0 引言

在信息技術(shù)時(shí)代，云存儲(chǔ)技術(shù)代表了計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域的最新發(fā)展趨勢(shì)。存儲(chǔ)空間容量大、攜帶便捷、安全系數(shù)高的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)產(chǎn)品，具有非常廣泛的市場(chǎng)需求。存儲(chǔ)系統(tǒng)在部署的過程中主要面向的是多節(jié)點(diǎn)、多用戶、多類型網(wǎng)絡(luò)的開放式運(yùn)行環(huán)境，系統(tǒng)在向用戶方提供高實(shí)時(shí)性與完整性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)的同時(shí)，還要確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全與保密。在設(shè)計(jì)一個(gè)成熟的、具有實(shí)用效能的開放式云存儲(chǔ)系統(tǒng)的過程中，必須有效地解決數(shù)據(jù)在云存儲(chǔ)服務(wù)器集群中的可靠性與完整性驗(yàn)證問題。

1 開放式云存儲(chǔ)技術(shù)概述

開放式云存儲(chǔ)技術(shù)是云計(jì)算概念的發(fā)展與更新，較之云計(jì)算系統(tǒng)，它的存儲(chǔ)容量更為龐大，數(shù)據(jù)訪問更為安全，其核心理念是構(gòu)建一個(gè)將多種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)相融合，整合各類存儲(chǔ)資源在網(wǎng)絡(luò)中提供用戶隨時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)存取的服務(wù)平臺(tái)。開放式云存儲(chǔ)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)視為一種服務(wù)，顛覆了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)理念。

開放式云存儲(chǔ)系統(tǒng)的架構(gòu)自頂向下分為四層，分別是：訪問層（AL）、應(yīng)用接口層（AIL）、基礎(chǔ)管理層（BML）、最底層（SL層）。訪問層定義了經(jīng)過授權(quán)的用戶登錄云存儲(chǔ)服務(wù)系統(tǒng)的方式，為不同類型的用戶提供相應(yīng)的系統(tǒng)登錄服務(wù)；應(yīng)用層負(fù)責(zé)為用戶提供云存儲(chǔ)平臺(tái)的接入口，實(shí)現(xiàn)與客戶端的數(shù)據(jù)交互；基礎(chǔ)管理層是四層架構(gòu)中的核心，在與底層物理層相銜接，負(fù)責(zé)硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)管理工作的同時(shí)，還為應(yīng)用層要求的數(shù)據(jù)服務(wù)提供安全保障，例如數(shù)據(jù)加密、訪問權(quán)限驗(yàn)證、備份冗余管理、數(shù)據(jù)恢復(fù)等；最底層是云服務(wù)系統(tǒng)的物理層，集合了大量存儲(chǔ)設(shè)備用于存儲(chǔ)各類數(shù)據(jù)。SL層負(fù)責(zé)對(duì)這些物理位置分散的存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一的管理與日常維護(hù)。

2 開放式云存儲(chǔ)平臺(tái)上的數(shù)據(jù)完整性檢查機(jī)制

云數(shù)據(jù)的完整性保護(hù)主要指的是當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)存儲(chǔ)錯(cuò)誤、意外改寫的問題，通過一定的保護(hù)策略能對(duì)數(shù)據(jù)及時(shí)恢復(fù)以保證數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期有效性。

數(shù)據(jù)完整性檢查是指用戶每次從云存儲(chǔ)系統(tǒng)中下載到所需文件后，云系統(tǒng)都會(huì)對(duì)文件進(jìn)行常規(guī)性的檢查，以確保用戶所需信息的正確完整，從而保證云存儲(chǔ)系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。其實(shí)現(xiàn)方式為，在用戶上傳數(shù)據(jù)文件時(shí)首先對(duì)文件進(jìn)行分割，將分割后文件塊分別進(jìn)行計(jì)算生成若干個(gè)校驗(yàn)值，將這些校驗(yàn)值構(gòu)建成樹型結(jié)構(gòu)，本地計(jì)算機(jī)上僅保存根節(jié)點(diǎn)上的校驗(yàn)值，其他校驗(yàn)值附加在文件中一起上傳。當(dāng)用戶下載文件時(shí)，每下載完一個(gè)文件塊后立即進(jìn)行一次比對(duì)，當(dāng)文件下載完成時(shí)，校驗(yàn)工作也幾乎能夠同時(shí)完成。

3 數(shù)據(jù)可信認(rèn)證計(jì)算結(jié)構(gòu)ADS

根據(jù)上文所述可知，最初的數(shù)據(jù)完整性驗(yàn)證主要是由用戶下載到本地后再進(jìn)行驗(yàn)證的，但這種方式顯然并不適合應(yīng)用在云存儲(chǔ)系統(tǒng)這類的大型的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，用戶頻繁的數(shù)據(jù)下載會(huì)造成巨大的通信開銷。因此基于云存儲(chǔ)服務(wù)平臺(tái)上的數(shù)據(jù)完整性驗(yàn)證提出了由第三方代理來完成驗(yàn)證的方法——認(rèn)證數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

認(rèn)證數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) ADS是基于認(rèn)證字典技術(shù)基礎(chǔ)之上的專用于分布式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)外包結(jié)構(gòu)認(rèn)證技術(shù)。云存儲(chǔ)平臺(tái)的提供的數(shù)據(jù)服務(wù)主要包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)響應(yīng)兩大部分，為了更好的提高系統(tǒng)性能，保證服務(wù)質(zhì)量，通常會(huì)將數(shù)據(jù)響應(yīng)服務(wù)外包給數(shù)據(jù)發(fā)布代理方來負(fù)責(zé)。這樣一來數(shù)據(jù)發(fā)布代理方必須提供可靠的數(shù)據(jù)完整性驗(yàn)證結(jié)果以使用戶能夠?qū)υ破脚_(tái)的數(shù)據(jù)服務(wù)足夠信任，認(rèn)證數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)技術(shù)由此出現(xiàn)。

數(shù)據(jù)認(rèn)證結(jié)構(gòu)模型 ADS包括三個(gè)角色：可信的數(shù)據(jù)源擁有者、被提供數(shù)據(jù)服務(wù)的用戶、不可信的數(shù)據(jù)響應(yīng)服務(wù)代理方。當(dāng)用戶發(fā)出數(shù)據(jù)查詢請(qǐng)求后，由數(shù)據(jù)響應(yīng)代理方負(fù)責(zé)響應(yīng)提供數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)完整性證明，并負(fù)責(zé)對(duì)用戶的一系列數(shù)據(jù)查詢、更新操作進(jìn)行控制。ADS的數(shù)據(jù)查詢驗(yàn)證過程分三步驟完成：

（1）可信的數(shù)據(jù)源所有者針對(duì)其數(shù)據(jù)集的結(jié)構(gòu)利用哈希值算法生成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征值，當(dāng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)集有任意一處發(fā)生變化都會(huì)導(dǎo)致特征值的改變。

（2）通過身份驗(yàn)證算法驗(yàn)證數(shù)據(jù)響應(yīng)代理方的身份合法性，首先由數(shù)據(jù)源擁有者生成公私鑰對(duì)，其中私鑰會(huì)隨時(shí)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，每隔一段時(shí)間數(shù)據(jù)源方就會(huì)將改變的私鑰發(fā)送給響應(yīng)者，響應(yīng)者通過私鑰不時(shí)與數(shù)據(jù)源的公鑰進(jìn)行配對(duì)驗(yàn)證以確保響應(yīng)者的身份合法。

（3）當(dāng)用戶提出數(shù)據(jù)查詢請(qǐng)求后，響應(yīng)者將進(jìn)行一系列的數(shù)據(jù)完整性、真實(shí)性、一致性的驗(yàn)證，并給出現(xiàn)數(shù)據(jù)證明。

通過ADS的工作過程描述可以看出ADS技術(shù)發(fā)展的核心問題在于數(shù)據(jù)驗(yàn)證所涉及各類算法的設(shè)計(jì)架構(gòu)是否合理、完善，既能提供可靠的數(shù)據(jù)驗(yàn)證，又能便于實(shí)現(xiàn)。在ADS模型架構(gòu)中引入“簽名攤銷”技術(shù)很好的改善了這類問題，它為數(shù)據(jù)集中每一個(gè)數(shù)據(jù)塊都分配一個(gè)簽名ID，再通過加密算法提取每一個(gè)ID生成整個(gè)數(shù)據(jù)集的特征值，通過對(duì)這個(gè)特征值的驗(yàn)證既可確保整個(gè)數(shù)據(jù)集的完整性。在完成了用戶端數(shù)據(jù)驗(yàn)證的同時(shí)，服務(wù)器端系統(tǒng)上存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)再收到用戶的訪問請(qǐng)求時(shí)還需要服務(wù)系統(tǒng)能夠給出數(shù)據(jù)持有性證明，即向用戶證明數(shù)據(jù)源的合法持有者始終安全的持有文件所有權(quán)。ADS技術(shù)框架中針對(duì)云存儲(chǔ)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)持有性驗(yàn)證提供了專用的驗(yàn)證方案——ADSP（驗(yàn)證策略，通過可信的隱藏第三方來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)持有性檢測(cè)審查。其顯著優(yōu)勢(shì)在于負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)驗(yàn)證的第三方具備數(shù)據(jù)防篡改功能，屬于可信的驗(yàn)證方；驗(yàn)證算法進(jìn)一步得到了優(yōu)化，在支持公開審計(jì)的同時(shí)兼顧了用戶個(gè)人數(shù)據(jù)的私密性需求；并具有減少系統(tǒng)開銷，保證系統(tǒng)性能的優(yōu)勢(shì)；數(shù)據(jù)驗(yàn)證方對(duì)于用戶的透明性，作為隱蔽的第三方，用戶在交互時(shí)不可見，隱蔽性強(qiáng)可預(yù)防非法用戶的惡意攻擊，也簡(jiǎn)化了系統(tǒng)架構(gòu)。ADSP的物理架構(gòu)總體分為兩大部分：用戶端和云端，云端部分又被邏輯劃分為兩個(gè)區(qū)域：信任區(qū)域和不信任區(qū)域。其中數(shù)據(jù)源的持有者SSP處于不信任區(qū)域，當(dāng)用戶端向SSP發(fā)出數(shù)據(jù)操作請(qǐng)求后，SSP要先將數(shù)據(jù)源副本傳送至處于可信區(qū)域的數(shù)據(jù)驗(yàn)證系統(tǒng) DPC中完成數(shù)據(jù)持久性的審計(jì)驗(yàn)證并得出證明傳回至SSP端，由SSP端響應(yīng)用戶請(qǐng)求并將相關(guān)證明提供給用戶端。與其他的數(shù)據(jù)持有性驗(yàn)證方式相比，ADSP模型最大的區(qū)別在于它的驗(yàn)證方是隱式的，基于它的隱蔽性，基本可以確保在數(shù)據(jù)驗(yàn)證過程中審計(jì)日志不會(huì)發(fā)生泄漏，不會(huì)受到攻擊者的惡意干擾和篡改驗(yàn)證結(jié)果。

在ADSP模型架構(gòu)中設(shè)置的數(shù)據(jù)持有性驗(yàn)證方是直接基于專用的硬件服務(wù)設(shè)備部署的，這類硬件服務(wù)設(shè)備由專門的生產(chǎn)廠商設(shè)計(jì)研發(fā)，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)防篡改功能。由于在ADSP模型中，數(shù)據(jù)驗(yàn)證的安全、可靠完全依賴于由硬件設(shè)備構(gòu)成的第三驗(yàn)證方來進(jìn)行維護(hù)，因此對(duì)這類硬件設(shè)備的安全防護(hù)能力的要求極為嚴(yán)格，它必須達(dá)到以下幾個(gè)方面的要求，才能被認(rèn)為是可靠的驗(yàn)證方設(shè)備。

首先對(duì)自身的安全維護(hù)要達(dá)到一個(gè)極高的標(biāo)準(zhǔn)，除生產(chǎn)廠商和認(rèn)證方以外的任何訪問者都無法對(duì)其進(jìn)行查詢和策略篡改；能夠很好的支持加密技術(shù)，對(duì)于常用的加密算法，諸如明碼加密、公鑰私鑰配對(duì)加密、數(shù)字簽名加密、哈希樹加密等算法都應(yīng)預(yù)先寫入到設(shè)備當(dāng)中；要有便于各類系統(tǒng)接入的接口，并設(shè)定有專用的安全口令集用于監(jiān)控接口狀態(tài)，防范惡意接入；最后在設(shè)備安全受到攻擊導(dǎo)致無法正常工作后，要能采取有效的數(shù)據(jù)保護(hù)措施最大限度的減少損失。目前市場(chǎng)上可應(yīng)用于云存儲(chǔ)系統(tǒng)的第三方驗(yàn)證設(shè)備主要有IBM公司開發(fā)的專用處理器系列、AMD可信硬件智能卡系列等。

4 結(jié)論

綜上所述，基于ADS模型架構(gòu)的可信計(jì)算是云服務(wù)中對(duì)于數(shù)據(jù)安全驗(yàn)證技術(shù)的一次重大變革，在充滿危險(xiǎn)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中利用專用防篡改硬件設(shè)備構(gòu)建安全隱秘的驗(yàn)證環(huán)境，最大程度的保障了數(shù)據(jù)安全，根據(jù)當(dāng)前的數(shù)據(jù)安全技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r來看，可以基于ADSP模型架構(gòu)的數(shù)據(jù)驗(yàn)證計(jì)算是可信的。未來如何能夠更好更全面的實(shí)現(xiàn)可信的安全驗(yàn)證計(jì)算還有待我們進(jìn)一步的研究探討。