數(shù)據(jù)安全：面向分散式存儲(chǔ)的云安全架構(gòu)

數(shù)據(jù)安全：面向分散式存儲(chǔ)的云安全架構(gòu)

盡管很多研究機(jī)構(gòu)認(rèn)為云計(jì)算提供了可靠安全的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心，但安全問題依然是云存儲(chǔ)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(chǔ)供應(yīng)商，因此數(shù)據(jù)的可用性及安全性也成為云存儲(chǔ)系統(tǒng)突出的問題。在2010年3月召開的云計(jì)算中國(guó)峰會(huì)(ThecloudComputingChinaCongress-CCCC2010)中指出，隨著云計(jì)算技術(shù)的逐步成熟，云安全問題將日益突出，云計(jì)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(guó)內(nèi)外的研究中，對(duì)云存儲(chǔ)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(lái)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(jī)制，典型的包括Weatherspoon的Antiquity與Kotla的SafeSrore，Antiquity是OceanStore的最新改進(jìn)版本，它被設(shè)計(jì)用于文件系統(tǒng)和備份的應(yīng)用程序存儲(chǔ)服務(wù)系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)等科研院校也開始在云存儲(chǔ)技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)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(chǔ)服務(wù)中的隱私，實(shí)現(xiàn)云存儲(chǔ)對(duì)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(chǔ)系統(tǒng)安全威脅分析1.1云存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從實(shí)際應(yīng)用和服務(wù)的角度考慮，云存儲(chǔ)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(chǔ)和數(shù)據(jù)管理。與傳統(tǒng)的存儲(chǔ)相比，云存儲(chǔ)不僅是一個(gè)硬件，而且是一個(gè)由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲(chǔ)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(gè)部分組成的復(fù)雜系統(tǒng)。各部分以存儲(chǔ)設(shè)備為核心，通過應(yīng)用軟件來(lái)對(duì)外提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和業(yè)務(wù)訪問服務(wù)。云存儲(chǔ)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)有以下4層，如圖1所示。圖1云存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(1)存儲(chǔ)層是云存儲(chǔ)最基礎(chǔ)的部分，它由各種各樣的存儲(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成。同時(shí)，還有一個(gè)存儲(chǔ)管理系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對(duì)硬件設(shè)備的集中管理、狀態(tài)監(jiān)控以及維護(hù)升級(jí)等。(2)基礎(chǔ)管理層是云存儲(chǔ)最為核心的部分，也是最復(fù)雜的部分?；A(chǔ)管理層大量采用了集群管理技術(shù)和分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)的成熟方法，在實(shí)現(xiàn)良好的可擴(kuò)展性的同時(shí)，也滿足了可用性及性能的需求，它還負(fù)責(zé)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(chǔ)資源進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)的關(guān)鍵部分。云存儲(chǔ)供應(yīng)商通過應(yīng)用接口層對(duì)客戶提供統(tǒng)一的協(xié)議和編程接口，以進(jìn)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(tái)協(xié)議。(4)訪問層是基于云存儲(chǔ)開發(fā)的應(yīng)用程序的入口。任何一個(gè)授權(quán)用戶都可以通過標(biāo)準(zhǔn)的公用應(yīng)用接口來(lái)登錄云存儲(chǔ)系統(tǒng)，共享云存儲(chǔ)所提供的服務(wù)。1.2云存儲(chǔ)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(jì)算的優(yōu)勢(shì)，然而數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)在各層之間進(jìn)行傳輸并存儲(chǔ)，用戶對(duì)于敏感數(shù)據(jù)存取時(shí)，無(wú)法對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行直接控制?？梢哉f(shuō)，云存儲(chǔ)自身的特點(diǎn)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(wú)效。由于云存儲(chǔ)中服務(wù)必須是可伸縮的，對(duì)外部來(lái)講并不是透明的，因此云存儲(chǔ)中無(wú)法清晰地定義安全邊界及保護(hù)設(shè)備，為具體保護(hù)措施的實(shí)施增加了一定的難度。(2)云存儲(chǔ)是通過網(wǎng)絡(luò)來(lái)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(duì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)造成一定的影響，數(shù)據(jù)的安全通信、訪問認(rèn)證與保密性也是有待解決的問題。(3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性防護(hù)包括最終存儲(chǔ)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(chǔ)時(shí)也需要保護(hù)。(4)數(shù)據(jù)的可靠性、可用性。數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)系統(tǒng)的容錯(cuò)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(shí)帶來(lái)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的邏輯卷管理、存儲(chǔ)虛擬化管理和多鏈路冗余管理將會(huì)是一個(gè)巨大的難題，也將是整個(gè)云存儲(chǔ)架構(gòu)的性能瓶頸，而且還會(huì)帶來(lái)后期容量和性能擴(kuò)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(gè)云架構(gòu)的各個(gè)層次，單獨(dú)討論云存儲(chǔ)在某一層中的安全性是毫無(wú)意義的?？傮w而言，對(duì)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(jī)密性、完整性、可用性)，為某一特定應(yīng)用提出專門的實(shí)現(xiàn)思路(如增強(qiáng)文件服務(wù)器的安全性、客戶端加密文件系統(tǒng)、對(duì)磁盤磁帶全盤靜態(tài)加密、客戶端直接訪問磁盤的認(rèn)證機(jī)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(chǔ)系統(tǒng)中；②從存儲(chǔ)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(chǔ)與安全管理模式。為此，本文設(shè)計(jì)了一種面向分散式分片存儲(chǔ)管理來(lái)解決云存儲(chǔ)和應(yīng)用過程中的數(shù)據(jù)安全性問題。2云存儲(chǔ)安全架構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)云存儲(chǔ)中數(shù)據(jù)的安全性分析，從數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯?chǔ)，都需要建立相應(yīng)的保護(hù)措施進(jìn)行層與層之間的防范。按照云存儲(chǔ)的層次結(jié)構(gòu)，通過不同的保護(hù)策略逐層對(duì)需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，從而實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯?chǔ)位置的全面防護(hù)。該安全架構(gòu)采用信息擴(kuò)散法、分散式存儲(chǔ)管理、數(shù)據(jù)自舉恢復(fù)等技術(shù)，分層實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)在云存儲(chǔ)中完成應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全存儲(chǔ)管理和傳輸，其系統(tǒng)總體安全框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2面向分散式存儲(chǔ)的云存儲(chǔ)安全架構(gòu)2.1訪問層到應(yīng)用接口層的設(shè)計(jì)通過訪問控制與身份認(rèn)證，采用加密技術(shù)SSL對(duì)用戶存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，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(chǔ)服務(wù)器相互認(rèn)證，對(duì)雙方安全證書和身份進(jìn)行鑒別，成功后用戶代理通過安全API和云通信連接進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)。2.2基礎(chǔ)管理層設(shè)計(jì)通過信息擴(kuò)散法，數(shù)據(jù)分片后在網(wǎng)絡(luò)傳輸和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)具有相對(duì)的保密性和安全性。在云存儲(chǔ)的基礎(chǔ)管理層中利用IDA思想，通過分片器把存儲(chǔ)信息分片，使數(shù)據(jù)變成無(wú)法被其他非認(rèn)證系統(tǒng)所識(shí)別的數(shù)據(jù)片段。對(duì)于每一個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)片段來(lái)說(shuō)，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(chǔ)設(shè)備上被意外竊取，由于截取方只是獲得信息的部分?jǐn)?shù)據(jù)片段，截取的信息并不具有任何實(shí)際含義，這樣就能夠保證數(shù)據(jù)分片后不會(huì)產(chǎn)生保密信息泄露或擴(kuò)散。此外，當(dāng)這些分片后的數(shù)據(jù)放入地理位置不同的存儲(chǔ)器中，即便被其他用戶誤操作提取時(shí)，也能保證需要保護(hù)的信息不會(huì)被分析出來(lái)。數(shù)據(jù)的分散式存儲(chǔ)機(jī)制也使存儲(chǔ)系統(tǒng)具備一定的容錯(cuò)、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(chǔ)服務(wù)器將每個(gè)分片數(shù)據(jù)用一個(gè)固定不變的64位句柄對(duì)其進(jìn)行標(biāo)識(shí)，這些句柄也是唯一的，讀取數(shù)據(jù)時(shí)根據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器中虛擬視圖中句柄和字節(jié)范圍來(lái)進(jìn)行，在主服務(wù)器中建立一個(gè)數(shù)據(jù)列表，用來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)中的元數(shù)據(jù)，其中包括用戶存儲(chǔ)的文件名、對(duì)應(yīng)的句柄號(hào)和文件大小等信息。數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)無(wú)論在內(nèi)容上還是在存儲(chǔ)設(shè)備中都是分散的，當(dāng)用戶需要對(duì)云存儲(chǔ)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問或者操作時(shí)，分散存儲(chǔ)管理器(DSM)需要把分散的數(shù)據(jù)整合起來(lái)，提供給用戶一個(gè)虛擬的視圖，這些分散數(shù)據(jù)對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)是透明的。用戶可以根據(jù)提供的視圖，對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。此外，DSM還支持對(duì)元數(shù)據(jù)的管理，便于用戶對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行創(chuàng)建、檢索和刪除等操作。2.3存儲(chǔ)層設(shè)計(jì)在存儲(chǔ)層設(shè)計(jì)中，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全策略，云存儲(chǔ)中需要滿足用戶存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)的需求，存儲(chǔ)系統(tǒng)規(guī)模及存儲(chǔ)容量都在不斷增長(zhǎng)，與存儲(chǔ)相關(guān)的出錯(cuò)率將越來(lái)越高。為了確保云存儲(chǔ)安全系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的高可用性和可靠性，系統(tǒng)存儲(chǔ)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(cuò)能力和存儲(chǔ)利用率。系統(tǒng)使用Reed-Solomon碼提供任意高錯(cuò)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(cè)到。如果設(shè)備上的數(shù)據(jù)損壞、丟失，存儲(chǔ)系統(tǒng)中自動(dòng)化檢測(cè)過程會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)問題，通過檢查可用片重新計(jì)算數(shù)據(jù)片中所有的數(shù)據(jù)，根據(jù)其他存儲(chǔ)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(chǔ)系統(tǒng)的平均無(wú)故障時(shí)間。2.4面向分散式存儲(chǔ)的云存儲(chǔ)數(shù)據(jù)存取過程面向分散式存儲(chǔ)的云存儲(chǔ)用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)存取的過程如圖3所示，當(dāng)用戶(個(gè)人或企業(yè))存取數(shù)據(jù)時(shí)，在客戶端通過系統(tǒng)安全認(rèn)證后將信息進(jìn)行SSL加密，傳送到Internet中，通過云存儲(chǔ)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(chǔ)介質(zhì)中去；當(dāng)用戶讀取數(shù)據(jù)或者查詢數(shù)據(jù)時(shí)，在云存儲(chǔ)服務(wù)器通過身份驗(yàn)證后，用戶通過分散存儲(chǔ)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(chǔ)管理器再通過設(shè)備上的記錄表，對(duì)存儲(chǔ)層中的存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的操作，最后將操作結(jié)果返回給用戶。圖3用戶DSM存取過程DSM主要負(fù)責(zé)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(qǐng)求；(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(jìn)行數(shù)據(jù)分片，分片規(guī)則為每個(gè)數(shù)據(jù)片中包含的信息內(nèi)容不會(huì)被泄露，其具體工作過程如下：(1)從分散存儲(chǔ)管理器中提取數(shù)據(jù)；(2)根據(jù)IDA算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分片；(3)將分片后的信息傳輸?shù)礁鞯氐拇鎯?chǔ)設(shè)備中；(4)將存儲(chǔ)完成后的狀態(tài)信息(成功或者錯(cuò)誤)、存儲(chǔ)設(shè)備號(hào)、存儲(chǔ)位置等返回給分散存儲(chǔ)管理器。存儲(chǔ)器主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)最終存取，并帶有定期檢測(cè)數(shù)據(jù)、自動(dòng)發(fā)現(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤功能，并根據(jù)其他互為冗余的存儲(chǔ)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(chǔ)數(shù)據(jù)后同時(shí)在其他存儲(chǔ)設(shè)備中寫入校驗(yàn)碼；(2)向分片器返回?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)信息；(3)定期自動(dòng)檢查數(shù)據(jù)的完整性。3系統(tǒng)分析與驗(yàn)證用戶保存數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)首先在訪問層實(shí)現(xiàn)用戶身份認(rèn)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(jìn)行加密，當(dāng)數(shù)據(jù)在訪問層和應(yīng)用接口層被攔截時(shí)，攔截者不會(huì)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(gè)信息中單獨(dú)的片段也是無(wú)效的，在數(shù)據(jù)從基礎(chǔ)管理層到存儲(chǔ)層傳輸?shù)倪^程中，假設(shè)此時(shí)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(wú)法對(duì)數(shù)據(jù)的有效性加以分析。在數(shù)據(jù)最終存放的存儲(chǔ)層中，分片的數(shù)據(jù)也因?yàn)槠鋯为?dú)被獲取后，獲取者由于沒有完整的分片數(shù)據(jù)信息，并且