分享的APk后解密共享的密文數(shù)據(jù)。

（1）初始化算法。初始化算法由CSSP和KMC完成。KMC為數(shù)據(jù)共享模型中的屬性密鑰生成公開參數(shù)Prik和主密鑰mk，CSSP為共享模型生成對稱參數(shù)csk和系統(tǒng)屬性集合A，為模型中的每個屬性設(shè)置一個唯一標識ak，并且向KMC發(fā)送系統(tǒng)屬性集合A。

（2）屬性密鑰分發(fā)算法。屬性密鑰生成算法主要完成注冊用戶屬性私鑰的生成與分發(fā)。在執(zhí)行過程中，首先由CSSP為注冊用戶分配屬性集合，然后KCA根據(jù)用戶所持有的屬性集生成屬性參數(shù)，最后用戶使用屬性參數(shù)計算得到最終的屬性私鑰。屬性密鑰的生成算法主要包括如下幾個步驟。

①由CSSP為注冊用戶分配用戶標識ID=i，用戶屬性組Ai∈A并為其分發(fā)對稱參數(shù)CSK。

②在KMC中，可以設(shè)置m個KAC，管理中心根據(jù)細化后的屬性粒度情況，向其中j個KAC發(fā)起請求，并生成j個私鑰參數(shù)，其中1≤j≤m。用戶向KAC發(fā)送密鑰授權(quán)請求，在請求信息中包含用戶從CSSP中獲取的用戶標識和用戶自身的屬性集合{i，Ai}。

③KAC執(zhí)行相應(yīng)的生成算法產(chǎn)生屬性私鑰參數(shù)并將其返回給請求用戶。

④注冊用戶Useri接收到j(luò)個KGC的屬性私鑰參數(shù)集合后，執(zhí)行KeyGen3算法，生成自己的屬性私鑰。

經(jīng)過上述4個步驟后，注冊用戶取得了數(shù)據(jù)安全共享模型中的私鑰屬性SK以及對應(yīng)的CSK。

（3）加密算法。在共享模型中，加密通常由數(shù)據(jù)屬主（DO）完成。加密過程分2個步驟，首先執(zhí)行Enc.Arch算法，生成由屬性和邏輯運算符組成的訪問控制結(jié)構(gòu)τ，然后使用公共屬性密鑰Prik和對稱參數(shù)CSK執(zhí)行Enc.Crypt算法對明文M執(zhí)行加密運算，生成密文CT。

（4）解密算法。在共享模型中，需要訪問加密數(shù)據(jù)的用戶，在合法獲取云存儲環(huán)境中的加密數(shù)據(jù)CT，結(jié)合用戶的私有屬性密鑰SKi和CSK，執(zhí)行Decrypt解密算法，完成數(shù)據(jù)還原操作，得到明文m。

（5）改進的密鑰更新算法。在共享模型中，當某個用戶注銷或者撤銷分享操作時，直接作廢該用戶的所有權(quán)限;撤銷分享操作時，應(yīng)保證該用戶失去該屬性相對應(yīng)的權(quán)限，而具有該屬性的其它用戶仍保留此相應(yīng)的權(quán)限。

屬性撤銷即撤銷用戶屬性集合中的部分或者全部屬性，被撤銷某些屬性的用戶失去該屬性對應(yīng)的權(quán)限，不影響其它屬性的權(quán)限，同時不影響其它仍然具備該屬性的用戶的訪問權(quán)限。如果DO需要撤銷某個uuid的部分或全部屬性時，不僅僅需要對CSSP中使用該屬性的密文進行更新，而且還要對擁有該屬性且未撤銷的用戶私鑰進行更新。屬性撤銷的過程包含以下4個步驟：

（1）更新授權(quán)用戶列表（Authorized user list，AUL）。由DO發(fā)起請求，向用戶中心提出更新請求，將需要取消權(quán)限的用戶uuid從授權(quán)列表AUL中刪除，即：uuidAUL。

（2）更新密鑰版本號。由DO發(fā)起更新請求，當CA收到更新操作指令時，向?qū)傩悦荑€授權(quán)中心發(fā)送更新密鑰版本的請求，請求信息中包含更新屬性的唯一標識ak和相應(yīng)的版本信息ver。屬性密鑰授權(quán)中心根據(jù)請求生成新版本的主密鑰mkver+1與公開參數(shù)prikver+1。

（3）更新密鑰。利用更新的主密鑰mkver+1與公開參數(shù)prikver+1，DO將被撤銷用戶時一并撤銷的屬性（ak）ver進行更新，CA重新生成新的（ak）ver+1。未被撤銷并擁有該屬性的用戶，可以通過廣播的方式接收新的密鑰，或者采用懶惰更新算法，有需要時訪問AUL，經(jīng)過AUL后，更新。

（4）重加密。CSSP中，根據(jù)原屬性ak和新生成的屬性（ak）ver+1將撤銷前的密文執(zhí)行解密后重新加密，生成新的密文CTver+1。

3.3 安全性分析

安全性分析側(cè)重于2.1節(jié)中所定義的系統(tǒng)安全需求。在CP-AHI（BE）2模型中，使用HIBE提高系統(tǒng)中用戶的安全性驗證，降低了系統(tǒng)中惡意用戶通過分享密鑰訪問為授權(quán)的數(shù)據(jù)時帶來的風(fēng)險，提高系統(tǒng)的抗合謀攻擊，改進的CP-ABE算法，實現(xiàn)了用戶的細粒度訪問控制，同時也解決了屬性撤銷等動態(tài)分享帶來的風(fēng)險，提高系統(tǒng)的前后向安全性。

（1）機密性。云存儲環(huán)境下數(shù)據(jù)安全共享面臨的數(shù)據(jù)機密性問題。主要包括以下3種情形：

①密鑰的產(chǎn)生。通過CSSP與用戶協(xié)商對稱參數(shù)，因此CSSP可以通過還原用戶的屬性私鑰解密數(shù)據(jù)。

②用戶的屬性私鑰由KMC管理，因此KMC可以輕松獲取用戶的屬性私鑰，可以嘗試還原用戶與CSSP協(xié)商的對稱參數(shù)，進而解密數(shù)據(jù)。

③由于云存儲的分享特性，可以提供多重接入的方式，惡意用戶可以通過偽裝攻擊等多種獲取加密后的數(shù)據(jù)，然后實施暴力破解等方式進行解密。

數(shù)據(jù)安全共享模型中，使用了對稱和非對稱2種方式對數(shù)據(jù)進行加密，假設(shè)密鑰的長度為len，訪問控制結(jié)構(gòu)中所用的屬性數(shù)量為n，對稱加密算法的數(shù)量為m。則上述3種情形被暴力破解的次數(shù)如下：

①CSSP持有對稱參數(shù)，則CSSP需要破解的屬性密鑰的空間大小為：

因此，當len、n和m都達到一定長度時，CSSP、KMC及惡意用戶都無法通過暴力破解的方式還原共享數(shù)據(jù)。

（2）抗合謀攻擊。在模型中，密鑰生成算法中屬性私鑰由多個密鑰授權(quán)中心共同生成，用戶的ID與用戶的屬性捆綁在一起。在加密算法中數(shù)據(jù)屬主（DO）生成的訪問控制結(jié)構(gòu)由多個屬性組合成邏輯運算結(jié)構(gòu)，因此方案可以避免來自用戶合謀及KAC合謀2類攻擊。

（3）前向安全性。當DO的某個屬性在某個時間點從某個用戶Dreq中撤銷后，相應(yīng)的屬性（ak）ver會被更新為（ak）ver+1。新的屬性只有具備相應(yīng)權(quán)限的用戶才能訪問，同時密文也被重新加密后更新，因此新生成的密文不會被舊的屬性密鑰解密，從而保證了前向安全性。

（4）后向安全性。當一個用戶獲得新的（ak）ver+1后，相關(guān)的密文已經(jīng)被更新，只能對新的密文CTver+1進行解密，而無法對舊的密文解密，從而保證了數(shù)據(jù)共享的后向安全性。

4 共享模型測試

4.1 測試環(huán)境

為驗證上述的算法和共享模型，基于3.1.2節(jié)的模型圖，采用samkumar的HIBE和John Bethencourt的cpabe工具集在CentOS7.5中實現(xiàn)一個驗證模型，使用1臺DELL PowerEdge R720xd服務(wù)器，安裝VMware ESXi6.0U3軟件構(gòu)建虛擬化平臺。實驗環(huán)境及參數(shù)見表3和表4。

使用虛擬機模板，創(chuàng)建多個虛擬機后，使用其中5個虛擬機搭建5層深度的層次化身份認證中心，使用10個虛擬機構(gòu)建屬性密鑰管理中心，每臺虛擬機獨立處理單個屬性。測試環(huán)境所使用的虛擬機，部署在一臺物理服務(wù)器中，處于同一內(nèi)網(wǎng)，測試中所使用的文件size較小，由SSD組成的磁盤陣列，可以提供較高的讀寫性能，可以忽略網(wǎng)絡(luò)傳輸速率及I/O讀寫對模型的影響。

4.2 密鑰生成

通過模擬不同數(shù)量的用戶，在深度為5層的HIBE模塊中進行處理，生成屬性私鑰。相應(yīng)私鑰信息通過SSH通道，導(dǎo)入到cpabe工具集中進行后續(xù)處理。執(zhí)行過程中，編寫相應(yīng)腳本，使用“date +%s.%N”獲取相應(yīng)時間記錄，累積密鑰處理過程的時間，如圖6所示。

4.3 加密與解密

生成屬性密鑰后，根據(jù)相應(yīng)的參數(shù)和密鑰執(zhí)行加解密過程。由于在屬性分解的數(shù)量及文件大小不同，所消耗的時間也不相同，詳情如圖7所示。

4.4 密鑰更新

在共享模型中，使用改進的密鑰更新算法，當發(fā)生權(quán)限撤銷或用戶注銷等操作時，系統(tǒng)所消耗的時間與云存儲共享所關(guān)聯(lián)的用戶數(shù)量及屬性數(shù)量相關(guān)，測試時用戶數(shù)量與屬性數(shù)量及時間消耗情況如圖8所示。

經(jīng)過上述的測試，證明CP-AHI（BE）2模型，有較好的性能表現(xiàn)，該方案能夠解決云存儲中的信任依賴等問題。

5 結(jié)束語

目前，云計算因其成本低、可定制性高等特點，發(fā)展勢態(tài)良好，具有廣闊的發(fā)展前景，但安全性方面仍面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。本文針對云計算中的云存儲服務(wù)，研究了IBE、ABE等算法，構(gòu)建CP-AHI（BE）2共享模型，針對屬性密鑰的生成問題，采用構(gòu)建層次化的HIBE模塊，針對屬性撤銷的問題，改進CP-ABE方案，采用增加密鑰版本號的方法，提高了密

鑰撤銷的效率。通過測試，基于CP-AHI（BE）2的云存儲共享模型，具有較好的性能表現(xiàn)，適合部署于云存儲共享環(huán)境中。

參考文獻

[1]Clutch. 企業(yè)數(shù)據(jù)存儲偏愛云[EB/OL]. [2017-08-02]. http：//cloud.yesky.com/407/285947907.shtml.

[2] 問卷星. 云存儲相關(guān)使用情況及安全性調(diào)查[EB/OL]. https：//www.wjx.cn/report/4010291.aspx.

[3] 孫會峰. 2018網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告[J]. 信息安全研究， 2019，5（2）：98-104.

[4] SHI Jiaoli， HUANG Chuanbe， WANG Jing， et al. An access control scheme with direct cloud-aided attribute revocation using version key SUN X H， et al. ICA3PP 2014， Part I， LNCS 8630. SwitzerLand：Springer International Publishing， 2014：429-442.

[5] LIANG Xiaohui， LU Rongxin， LIN Xiaodong， et al. Ciphertext policy attribute based encryption with efficient revocation[R]. Ontario， Canada：University of Waterloo， 2011.

[6] CHEN Genlang， XU Zhiqian， JIANG Hai， et al. Generic user revocation systems for attribute-based encryption in cloud storage[J]. Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering， 2018，19（11）：1362-1384.

[7] 王鵬翩， 馮登國， 張立武. 一種支持完全細粒度屬性撤銷的CP-ABE方案[J]. 軟件學(xué)報， 2012，23（10）：2805-2816.

[8] 工業(yè)和信息化部. 云計算綜合標準化體系建設(shè)指南[EB/OL]. [2015-11-09]. http：//www.miit.gov.cn/n1146295/n1652858/n1652930/n3757022/c4414407/content.html.

[9] 傅穎勛， 羅圣美， 舒繼武. 一種云存儲環(huán)境下的安全網(wǎng)盤系統(tǒng)[J]. 軟件學(xué)報， 2014，25（8）：1831-1843.

[10]馮登國， 張敏， 張妍， 等. 云計算安全研究[J]. 軟件學(xué)報， 2011，22（1）：71-83.

[11]胡亮， 初劍峰， 林海群， 等. IBE體系的密鑰管理機制[J]. 計算機學(xué)報， 2009，32（3）：543-551.

[12]BONEH D， BOYEN X， GOH E J. Hierarchical identity based encryption with constant size ciphertext[M]. CRAMER R. Advances incryptology—Eurocrypt 2005. Lecture notes in Computer Science. Berlin/Heidelberg：Springer， 2005， 3494：440-456.

[13]梁潘， 馮朝勝. 基于HIBE的電子政務(wù)系統(tǒng)安全解決方案[J]. 計算機工程與設(shè)計， 2011，32（3）：842-845.

[14]唐鑫， 齊芳. 免密鑰托管的基于身份的分層加密機制研究[J]. 計算機工程與科學(xué)， 2017，39（5）：870-876.

[15]楊海濱. 一種新的格上基于身份的分層加密方案[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報（理學(xué)版）， 2016，62（2）：155-160.

[16]計海萍， 徐磊， 蔚曉玲， 等. 云計算環(huán)境下基于身份的分層加密管理系統(tǒng)研究[J]. 信息網(wǎng)絡(luò)安全， 2016（5）：30-36.

[17]馮登國， 陳成. 屬性密碼學(xué)研究[J]. 密碼學(xué)報， 2014，1（1）：1-12.

[18]熊安萍， 許春香， 馮浩. 云存儲環(huán)境下支持策略變更的CP-ABE方案[J]. 計算機科學(xué)， 2016，43（1）：191-194.