基于CP-ABE的云存儲數(shù)據(jù)動態(tài)訪問控制研究

王鳳領(lǐng)，王 涵，2，郭啟恩，趙方珍

(1. 澳門城市大學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)研究院，澳門 999078；2. 珠海中科先進技術(shù)研究院，廣東 珠海 519000；3. 暨南大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510632)

1 引言

隨著大數(shù)據(jù)云計算的發(fā)展，云存儲作為一種新的服務(wù)模式，即數(shù)據(jù)存儲即服務(wù)(DaaS)。云存儲通過應(yīng)用軟件將網(wǎng)絡(luò)中大量不同類型的存儲設(shè)備集成在一起協(xié)同工作，實現(xiàn)了低成本、高可靠性、免維護的存儲服務(wù)的革命性變革，它對外提供數(shù)據(jù)存儲和業(yè)務(wù)訪問功能[1]。安全保障是云存儲應(yīng)用的核心問題，也是云計算用戶最關(guān)心的問題。云存儲作為服務(wù)必須解決的安全問題，其中訪問控制就是最突出的。

在SHAMIR學(xué)者提出基于身份的系統(tǒng)概念后，Sahai等[2]學(xué)者提出了一種基于模糊身份的加密方案，這是基于屬性加密(ABE)的最早原型。Goyal等[3]學(xué)者提出基于屬性的密鑰策略屬性加密方案(KP-ABE)；Bethencourt等[4]學(xué)者提出一種更實用的基于屬性的密文策略加密(CP-ABE)。RAY I等[5]學(xué)者提出了一種簡單有效的利用混合密碼體制來實現(xiàn)層次訪問控制的方案CBHAC。在基于CP-ABE的訪問控制中，數(shù)據(jù)所有者(DO)依靠云服務(wù)提供商(CSP)提供的基本訪問控制功能來保護數(shù)據(jù)。CP-ABE機制認(rèn)為是最適合訪問控制應(yīng)用的技術(shù)，是由DU負(fù)責(zé)制定的訪問控制策略[6]。

隨著大數(shù)據(jù)云時代的到來，越來越多的用戶選擇在云上存儲數(shù)據(jù)。然而，在解決海量數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)共享問題的時候，云存儲中的訪問控制將面臨著數(shù)據(jù)安全問題。許多學(xué)者對如何將CP-ABE算法應(yīng)用于密文訪問控制進行了深入研究，但主要集中在屬性授權(quán)管理、屬性撤銷、訪問結(jié)構(gòu)等方面，但沒有涉及開放云存儲完整性和存儲空間利用率的問題。

針對這一現(xiàn)象，本文提出了一種基于密文策略屬性加密(CP-ABE，Ciphertext-Policy Attributes-Based Encryption)的云存儲數(shù)據(jù)動態(tài)訪問控制。隨著屬性用戶數(shù)量的增加，形成了訪問控制編碼，以確定用戶的訪問權(quán)限和范圍，有效地完成了對云存儲數(shù)據(jù)的動態(tài)訪問控制，提高了云存儲服務(wù)器的空間利用率，大大減少DO端的權(quán)限管理代價，在數(shù)據(jù)動態(tài)訪問控制的完整性和安全性具有極大的優(yōu)勢，并提高了靈活性和效率。

2 相關(guān)工作

2.1 CPE-ABE算法

主要從以下3個部分內(nèi)容進行定義：

1)定義1：屬性，設(shè)P={P1，P2，…，Pn}，每個用戶的屬性A是P的非空子集，P是所有屬性的集合，A?{P1，P2，…，Pn}，可用N個屬性鑒別2N個用戶。

2)定義2：訪問結(jié)構(gòu)，T?2{P1，P2，…，Pn}{?}，訪問結(jié)構(gòu)T是非空子集，屬性的判斷條件為T，在T中的屬性集稱為授權(quán)集，否則稱為非授權(quán)集。

3)定義3：訪問樹，樹的每個葉節(jié)點為一個屬性項，每一個關(guān)系函數(shù)用來表示每個內(nèi)部節(jié)點。對其關(guān)系函數(shù)為OR(1 of m)，AND(m of m)或者n of m(m>n)門限3種不同的函數(shù)[7]。如圖1所示。

圖1 訪問結(jié)構(gòu)樹

2.2 CP-ABE機制

如圖2所示給出了一個具體的實現(xiàn)CP-ABE機制工作流程[8]。

圖2 CP-ABE機制工作流程

CP-ABE算法主要從以下4個步驟進行：

步驟1：初始化設(shè)置參數(shù)Setup：用來生成主密鑰MK(Master Key)和公開參數(shù)PK(Public Key)。

步驟2：數(shù)據(jù)加密算法SK=KeyGen(PK，MK，AS)。私鑰SK(Secret Key)由主密鑰MK、公鑰PK和用戶屬性集AS(Attributes Set)生成[9]。

步驟3：密鑰生成算法CT=Encrypt(PK，F(xiàn)，T)。利用訪問結(jié)構(gòu)T、公鑰PK和加密數(shù)據(jù)明文F(File)，使加密后的密文為CT(Ciphertext)。

步驟4：密文解密算法M=Decrypt(CT，SK，PK)。只有當(dāng)屬性AS滿足訪問控制結(jié)構(gòu)T條件時，用私鑰SK解密密文CT得到明文F，Decrypt()才能成功操作并輸出M，否則不能。

3 CP-ABE的云存儲訪問控制機制

訪問控制機制可以授權(quán)合法用戶訪問特定資源，訪問控制模型對系統(tǒng)或數(shù)據(jù)的訪問是通過檢查訪問者的角色來進行控制，可建立多個角色，解密密文只有擁有相應(yīng)密鑰的授權(quán)人員才能實現(xiàn)。在服務(wù)器端不可信環(huán)境中密文訪問控制技術(shù)可以保證數(shù)據(jù)的機密性[10]。目前，許多學(xué)者提出了基于CP-ABE的云存儲訪問控制模型及其應(yīng)用[11]，如圖3所示給出了具體云存儲訪問控制框架。有3個實體：DO、DU和CSSP。DO負(fù)責(zé)CP-ABE算法的前3步，并制定AT、將加密得到的CT和EAT(k)發(fā)送到云端存儲。如果滿足DU的AS，可以解密得到K，最后F可以通過解密獲得，否則就不能。

圖3 基于CP-ABE的云存儲訪問控制框架

4 算法的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

云存儲系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)安全算法有文件體、密鑰體、訪問權(quán)限體和證書體4種結(jié)構(gòu)[12]。后3個存儲在身份驗證服務(wù)器中的相同位置，只有第一個文件體存儲在元數(shù)據(jù)服務(wù)器對應(yīng)節(jié)點中，在這4種結(jié)構(gòu)之間可以協(xié)調(diào)完成文件訪問、數(shù)據(jù)存儲和文件修改等[13]。圖4顯示了算法數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。

圖4 算法數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在用戶訪問數(shù)據(jù)文件時，圖4中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述了各功能模塊之間的關(guān)系。只有通過身份驗證的用戶才能獲得相應(yīng)的密鑰。在云存儲訪問數(shù)據(jù)文件時用戶需要進行身份驗證[14]。

5 云存儲數(shù)據(jù)動態(tài)訪問控制原理

在對云存儲數(shù)據(jù)動態(tài)訪問控制過程中，將云存儲環(huán)境下的所有數(shù)據(jù)資源按屬性進行劃分，根據(jù)需求形成訪問控制編碼，確定用戶訪問權(quán)限和訪問范圍，從而有效地完成云存儲數(shù)據(jù)動態(tài)訪問控制[15]。具體步驟如下：

假設(shè)在云存儲數(shù)據(jù)動態(tài)訪問控制過程中，ul代表云存儲環(huán)境下的資源數(shù)據(jù)用戶，(L1，d1) 、(L2，d2)、(Ln，dn)分別代表數(shù)據(jù)資源屬性的范圍，然后根據(jù)數(shù)據(jù)用戶的需要，利用式(1)形成一個訪問控制編碼

(1)

式(1)中，Tn表示數(shù)據(jù)資源屬性集ω對應(yīng)的私鑰，φ表示用戶ul的屬性節(jié)點集合。

假設(shè)，由δ代表形成的訪問控制結(jié)構(gòu)，Si表示δ的所有節(jié)點賦值，并用式(2)生成私鑰

(2)

式(2)中，Qkk代表每個用戶設(shè)置屬性集。

根據(jù)式(2)得到的私鑰，用式(3)確定用戶訪問權(quán)限和訪問數(shù)據(jù)資源的范圍

(3)

云存儲數(shù)據(jù)動態(tài)訪問控制原理通過以上方法說明，能夠有效地實現(xiàn)云存儲數(shù)據(jù)動態(tài)訪問控制[16]。

6 CP-ABE云存儲數(shù)據(jù)動態(tài)訪問控制

數(shù)據(jù)持有者Owner首先發(fā)送一個存儲請求Rstore，然后隨機選擇一組節(jié)點，被選出的節(jié)點集合稱為存儲節(jié)點集，記為Qs={P1，P2，…，Pn}。這些節(jié)點被用來存儲Owner提交的數(shù)據(jù)，并且系統(tǒng)在收到存儲請求后會把節(jié)點集合Q信息反饋給數(shù)據(jù)持有者Owner[17]。數(shù)據(jù)持有者通過秘密共享收到節(jié)點集合信息后將數(shù)據(jù)D使用各個節(jié)點的公鑰進行加密后，并發(fā)送給存儲節(jié)點。系統(tǒng)會定期重新產(chǎn)生新的節(jié)點集合Qs后，秘密共享產(chǎn)生的數(shù)據(jù)集合{D1，D2，…，Dn}會通過安全傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)移到新的Qs中，在整個過程中輸入數(shù)據(jù)不會存儲太久，保證數(shù)據(jù)的安全性[18]。對動態(tài)操作的支持流程如圖5所示。

圖5 對動態(tài)操作的支持

6.1 訪問權(quán)限控制

通常，具有寫入權(quán)限的用戶也具有讀取權(quán)限。用戶對云存儲系統(tǒng)中數(shù)據(jù)最基本的操作就是讀寫操作。在非對稱加密中，私鑰用于簽名，公鑰用于驗證。為了區(qū)分讀寫權(quán)限，可以選擇一對公鑰和私鑰來控制讀寫權(quán)限[19]。假設(shè)簽名/驗證密鑰為Ksign/Kverify，則Ksign向可寫用戶授予相應(yīng)的讀寫權(quán)限，對數(shù)據(jù)進行簽名在用戶執(zhí)行寫操作后；Kverify向只讀用戶授予相應(yīng)的只讀權(quán)限，以驗證簽名結(jié)果。假設(shè)存在擴展權(quán)限Au1，Au2，…，Aun，則數(shù)據(jù)所有者可以將其權(quán)限特征值設(shè)置為X1，X2，…，Xn，即用X1，X2，…，Xn表示訪問權(quán)限Au1，Au2，…，Aun。

6.2 讀寫權(quán)限控制

需要保密的每個文件F都有AES在存儲系統(tǒng)中對稱密鑰Kd，該密鑰Kd在創(chuàng)建文件時由文件服務(wù)器或數(shù)據(jù)所有者生成，加密后存儲到相應(yīng)服務(wù)器，對加密數(shù)據(jù)進行簽名/驗證通過RSA公私鑰對Ksign/Kverify完成[20]。讀寫用戶持有Kd、Kverify和Ksign才能進行訪問數(shù)據(jù)，寫用戶持有Kd和Kverify，簽名SIG(F)和數(shù)據(jù)密文E(F)分別存儲在元數(shù)據(jù)和存儲端服務(wù)器上。

為了保證密鑰信息的安全性，采用CP-ABE算法對密鑰信息進行加密[21]。即Encrypt(PK，{Kd，Ksign/Kverify}，T)，假設(shè)具有讀寫權(quán)限的用戶的訪問結(jié)構(gòu)為Trw，對應(yīng)的密文為CTrw=Encrypt(PK，{Kd，Ksign，Kverify}，Trw)，具有只讀訪問權(quán)限的用戶訪問結(jié)構(gòu)為Tro，對應(yīng)的密文為CTro=Encrypt(PK，{Kd，Kverify}，Tro)。文件所有者為每個用戶設(shè)置屬性值A(chǔ)i，然后計算并生成用戶的私鑰SKi=KeyGen(MK，Ai)，該私鑰與訪問者的公鑰一起發(fā)送給每個用戶。文件所有者默認(rèn)具有讀寫權(quán)限，維護公共參數(shù)PK和主密鑰MK[22]。文件創(chuàng)建者必須使用自己的私鑰Kpriv對文件體進行簽名，為了保證文件體的真實性。

1)以用戶U讀寫文件F為例，描述了讀寫數(shù)據(jù)的過程。

①讀取數(shù)據(jù)。

用戶U認(rèn)證通過以后讀取文件體是從服務(wù)器中進行，并查詢數(shù)據(jù)項獲取CTro信息；

用戶U通過Decrypt(CTro，SKU)得到Kd和Kverify；

用戶U從云存儲系統(tǒng)中獲取加密文件E(F)和簽名SIG(F)；

用戶U用Kd來進行解密E(F)獲取數(shù)據(jù)明文；

用戶U通過對Kverify驗證簽名SIG(F)的正確性。

②寫入數(shù)據(jù)。

用戶U查詢文件體中對應(yīng)的數(shù)據(jù)項得到CTrw；

用戶U用Decrypt(CTrw，SKU)得到Kd和Ksign；

用戶U使用Kd加密文件F得到E(F)，使用Ksign簽名E(F)得到SIG(F)；

用戶U向云存儲系統(tǒng)發(fā)送E(F)和SIG(F)。

2)讀寫文件F的權(quán)限時通過以數(shù)據(jù)所有者Owner授予/撤銷用戶U′為例，來進行描述用戶對數(shù)據(jù)的訪問控制更改[23-24]。其中，AU′是用戶U′的屬性值。

①撤銷讀寫權(quán)限。

定義～VU′為U′的補集中所有屬性的析取，～VU′=P1∨P2∨…∨PN，Pi∈C(VU′)；

所有者Owner生成一個新的訪問結(jié)構(gòu)T′=T∨～VU；

②授予讀寫權(quán)限。

所有者Owner查詢密鑰體中對應(yīng)的數(shù)據(jù)項，得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)項CTrw；

所有者Owner使用Decrypt(CTrw，SKU′)得到Kd、Ksign和Kverify；

所有者Owner生成一個新的訪問結(jié)構(gòu)T′=T∨VU′；

7 仿真及性能分析

本文實驗中，屬性數(shù)量均由0增加到100，3個環(huán)節(jié)實驗結(jié)果如圖6，圖7，圖8所示。

圖6顯示CP-ABE算法中，在根據(jù)用戶數(shù)量的不斷增加，屬性數(shù)量的個數(shù)也不斷增多，對應(yīng)的用戶私鑰產(chǎn)生時間也呈增長趨勢。

圖6 CP-ABC算法密鑰生成時間

在訪問樹中葉結(jié)點數(shù)的增加隨著不同葉結(jié)點數(shù)用戶的變化而不斷增加，從圖7中可以看出，對數(shù)據(jù)對稱密鑰等相關(guān)信息的加密時間也隨著葉結(jié)點數(shù)的變化也在不斷的加長。

圖7 CP-ABC算法加密時間

圖8給出了用戶數(shù)目在500以內(nèi)的情況下，CP-ABE算法屬性數(shù)為100，采用CP-ABE動態(tài)訪問控制策略進行解密過程所需時間分布情況。

圖8 CP-ABC算法解密過程時間

實驗結(jié)果表明，隨著屬性用戶數(shù)量的不斷增加，基于CP-ABE的云存儲數(shù)據(jù)動態(tài)訪問控制策略在完整性和效率上都有很大的優(yōu)勢。

8 結(jié)束語

云存儲的安全問題對云存儲應(yīng)用的發(fā)展至關(guān)重要，合理有效的訪問控制可以提高云存儲服務(wù)用戶對云存儲服務(wù)的信任度。本文提出的云存儲數(shù)據(jù)動態(tài)訪問控制能夠靈活、高效、安全地進行數(shù)據(jù)訪問控制，并支持?jǐn)?shù)據(jù)完整性驗證、提高了存儲空間利用率，有效提高了開放云存儲系統(tǒng)數(shù)據(jù)訪問控制的完整性和安全性。仿真結(jié)果表明，通過CP-ABE算法，減少了生成用戶私鑰的時間，降低了存儲空間，具有較強的實用性，存儲開銷低、耗時少的優(yōu)點。在后續(xù)工作中將不斷改進此方法，以支持更靈活的云存儲動態(tài)訪問控制策略。