云計算環(huán)境數據安全研究論文
云計算是網(wǎng)格計算、分布式計算、效用計算等技術(shù)發(fā)展融合的產(chǎn)物，如今普及速度非�？�。亞馬遜、谷歌、微軟等企業(yè)向用戶(hù)提供了在云環(huán)境中開(kāi)發(fā)應用和遠程訪(fǎng)問(wèn)應用的功能。由于云環(huán)境的數據托管給服務(wù)商存儲在遠程服務(wù)器中，且應用數據通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳輸，數據存儲和傳輸安全是一個(gè)重要的問(wèn)題。在實(shí)現云計算之前，首先應該解決由此帶來(lái)的安全問(wèn)題。論文描述了云計算中數據安全相關(guān)的挑戰，研究了對于數據安全不同層面的解決方案。
1 引言
云計算是基于下一代互聯(lián)網(wǎng)的計算系統，提供了方便和可定制的服務(wù)供用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)或者與其他云應用協(xié)同工作。云計算通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將云應用連接在一起，向用戶(hù)提供了在任意地點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)和存儲數據的服務(wù)。
通過(guò)選擇云服務(wù)，用戶(hù)能夠將本地數據副本存儲在遠端云環(huán)境中。在云環(huán)境中存儲的數據能通過(guò)云服務(wù)提供商提供的服務(wù)進(jìn)行存取。在云計算帶來(lái)方便的同時(shí)，必須考慮數據存儲的安全性。如今云計算安全是一個(gè)值得注意的問(wèn)題。如果對數據的傳輸和存儲不采取合適的手段，那么數據處于高風(fēng)險的環(huán)境中，關(guān)鍵數據泄露可能造成非常大的損失。由于云服務(wù)向公共用戶(hù)群提供了訪(fǎng)問(wèn)數據的功能，數據存儲可能存在高風(fēng)險問(wèn)題。在后續章節中，本文首先介紹了云計算模型，然后針對云計算本身的屬性帶來(lái)的信息安全問(wèn)題，研究了已有數據安全解決方案的應用范圍。
2 云計算應用模式
云計算的應用模式主要有軟件即服務(wù)(SaaS)、平臺即服務(wù)(PaaS)、基礎設施即服務(wù)(IaaS)等。在SaaS中，廠(chǎng)商提供服務(wù)供客戶(hù)使用，客戶(hù)使用服務(wù)在云基礎架構中運行應用。SaaS相對比較簡(jiǎn)單，不需要購買(mǎi)任何硬件，使用容易。但是數據全部保存在云端，且存放方式不受用戶(hù)控制，存在安全隱患。PaaS則通過(guò)使用云計算服務(wù)商提供的中間件平臺開(kāi)發(fā)和測試應用，例如谷歌的App Engine。由于不同的中間件平臺提供的API不一樣，同一個(gè)應用不能再不同的平臺通用，存在一定的兼容性問(wèn)題。在IaaS模型中，用戶(hù)可以控制存儲設備、網(wǎng)絡(luò )設備等基礎計算架構，或者直接使用服務(wù)商提供的虛擬機去滿(mǎn)足特定的軟件需求，靈活性高但是使用難度也比較大。
隨著(zhù)云計算的蓬勃發(fā)展，云計算安全作為不能忽視的層面，應該引起足夠的重視。如果對數據的傳輸和存儲不采取合適的手段，那么數據將處于高風(fēng)險的環(huán)境中。由于云計算向用戶(hù)群提供了訪(fǎng)問(wèn)數據的功能，不論采用三種主要應用模式的任意一種，數據都存儲在公共平臺中，由此帶來(lái)了數據存儲和傳輸的安全問(wèn)題。
3 數據安全挑戰
3.1 數據保障
當多個(gè)用戶(hù)共享同一個(gè)資源的時(shí)候存在資源誤用的風(fēng)險。為了避免這個(gè)風(fēng)險，有必要對數據存儲、數據傳輸、數據處理等過(guò)程實(shí)施安全方面的措施。數據的保護是在云計算中最重要的挑戰。為了加強云計算的安全，有必要提供認證授權和訪(fǎng)問(wèn)控制的手段確保數據存儲的安全。數據安全的主要幾個(gè)方面：健壯性——使用測試工具檢查數據的安全脆弱性，查看云計算應用是否有常見(jiàn)的漏洞，比如跨站腳本、SQL注入漏洞等;保密性——為了保護客戶(hù)端數據的安全，應當使用資源消耗少的瘦客戶(hù)端，盡量將客戶(hù)端的功能精簡(jiǎn)，將數據的運算放置在云服務(wù)端完成;可用性——數據安全中最重要的部分，具體實(shí)施情況由廠(chǎng)商和客戶(hù)直接協(xié)商決定。以上措施決定了數據的可用性、可靠性和安全性。
3.2 數據正確性
在保證數據安全的同時(shí)也要保證數據的正確性。每個(gè)在云計算中的事務(wù)必須遵守ACID準則保持數據的正確性。否則會(huì )造成數據的“臟讀”，“幻讀”等現象，造成數據的不準確，事后排查花費的代價(jià)高。大多數Web服務(wù)使用HTTP協(xié)議都面臨著(zhù)事物管理的問(wèn)題。HTTP協(xié)議本身并不提供事務(wù)的功能，事務(wù)的功能可以使用程序內部的機制解決。
3.3 數據訪(fǎng)問(wèn)
數據訪(fǎng)問(wèn)主要是指數據安全訪(fǎng)問(wèn)管理機制。在一個(gè)公司中，應根據公司的安全條例，給予不同崗位職工特定數據的訪(fǎng)問(wèn)權限，保證該數據不能被公司的其他員工訪(fǎng)問(wèn)�？梢允褂眉用芗夹g(shù)保證數據傳輸安全，采取令牌管理手段提升用戶(hù)密碼的猜解復雜程度。
3.4 保密性
由于在云環(huán)境中，用戶(hù)將文本、視頻等數據存儲在云端，數據保密性成為了一個(gè)重要的需求。用戶(hù)應該了解保密數據的存放情況和數據的訪(fǎng)問(wèn)控制實(shí)施情況。
3.5 數據隔離
云計算的重要特征之一是多用戶(hù)租用公共服務(wù)或設備。由于公用云向所有用戶(hù)提供服務(wù)的特點(diǎn)，存在數據入侵的可能。通過(guò)注入代碼等手段，可能造成云端存儲的數據被非授權獲取。所以有必要將用戶(hù)數據和程序數據分開(kāi)存儲，增加數據被非授權獲取的難度。通�？梢酝ㄟ^(guò)SQL注入、數據驗證等方式驗證潛在的漏洞是否存在。
3.6 數據備份
云端數據備份主要目的是在數據意外丟失的情況下找。數據丟失是一個(gè)很普遍的問(wèn)題，一份2009年的調查表明，66%的被訪(fǎng)者聲稱(chēng)個(gè)人電腦的文件存在丟失情況。云端數據備份還可以方便將數據恢復到某個(gè)時(shí)期的版本。云計算作為公用服務(wù)，已有大量用戶(hù)使用網(wǎng)盤(pán)將數據副本存儲在云端，但是還有很多應用的業(yè)務(wù)數據未在用戶(hù)本地設備中存儲。無(wú)論云端存儲數據的性質(zhì)，云端都應定時(shí)將存儲的數據備份，保障云服務(wù)的正常運行。
3.7 法律法規風(fēng)險
在云計算中，數據有可能分布存儲在不同的國家和地區中。當數據被轉移到其他的國家和地區中后，必須遵守當地的法律法規。所以在云計算中，存在數據放置地理位置的問(wèn)題，客戶(hù)應當知曉數據存儲的地理位置防范風(fēng)險。
4 數據安全解決方案
對于數據安全問(wèn)題，需要方案解決云環(huán)境中數據潛在的風(fēng)險。其中由于云環(huán)境的公用特性，數據保密應當作為主要解決目標。針對上節的數據保障、正確性、訪(fǎng)問(wèn)等問(wèn)題，多位云計算安全專(zhuān)家在不同層面已先后提出了幾套完整的解決方案，其目標主要是保證云環(huán)境中數據共享的安全性。在不可信的公共云環(huán)境中，數據共享的同時(shí)保證數據對第三方的保密性。
4.1 基本方案
數據加密是一個(gè)比較好的保證數據安全的方案。在云端存儲數據之前最好能先加密數據。數據的擁有者能將數據的訪(fǎng)問(wèn)權給予特定的用戶(hù)群體。應當設計一個(gè)包括認證、數據加密、數據正確性、數據恢復等功能的模型去保證數據在云端的安全。
為了保證數據不能被非授權訪(fǎng)問(wèn)，將數據加密使其完全對于其他用戶(hù)無(wú)法解析是一個(gè)比較好的方法。在上傳數據到云端之前，建議用戶(hù)驗證數據是否在本地有完整的備份，可以通過(guò)計算文件的哈希值來(lái)驗證數據是否一致。數據傳輸應當采用加密方式，防止敏感信息被中間人監聽(tīng)。SaaS要求必須在物理層面和應用層面將不同用戶(hù)的數據隔離�？梢允褂貌捎没诮巧脑L(fǎng)問(wèn)控制或者是自主訪(fǎng)問(wèn)控制，以及分布式的訪(fǎng)問(wèn)控制架構控制云計算中的數據訪(fǎng)問(wèn)。一個(gè)設計良好的訪(fǎng)問(wèn)控制機制可以極大地保護數據的安全，還可以采用入侵防御系統實(shí)時(shí)監測網(wǎng)絡(luò )入侵。入侵防御系統主要功能為識別可疑行為，記錄行為的詳細信息并試圖阻止。
上述基本方案可以解決數據保障、數據正確性、數據訪(fǎng)問(wèn)及保密性等問(wèn)題。但是，在實(shí)際應用中沒(méi)有考慮效率，僅僅作為基本手段不能滿(mǎn)足用戶(hù)云環(huán)境數據共享的特定需求。
4.2 屬性基加密
屬性基加密(Attribute-based Encryption)相對于傳統的公用密鑰加密具有很大的優(yōu)勢。傳統的公用密鑰加密采用公私鑰對，公鑰加密的信息只能用私鑰解密，保證了僅有接收人能得到明文;私鑰加密的信息只能用公鑰解密，保證了信息的來(lái)源。公鑰基礎設施體系和對稱(chēng)加密方式相比，解決了信息的保密性、完整性、不可否認性問(wèn)題。屬性基加密則在公用密鑰加密的基礎上，更多考慮了數據共享和訪(fǎng)問(wèn)控制的問(wèn)題。在屬性基加密系統中，密鑰由屬性集合標識。僅當公私鑰對指定的屬性相同或者具有規定的包含關(guān)系時(shí)，才能完成解密密文。例如，用戶(hù)如果為了數據安全將文檔加密，但是需要同公司的人能解密該密文，那么可以設置密鑰的屬性位“組織”，只有屬性位“組織”為該用戶(hù)公司的密鑰才能將該密文解密，不滿(mǎn)足條件的密鑰則不能解密，如圖1所示。
屬性基加密分為密鑰策略(KP-ABE)和密文策略(CP-ABE)。KP-ABE模式中，密文具有屬性集合，解密密鑰則和訪(fǎng)問(wèn)控制策略關(guān)聯(lián)。加密方定義了能成功解密密文的密鑰需要滿(mǎn)足的屬性集合。KP-ABE模式適用于用戶(hù)查詢(xún)類(lèi)應用，例如搜索、視頻點(diǎn)播等。CP-ABE模式中，加密方定義了訪(fǎng)問(wèn)控制策略，訪(fǎng)問(wèn)控制策略被包含在密文內，而密鑰僅僅是屬性的集合。CP-ABE模式主要適用于訪(fǎng)問(wèn)控制類(lèi)應用，例如社交網(wǎng)站、電子醫療等。
屬性基加密方式，不僅可以應用在云存儲共享中，在審計日志共享方面也有很廣泛的應用。審計日志共享大都存在時(shí)間段的限制，屬性基加密方式可以在密文中添加時(shí)間屬性位和用戶(hù)屬性，提供對不同用戶(hù)共享不同時(shí)間段日志的功能。屬性基加密緊密結合了訪(fǎng)問(wèn)控制的特性，在傳統公用密鑰的基礎上，提高了數據共享的方便程度。
屬性基加密雖然提高了數據共享的方便程度，但是沒(méi)有從根本上解決云環(huán)境數據加解密過(guò)程中，解密為明文導致的敏感數據泄露問(wèn)題。
4.3 代理重加密
由于云環(huán)境是公用的，用戶(hù)無(wú)法確定服務(wù)提供商是否嚴格的將用戶(hù)資料保存，不泄露給第三方。所以，當用戶(hù)之間有在云環(huán)境中共享資料的需求時(shí)，必須考慮資料的保密性問(wèn)題。
用戶(hù)A希望和用戶(hù)B共享自己的數據，但是不希望直接將自己的私鑰Pa給B，否則B能直接用Pa解密自己采用私鑰加密的其他數據。對于這種情況，有一些解決方案。
(1)用戶(hù)A將加密數據從云端取回，解密后通過(guò)安全方式(例如采用用戶(hù)B的公鑰加密)發(fā)送給用戶(hù)B。這種方式要求用戶(hù)A必須一直在線(xiàn)，存在一定的局限性，并且數據量比較大時(shí)，本地耗費的'計算量可能非常大。
(2)用戶(hù)A可以將自己的私鑰給云服務(wù)提供商，要求提供數據共享的服務(wù)。在這種情況中，用戶(hù)A必須相信云端不會(huì )將私鑰泄露。
(3)用戶(hù)A可以采用一對一加密機制。A將解密密鑰分發(fā)給每個(gè)想共享數據的用戶(hù)，A必須針對每個(gè)用戶(hù)生成并存儲不同的加密密鑰和密文。當新用戶(hù)數量很多時(shí)，這個(gè)方案造成了磁盤(pán)空間的大量占用，存儲數據冗余度高。
代理重加密(Proxy Re-Encryption)手段可以很好的解決云環(huán)境數據共享的問(wèn)題。代理重加密手段設立了一個(gè)解密代理。首選A由私鑰Pa和B的公鑰Pb計算出轉換密鑰Rk。轉換密鑰可以直接將由私鑰Pa加密的密文轉加密為由公鑰Pb加密的密文。在轉換過(guò)程中，A的原始密文不會(huì )解密為明文，而轉加密后的密文也只能由用戶(hù)B解密。當用戶(hù)B想訪(fǎng)問(wèn)A共享的資料時(shí)，只需要解密代理使用Rk將A的密文轉換為只有B能解密的密文即可。這種機制保證了包括云在內的所有第三方都不能獲取A共享給B的明文，如圖2所示。
代理重加密解決了云環(huán)境中數據共享而不泄露明文的基本問(wèn)題，側重于數據的保密。該技術(shù)手段關(guān)注數據的保密性，未考慮實(shí)際應用中數據共享方便程度等其他問(wèn)題。
4.4 基于代理重加密的屬性基加密方法
代理重加密技術(shù)可以和在云存儲中使用的屬性基加密機制結合，屬性基加密側重于加密方面的訪(fǎng)問(wèn)控制，而代理重加密從加密手段上保證了數據的隱秘性。通過(guò)將這兩種機制結合，用戶(hù)可以更加高效的分享數據。數據擁有者可以根據新的訪(fǎng)問(wèn)控制規則生成轉換密鑰，然后將轉換密鑰上傳至云服務(wù)器，服務(wù)器將原有的密文轉加密為新的密文。新的密文在不影響原有用戶(hù)解密的情況下，可以使新用戶(hù)成功解密。而在轉換原有密文的整個(gè)過(guò)程中，服務(wù)器無(wú)法將密文解密為明文。
該類(lèi)加密方法既保證了轉換效率，又保證了數據的保密性。此類(lèi)方法中，不考慮抗選擇密文攻擊的算法計算轉換密鑰的資源消耗相對較小，考慮了抗選擇密文攻擊的算法資源消耗量和密鑰屬性基的大小正相關(guān)。
5 結束語(yǔ)
雖然云計算是一個(gè)帶來(lái)了很多益處給用戶(hù)的新興技術(shù)，但它也同時(shí)面臨著(zhù)很多安全方面的挑戰。本文說(shuō)明了云計算方面的安全挑戰和對應的解決方案，從而降低云計算可能帶來(lái)的安全風(fēng)險。為了保證云存儲的安全訪(fǎng)問(wèn)，在技術(shù)層面，可以采用健壯的數據加密機制;在管理層面，采用合適的令牌管理機制，分發(fā)令牌給用戶(hù)從而保證數據只能被授權的訪(fǎng)問(wèn)。隨著(zhù)云計算的普及，相信云服務(wù)提供商和用戶(hù)對于云環(huán)境數據安全方面會(huì )越來(lái)越重視。在相關(guān)安全策略實(shí)施后，云計算能在提供良好服務(wù)的同時(shí)，讓用戶(hù)使用更加放心。
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