云环境下的数据多副本安全共享与关联删除方案

熊金波，沈薇薇，黄阳群，姚志强

（福建师范大学 软件学院，福建 福州 350108）

1 引言

云计算的飞速发展促使人类社会逐步信息化，每天都有数以亿计用户的私密邮件、文件等隐私数据存储到云环境中。由于用户数据被分享到云环境中，授权用户或云服务提供商的再次分享、下载或转存到其他云服务提供商中等操作不可避免地会产生多个数据副本文件，使被广泛传播的用户数据不再受到数据拥有者的约束与管控，如访问时间段等不受控制。当用户数据到达其存储期限需要被删除时，如果缺乏有效的数据多副本关联删除机制，则该用户数据的其他副本得不到有效删除，这不仅造成存储空间的极大浪费，而且导致用户数据滥用和隐私泄露等问题，严重影响社会稳定，甚至危害国家安全。因此如何对这些涉及隐私信息的用户数据及其产生的数据副本实施安全有效的保护和关联删除是迫切需要解决的问题。

本文针对云环境下数据多副本的安全共享与关联问题，提出一种能够有效解决因授权用户或服务提供商分享、下载、转存等操作所产生的数据多副本关联删除问题的方案，保障用户数据的隐私安全并实现数据多副本的关联删除。

2 目标、模型与假设

本方案的设计目标在于设定一种封装有用户数据和访问权限属性的数据结构—副本关联对象(RAO, replication associated object)，使RAO在其存储期限内能够遵循访问权限约束，并实现访问期限过期后的用户数据多副本的自动关联删除，有效保护用户隐私安全。

本方案设计的系统模型如图1所示，数据拥有者首先通过客户端将待分享数据进行加密等操作封装成RAO后共享到CSP，随后RAO副本可能通过 CSP以数据备份或用户转存等方式存储到其他CSP中；授权用户通过CSP下载到RAO副本后再进行解析解密等操作，最终获取用户数据明文。

图1 系统模型

为实现方案设计目标，现做如下安全假设[1,2]。

1) 数据拥有者、授权用户、授时中心和密钥授权中心可信。数据拥有者是 RAO的创建者，是可信的；授权用户不会主动泄露自己的私钥信息或传播已解析出的用户数据明文；授时中心作为提供可信时间戳的第三方服务器，不会提供虚假时间参考；密钥授权中心负责验证用户身份并提供授权用户的私钥，不会主动泄露用户的私钥信息。

2) 云服务商(CSP, cloud service provider)之间、CSP与客户端之间存在安全通信协议。CSP之间、CSP与客户端之间预先设定安全通信协议，能够识别处理双方发送的消息指令并做出相应操作，如客户端能够正确识别并执行 CSP所发送的删除目标RAO指令。

3 方案构造

本方案将对称加密算法、基于属性的加密算法和副本定位技术相结合，提出一种云环境下的数据多副本安全共享与关联删除方案，能够有效保护用户的隐私安全，并实现副本的关联删除。具体地，数据拥有者首先通过客户端将待分享数据进行加密等操作封装成RAO后上传到CSP进行存储，随后 RAO副本可能通过数据备份或用户转存等方式存储到其他 CSP并在其副本目录中做相应信息记录；授权用户下载到 RAO副本后再进行解析解密等操作，最终获取用户数据明文。

为实现数据多副本关联删除，本文在文献[3]的基础上设计出如下副本关联模型。

通过副本目录[3]记录云存储系统中所有副本的相关信息，即每个存储服务器中都存储有副本目录，记录有用户分享的RAO所产生的所有副本相关信息，包括RAO副本的逻辑文件名[3]、物理文件名[3]和存储期限T'。本方案中使用RAO副本的散列摘要值[4]作为逻辑文件名，确保存储在服务器上的所有相同 RAO副本拥有全局的唯一标识符；使用RAO副本存储在CSP或客户端中的物理路径和CSP编号或客户端编号作为RAO的物理文件名。

同时每个服务器设定有副本目录的同步机制和监测机制：同步机制用于时刻记录 RAO产生或删除副本的操作行为，一旦产生新的 RAO副本，则副本目录同时更新，记录该 RAO副本的物理文件名等相关信息；监测机制用于监测副本目录中记录的存储期限，一旦存储期限过期则对该 RAO副本进行删除。

本方案的基本工作原理如图2所示，主要分为3个阶段。

第1个阶段为RAO的封装及存储阶段，该阶段具体工作原理可由6个算法描述。

1)Encrypt(Data,key)→C，通过使用对称密钥key加密数据拥有者待分享的原始数据Data，得到数据密文C，本文使用对称加密算法AES进行实验分析。

2)ABEEncrypt(key,kpub)→Ck，通过公钥kpub对对称密钥key进行属性加密，得到密钥密文Ck，本文使用ABE基于属性加密算法进行实验分析。

3)Encapsulate(C,Ck,T)→RAO，数据拥有者指定数据访问期限T，结合前面步骤所获得的数据密文C和密钥密文Ck使用算法Encapsulate将其封装成副本关联对象RAO并上传到CSP中进行存储，同时设置RAO在CSP中的存储期限T'。

图2 方案基本工作原理

4)Hash(RAO)→LFN，CSP接收到RAO后，通过使用散列算法计算出 RAO副本的摘要值作为RAO的逻辑文件名LFN，确保存储在CSP上的所有相同RAO副本拥有全局唯一标识符。

5)AddRecord(LFN,PFN,Deadline)，使用副本目录记录算法在 CSP存储的副本目录上记录数据拥有者上传的RAO副本的相关信息：逻辑文件名、物理文件名、存储期限，其中物理文件名由 RAO存储的物理路径和其CSP编号构成。

6)Feedback(LFN,PFN)，当授权用户或CSP对RAO副本进行备份或转存到下级CSP时，下级CSP将该RAO副本的相关信息存储到自身的副本目录，并将物理文件名反馈给上级CSP进行记录，实现数据多副本的关联。

第2个阶段为解封装阶段，该阶段具体工作原理可由4个算法描述。

1)Verify(RAO,Tnow)，当授权用户对RAO副本进行访问时，算法Verify首先对RAO副本进行解析获得访问期限，随后使用从授时中心处获取到的可信时间Tnow对RAO的访问期限进行验证，若当前可信时间处于RAO访问期限之前，则停止RAO的解析；若当前可信时间处于RAO访问期限之后，则进入删除阶段，对该 RAO副本进行删除；若当前可信时间处于 RAO访问期限之间，则继续对RAO进行解析获取数据密文C和密钥密文Ck。

2)Decapsulate(RAO)→C,Ck，当 RAO 的访问期限通过验证后，算法Decapsulate对RAO进行进一步解析获取数据密文C和密钥密文Ck。

3)ABEDecrypt(Ck,kpri)→key，授权用户从密钥授权中心处获取私钥kpri后，对密钥密文Ck进行解密获得对称密钥key。

4)Decrypt(C,key)→Data，算法Decrypt使用对称密钥key对数据密文C进行解密，最终获得用户数据明文Data。

第3个阶段为删除阶段，该阶段具体工作原理可由4个算法描述。

1)CSPDelete(t)，CSP中，算法CSPDelete以当前可信时间作为输入，时刻对其存储的副本目录进行检索，若存储 RAO副本的存储期限已过期，即当前时间t晚于存储期限时，则算法获取该RAO在该CSP中的物理文件名并对RAO进行删除。

2)Instruct(LFN)算法，根据RAO副本的逻辑文件名对副本目录进行检索，查找存储有该 RAO副本的下级CSP并向其发送删除指令。

3)DeleteFeedback(PFN)，下级CSP接收到上级CSP发送的删除指令，并对RAO副本进行删除后，通过算法DeleteFeedback将所删除的RAO副本的物理文件名反馈给上级CSP，上级CSP接收到反馈后将调用算法DeleteRecord进行相关操作。

4)DeleteRecord(PFN)，当CSP成功删除RAO副本后，算法DeleteRecord对副本目录进行修改，即删除本次RAO副本存储在CSP中的相关记录信息。

4 综合评价与安全性分析

4.1 综合评价

与已有的云环境下用户数据在其全生命周期[5]内隐私安全保护与安全删除方案相比，文献[6～8]采用密钥集中管理方式，依赖加密算法的安全性和密钥安全管理来保障用户数据的隐私不被侵犯，文献[1,2,9～13]采用密钥分散管理方式，利用DHT网络节点周期性更新的特性实现用户数据自动删除，以此来保障用户隐私安全，但存在用户不能自定义共享数据的访问期限的局限性，而且其大部分密文并没有被真正删除，造成空间资源浪费的同时也依旧存在密文被非法获取并强力破解的隐患。针对以上方案的局限性，文献[14]所提方案能够使用户自定义控制数据访问期限，并且在访问期限到期时直接删除密文数据，释放存储空间，但以上所提方案的访问或存储期限控制仅作用于单一数据副本，并不能对数据所产生的其他副本产生作用，即这些方案并未涉及数据多副本关联删除。而本文所提方案则能够较好地解决这些问题，通过对用户数据进行加密处理保障用户隐私安全，通过数据拥有者自定义设置访问期限和存储期限使用户数据在超过访问期限后被删除，通过副本关联机制对数据副本进行关联管理，结合副本定位技术[15]和副本删除技术[16]，实现在源数据被删除后，其产生的副本数据能够被关联删除的设计目标。

4.2 安全性分析

在本文的安全假设中，假设数据拥有者、授权用户和密钥授权中心可信，不会主动泄露用户私钥信息或传播用户数据明文，而CSP作为非可信第三方服务器，可能遭到敌手非法攻击泄露RAO副本，即攻击者非法持有 RAO副本并企图通过强力攻击的方法获取数据明文，因此本方案的安全性依赖于所采用的数据加密算法(即对称加密算法AES和基于属性加密算法ABE)的安全性。

本方案在封装 RAO前首先对用户待分享数据进行对称加密获得数据密文，所使用的对称密钥通过 ABE加密算法进行加密获得密钥密文，随后将数据密文与密钥密文和访问期限进行组合封装最终获得RAO。因此假设攻击者获得RAO副本，首先需要对 RAO进行解析，成功分离出数据密文后才能进行强力攻击或密码分析攻击。而 ABE算法是可证明安全的[17]，在多项式时间内无法破解密钥密文获得对称密钥信息并对数据密文进行解密，而AES算法的攻击复杂度依赖于分组长度和密钥长度，假设AES算法采用的密钥长度为1 024 bit，则对其密文进行强力攻击也需要耗费成千上万年，因此理论上攻击者无法获取原始密文，本方案是安全的，能够有效保护用户的隐私安全。

5 结束语

本文设计了一种云环境下的数据多副本安全共享与关联删除方案，能够实现云环境下的数据多副本的安全存储与共享，并实现副本关联删除，使在数据拥有者删除存储在云服务端上的原始数据后，其他存储有该数据副本的云服务端能够自动删除该数据副本。同时该方案能够实现控制数据副本的访问期限和存储期限，有效保障用户数据的隐私安全。

进一步研究工作的重点主要为：结合Hadoop[18]开发出一个云环境下数据多副本安全共享与关联系统，对本方案进行更全面的仿真实验测试，对本方案中的副本关联模型进行完善，制定最优副本管理策略并提高副本定位与选择效率，最终对本方案进行优化并尝试推广使用。

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