本文針對云存儲系統(tǒng)和應(yīng)用過程中的數(shù)據(jù)安全性問題，提出了一種面向分散式存儲的云存儲安全架構(gòu)。該架構(gòu)采用信息擴散法、分散存儲管理、數(shù)據(jù)自舉恢復(fù)等技術(shù)，分層實現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)在云存儲中完成應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全存儲管理和傳輸。仿真?zhèn)仍嚤砻鳎摷軜?gòu)在保證數(shù)據(jù)高安全性的同時提高了系統(tǒng)的整體性能。隨著信息科技的現(xiàn)代化發(fā)展，人們對計算能力的要求也不斷提高，作為與計算密不可分的存儲技術(shù)，也伴隨著計算模型的升級，從最初的單機存儲、網(wǎng)絡(luò)存儲、分布式存儲發(fā)展到現(xiàn)在的云存儲。云存儲是在云計算概念上延伸發(fā)展出來的一個新概念，是實現(xiàn)云計算的系統(tǒng)架構(gòu)中重要組成部分之一。與云計算類似，云存儲是指通過集群應(yīng)用、網(wǎng)格技術(shù)或分布式文件系統(tǒng)等功能，將網(wǎng)絡(luò)中大量不同類型的存儲設(shè)備通過虛擬化軟件集合起來協(xié)同工作，共同對外提供數(shù)據(jù)存儲和業(yè)務(wù)訪問功能，是對虛擬化存儲資源的管理和使用。
盡管很多研究機構(gòu)認為云計算提供了可靠安全的數(shù)據(jù)存儲中心，但安全問題依然是云存儲中存在的主要問題之一。從用戶角度考慮，數(shù)據(jù)的保存都交給云存儲供應(yīng)商，因此數(shù)據(jù)的可用性及安全性也成為云存儲系統(tǒng)突出的問題。在2010年3月召開的云計算中國峰會(ThecloudComputingChinaCongress-CCCC2010)中指出，隨著云計算技術(shù)的逐步成熟，云安全問題將日益突出，云計算的數(shù)據(jù)安全正在成為人們關(guān)注的重要問題。
目前，在國內(nèi)外的研究中，對云存儲安全方面的研究還比較少。Bowers等提出了分布式加密系統(tǒng)，Cachin等通過使用加密工具來解決數(shù)據(jù)完整性和一致性問題，研究數(shù)據(jù)可恢復(fù)機制，典型的包括Weatherspoon的Antiquity與Kotla的SafeSrore，Antiquity是OceanStore的最新改進版本，它被設(shè)計用于文件系統(tǒng)和備份的應(yīng)用程序存儲服務(wù)系統(tǒng)。國內(nèi)清華大學、華中科技大學、國防科技大學等科研院校也開始在云存儲技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域進行基礎(chǔ)性研究工作。如何在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中保障數(shù)據(jù)發(fā)布及存儲服務(wù)中的隱私，實現(xiàn)云存儲對用戶數(shù)據(jù)的安全性與可信性，是目前亟需解決的問題。
1.云存儲系統(tǒng)安全威脅分析
1.1 云存儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
從實際應(yīng)用和服務(wù)的角度考慮，云存儲首先利用了網(wǎng)絡(luò)，其次它可以按需分配，此外它的虛擬化主要用于存儲和數(shù)據(jù)管理。與傳統(tǒng)的存儲相比，云存儲不僅是一個硬件，而且是一個由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲設(shè)備、服務(wù)器、應(yīng)用軟件、公用訪問接口、接入網(wǎng)和客戶端程序等多個部分組成的復(fù)雜系統(tǒng)。各部分以存儲設(shè)備為核心，通過應(yīng)用軟件來對外提供數(shù)據(jù)存儲和業(yè)務(wù)訪問服務(wù)。云存儲系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)有以下4層.
(1)存儲層是云存儲最基礎(chǔ)的部分，它由各種各樣的存儲設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成。同時，還有一個存儲管理系統(tǒng)，負責對硬件設(shè)備的集中管理、狀態(tài)監(jiān)控以及維護升級等。
(2)基礎(chǔ)管理層是云存儲最為核心的部分，也是最復(fù)雜的部分。基礎(chǔ)管理層大量采用了集群管理技術(shù)和分布式存儲系統(tǒng)的成熟方法，在實現(xiàn)良好的可擴展性的同時，也滿足了可用性及性能的需求，它還負責數(shù)據(jù)加密、備份及容災(zāi)等任務(wù)。
(3)應(yīng)用接口層是利用云存儲資源進行應(yīng)用開發(fā)的關(guān)鍵部分。
云存儲供應(yīng)商通過應(yīng)用接口層對客戶提供統(tǒng)一的協(xié)議和編程接口，以進行應(yīng)用程序的開發(fā)。通常這種協(xié)議都是基于網(wǎng)絡(luò)的跨平臺協(xié)議。
(4)訪問層是基于云存儲開發(fā)的應(yīng)用程序的入口。任何一個授權(quán)用戶都可以通過標準的公用應(yīng)用接口來登錄云存儲系統(tǒng)，共享云存儲所提供的服務(wù)。
1.2 云存儲系統(tǒng)安全分析
靈活性、易于使用的服務(wù)和易于共享基礎(chǔ)設(shè)施是云計算的優(yōu)勢，然而數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)在各層之間進行傳輸并存儲，用戶對于敏感數(shù)據(jù)存取時，無法對風險進行直接控制。可以說，云存儲自身的特點決定了它在現(xiàn)有的技術(shù)方面存在一些安全問題，具體表現(xiàn)如下。
(1)傳統(tǒng)的安全域劃分無效。由于云存儲中服務(wù)必須是可伸縮的，對外部來講并不是透明的，因此云存儲中無法清晰地定義安全邊界及保護設(shè)備，為具體保護措施的實施增加了一定的難度。
(2)云存儲是通過網(wǎng)絡(luò)來傳輸數(shù)據(jù)的，其中包括網(wǎng)絡(luò)中的惡意攻擊等造成的服務(wù)中斷、數(shù)據(jù)破壞、信息被竊取和篡改等，對實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全存儲造成一定的影響，數(shù)據(jù)的安全通信、訪問認證與保密性也是有待解決的問題。
(3)數(shù)據(jù)存儲的安全性防護包括最終存儲數(shù)據(jù)的存放位置、數(shù)據(jù)完整性、數(shù)據(jù)間分散存放等。此外，即使數(shù)據(jù)采用加密技術(shù)，也只是在網(wǎng)絡(luò)上加密傳輸，數(shù)據(jù)在處理和存儲時也需要保護。
(4)數(shù)據(jù)的可靠性、可用性。數(shù)據(jù)在存儲系統(tǒng)的容錯性、可恢復(fù)性和完整性面臨一些問題，如何避免在災(zāi)難(停電、地震、水災(zāi)、火災(zāi)等)發(fā)生時帶來的服務(wù)中斷乃至數(shù)據(jù)介質(zhì)被直接破壞等問題。
(5)如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的邏輯卷管理、存儲虛擬化管理和多鏈路冗余管理將會是一個巨大的難題，也將是整個云存儲架構(gòu)的性能瓶頸，而且還會帶來后期容量和性能擴展難等一系列問題。
由此可見，數(shù)據(jù)的安全性問題貫穿于整個云架構(gòu)的各個層次，單獨討論云存儲在某一層中的安全性是毫無意義的。總體而言，對該方面的研究存在兩種思路：
①借鑒信息安全的C.I.A特性(機密性、完整性、可用性)，為某一特定應(yīng)用提出專門的實現(xiàn)思路(如增強文件服務(wù)器的安全性、客戶端加密文件系統(tǒng)、對磁盤磁帶全盤靜態(tài)加密、客戶端直接訪問磁盤的認證機制等)，即將適用于信息安全的措施(如加密技術(shù)、完整性技術(shù))移植到存儲系統(tǒng)中；
②從存儲系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)入手，尋找安全高效的網(wǎng)絡(luò)存儲與安全管理模式。為此，本文設(shè)計了一種面向分散式分片存儲管理來解決云存儲和應(yīng)用過程中的數(shù)據(jù)安全性問題。
2.云存儲安全架構(gòu)設(shè)計
根據(jù)云存儲中數(shù)據(jù)的安全性分析，從數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯Γ夹枰⑾鄳?yīng)的保護措施進行層與層之間的防范。按照云存儲的層次結(jié)構(gòu)，通過不同的保護策略逐層對需要存儲的數(shù)據(jù)進行保護，從而實現(xiàn)從數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯ξ恢玫娜娣雷o。該安全架構(gòu)采用信息擴散法、分散式存儲管理、數(shù)據(jù)自舉恢復(fù)等技術(shù)，分層實現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)在云存儲中完成應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全存儲管理和傳輸.
2.1 訪問層到應(yīng)用接口層的設(shè)計
通過訪問控制與身份認證，采用加密技術(shù)SSL對用戶存儲數(shù)據(jù)進行保護，使數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸中得到較為安全的保障。
用戶與云存儲服務(wù)器相互認證，對雙方安全證書和身份進行鑒別，成功后用戶代理通過安全API和云通信連接進行數(shù)據(jù)存儲服務(wù)。
2.2 基礎(chǔ)管理層設(shè)計
通過信息擴散法，數(shù)據(jù)分片后在網(wǎng)絡(luò)傳輸和數(shù)據(jù)存儲時具有相對的保密性和安全性。在云存儲的基礎(chǔ)管理層中利用IDA思想，通過分片器把存儲信息分片，使數(shù)據(jù)變成無法被其他非認證系統(tǒng)所識別的數(shù)據(jù)片段。對于每一個單獨的數(shù)據(jù)片段來說，這些數(shù)據(jù)片段是不具有任何意義的，如果數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中被他人截獲，被植入的木馬病毒掃描獲取或在存儲設(shè)備上被意外竊取，由于截取方只是獲得信息的部分數(shù)據(jù)片段，截取的信息并不具有任何實際含義，這樣就能夠保證數(shù)據(jù)分片后不會產(chǎn)生保密信息泄露或擴散。此外，當這些分片后的數(shù)據(jù)放入地理位置不同的存儲器中，即便被其他用戶誤操作提取時，也能保證需要保護的信息不會被分析出來。數(shù)據(jù)的分散式存儲機制也使存儲系統(tǒng)具備一定的容錯、容災(zāi)能力，提高了信息的可用性。
分片器根據(jù)IDA算法將數(shù)據(jù)分片后，云存儲服務(wù)器將每個分片數(shù)據(jù)用一個固定不變的64位句柄對其進行標識，這些句柄也是唯一的，讀取數(shù)據(jù)時根據(jù)存儲服務(wù)器中虛擬視圖中句柄和字節(jié)范圍來進行，在主服務(wù)器中建立一個數(shù)據(jù)列表，用來存儲系統(tǒng)中的元數(shù)據(jù)，其中包括用戶存儲的文件名、對應(yīng)的句柄號和文件大小等信息。
數(shù)據(jù)的存儲無論在內(nèi)容上還是在存儲設(shè)備中都是分散的，當用戶需要對云存儲中的數(shù)據(jù)進行訪問或者操作時，分散存儲管理器(DSM)需要把分散的數(shù)據(jù)整合起來，提供給用戶一個虛擬的視圖，這些分散數(shù)據(jù)對于用戶來說是透明的。用戶可以根據(jù)提供的視圖，對存儲的數(shù)據(jù)進行管理。此外，DSM還支持對元數(shù)據(jù)的管理，便于用戶對數(shù)據(jù)進行創(chuàng)建、檢索和刪除等操作。
2.3 存儲層設(shè)計
在存儲層設(shè)計中，為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲的安全策略，云存儲中需要滿足用戶存儲海量數(shù)據(jù)的需求，存儲系統(tǒng)規(guī)模及存儲容量都在不斷增長，與存儲相關(guān)的出錯率將越來越高。為了確保云存儲安全系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲的高可用性和可靠性，系統(tǒng)存儲層中的設(shè)備都必須異地存放，并且互為冗余，這樣能夠提高設(shè)備容錯能力和存儲利用率。系統(tǒng)使用Reed-Solomon碼提供任意高錯誤恢復(fù)技術(shù)，保證系統(tǒng)在發(fā)現(xiàn)問題后能夠被迅速檢測到。如果設(shè)備上的數(shù)據(jù)損壞、丟失，存儲系統(tǒng)中自動化檢測過程會發(fā)現(xiàn)這個問題，通過檢查可用片重新計算數(shù)據(jù)片中所有的數(shù)據(jù)，根據(jù)其他存儲設(shè)備中完好的數(shù)據(jù)恢復(fù)被破壞的數(shù)據(jù)。通過這樣的數(shù)據(jù)自舉恢復(fù)，提高了云存儲系統(tǒng)的平均無故障時間。
2.4 面向分散式存儲的云存儲數(shù)據(jù)存取過程
面向分散式存儲的云存儲用戶進行數(shù)據(jù)存取的過程如圖3所示，當用戶(個人或企業(yè))存取數(shù)據(jù)時，在客戶端通過系統(tǒng)安全認證后將信息進行SSL加密，傳送到Internet中，通過云存儲服務(wù)器管理，用分片器將數(shù)據(jù)分片，然后再把數(shù)據(jù)片傳給分散在各地物理位置不同的存儲介質(zhì)中去；當用戶讀取數(shù)據(jù)或者查詢數(shù)據(jù)時，在云存儲服務(wù)器通過身份驗證后，用戶通過分散存儲管理器提供的虛擬視圖，完成數(shù)據(jù)的檢索或者刪除等操作，此后分散存儲管理器再通過設(shè)備上的記錄表，對存儲層中的存儲設(shè)備進行相應(yīng)的操作，最后將操作結(jié)果返回給用戶。
DSM主要負責將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給分片器，記錄路徑并為用戶建立虛擬視圖，具體工作過程如下：
(1)接收用戶數(shù)據(jù)的DSM請求；
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(2)轉(zhuǎn)發(fā)給分片器并記錄數(shù)據(jù)存取路徑，等待分片器返還數(shù)據(jù)狀態(tài)信息；
(3)創(chuàng)建用戶虛擬視圖表。
分片器根據(jù)IDA算法進行數(shù)據(jù)分片，分片規(guī)則為每個數(shù)據(jù)片中包含的信息內(nèi)容不會被泄露，其具體工作過程如下：
(1)從分散存儲管理器中提取數(shù)據(jù)；
(2)根據(jù)IDA算法進行數(shù)據(jù)分片；
(3)將分片后的信息傳輸?shù)礁鞯氐拇鎯υO(shè)備中；
(4)將存儲完成后的狀態(tài)信息(成功或者錯誤)、存儲設(shè)備號、存儲位置等返回給分散存儲管理器。
存儲器主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)最終存取，并帶有定期檢測數(shù)據(jù)、自動發(fā)現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)錯誤功能，并根據(jù)其他互為冗余的存儲設(shè)備數(shù)據(jù)修復(fù)受損數(shù)據(jù)，以提高信息的可用性，其工作過程如下：
(1)存儲數(shù)據(jù)后同時在其他存儲設(shè)備中寫入校驗碼；
(2)向分片器返回數(shù)據(jù)存儲信息；
(3)定期自動檢查數(shù)據(jù)的完整性。
3.系統(tǒng)分析與驗證
用戶保存數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)首先在訪問層實現(xiàn)用戶身份認證、授權(quán)、防止非法訪問和越權(quán)訪問，并將保存數(shù)據(jù)進行加密，當數(shù)據(jù)在訪問層和應(yīng)用接口層被攔截時，攔截者不會得到有效的數(shù)據(jù)信息。
數(shù)據(jù)在基礎(chǔ)管理層被分片后，每個信息中單獨的片段也是無效的，在數(shù)據(jù)從基礎(chǔ)管理層到存儲層傳輸?shù)倪^程中，假設(shè)此時數(shù)據(jù)被攔截(木馬病毒掃描獲取)，截獲者得到的只是數(shù)據(jù)片段，無法對數(shù)據(jù)的有效性加以分析。
在數(shù)據(jù)最終存放的存儲層中，分片的數(shù)據(jù)也因為其單獨被獲取后，獲取者由于沒有完整的分片數(shù)據(jù)信息，并且即使得到所有數(shù)據(jù)分片，也因其沒有數(shù)據(jù)合成的方法，最終不能得到完整的數(shù)據(jù)。此外，當數(shù)據(jù)被破壞時，存儲層中互為冗余的數(shù)據(jù)也可將其恢復(fù)，保證了數(shù)據(jù)的安全性和可用性。
可以看出，本系統(tǒng)根據(jù)云存儲的層次結(jié)構(gòu)，通過相應(yīng)的保護策略逐層對數(shù)據(jù)進行保護，從數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯Γ冀⒘讼鄳?yīng)的保護措施進行云存儲層以及層與層之間的防范，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的全面防護，防止了需要保密的數(shù)據(jù)泄漏后造成不必要的損失。該方法在Windows環(huán)境下通過系統(tǒng)仿真加以了認證。
4.結(jié)論
由于云計算的復(fù)雜性以及用戶的動態(tài)性，云存儲主要存在數(shù)據(jù)間分開存放、數(shù)據(jù)恢復(fù)、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)完整性保護等問題。本文提出的云存儲安全架構(gòu)對于數(shù)據(jù)保密性要求高、基于內(nèi)容存儲的用戶，在安全性、可靠性和可用性方面具有較大的優(yōu)勢，具備一定的容災(zāi)、數(shù)據(jù)恢復(fù)及容錯能力。然而，這些需要通過空間和時間上的代價來滿足安全性需求。因此，根據(jù)本文提出的安全架構(gòu)特點，通過增強動態(tài)分析明確最佳的性能所在，優(yōu)化數(shù)據(jù)存取路徑，提高數(shù)據(jù)整體讀取性能，以實現(xiàn)更具有存儲空間效率的存儲策略，增強云存儲服務(wù)效率等，將是我們下一步要研究的重點問題。
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