基于HTML5、AJAX的文件分割上传与加密存储研究

（闽北职业技术学院 信息与工程系，福建 南平 353000）

随着网络存储应用越来越广泛[1]，传统的文件上传模式，遇到大文件上传时，容易造成服务器负载过大，同时，将文件以明文的方式存储在服务器，或简单的进行加密处理，一旦服务器遭遇黑客攻击，文件被非法窃取导致文件信息泄漏，其后果严重。因此，对如何有效减轻文件上传过程中服务器的负载，提高文件存储安全性的研究具有一定的先进性和实际应用价值。文献[2]中提出了一种文件分割上传的思路，文件分割块大小固定，针对服务器负载与分割上传耗时的冲突解决不够灵活，没有对文件分割上传的实现及文件类型验证进行说明。本文提出了一种基于HTML5、AJAX的文件分割上传方法，该方法使用HTML5中的File对象对文件进行分割，文件分割尺寸根据文件大小在区间范围内动态设置，降低服务器负载的同时，优化了分割上传的时间消耗，使用FormData对象进行文件异步上传，提升上传过程用户体验，在服务器端读取文件头信息对比验证文件类型，防止恶意上传。文献[3]中提出了文件加密分割、离散云存储，其核心是将文件加密分割后分散存储在多个云服务端，在客户端软件中实现文件块获取、解密、重组。该方案要求用户同时拥有多个云服务，且要求云服务开放文件读取接口，普及难度较大。文献[4]中提出了二次分割的新型文件分割技术，将分割后的文件块再次分割成数量相同的N个子块，根据相同编号拼接成最终的N个文件块，虽然打乱了文件顺序，但在加密环节不够深入，二次分割规则一旦被破解，文件安全难以保障。结合文献[3-4]中的优点，并充分考虑实际应用中的可行性与易用性，在本文的文件分割上传基础上，针对文件存储安全提出了一种将文件加密、分割、分散存储的方法。该方法使用AES算法结合动态密钥对文件进行加密、分割、分散存储，使用RSA算法加密密钥，由用户保存私钥，在下载时解密、合并文件，以二进制流分块输出的方法，并结合AES算法CPU加速和内存安全防护，进行性能提升与安全防护。

1 文件分割上传

1.1 文件分割

File对象，继承了Blob对象的属性和方法，可以将上传的文件通过slice方法进行本地分割，还扩展了一些新的属性[5]。File对象的主要属性及方法，见表1。

表1 File对象主要属性及方法

文件大小（fileSize）可通过File对象的size属性获得。分割块大小（cutSize）的设置需要综合考虑分块数量、服务器网速、服务器配置、并发用户预估峰值、客户端网速等因素。分割块越小，则块数越多，会增加上传处理时间，分割块太大，会影响分割上传的效果。为了平衡分割块大小与分割块数，增强文件分割的时效性、稳定性，提出了分割块大小的区间范围优先于预设块数的原则，对文件的分割块大小进行区间范围内的动态设置。cutSize取值的相关参数，见表2。

表2 cutSize取值的相关参数

根据分割块大小区间优先于预设块数的原则，cutSize的取值为：

分割块数（blockCount）与文件大小、分割块大小之间的关系为：

以表2的参考值为例，随着上传文件大小的变化，分割块大小、分割块数的变动走势，如图1所示。

图1 分割块大小、分割块数走势图

分割块索引（blockIndex）、 分割块的起始位置（start）、分割块的终止位置（end），则每一个分割块的分割起止位置值为：

1.2 异步上传文件

XMLHttpRequest Level 2新增FormData接口。可以利用FormData对象组装一组用 XMLHttpRequest发送请求的键/值对，还可以使用FormData对象异步上传文件[6]。Jquery中的ajax方法封装了异步的实现，上传文件时，需要将processData属性、contentType属性的值设置为false，否则会造成文件上传失败。

HTTP使用的是无连接协议，为了服务器能够识别出上传的文件、分割块顺序、是否上传完毕，要求异步提交的数据中包含文件唯一标识、分割块索引、分割块数。上传的文件最终经过加密后分散存储，为了安全，未加密的原文件在加密操作后执行删除，并使用数据库存储文件的分散路径。文件的唯一标识由服务器端生成，为了提高效率，可在服务器端处理第一个分割块时生成，并在回调结果中返回，供后继的分割块使用。文件分割上传过程，如图2所示。

图2 文件分割上传流程图

为了避免非法文件类型上传到服务器，需要对上传的文件类型进行验证。JS中File对象的type属性虽然可以获得文件的MIME类型，但基于JS的文件类型判断不可靠。由于使用文件分割、异步上传，在服务器端通过ContentType属性获取文件块的文件类型，得到的结果都是application/octetstream，无法区分不同的文件类型。经研究发现，文件的第一个分割块中包含了文件头信息，因此，可以使用文件头比对的方法来识别文件的类型。

客户端自定义方法PostFile(file,blockIndex)对文件分割上传进行操作，遍历上传每一个分割块，需要递归调用PostFile方法，为了进一步提高递归调用性能，采用了尾递归实现[7]。在ASP.NET中，服务器端可以使用一般处理程序进行实现，服务器端需要验证用户身份，避免非法用户恶意上传。

1.3 分割上传实验分析

将本文的文件分割上传方法与普通的文件上传方法进行实验对比，通过服务器性能分析器对文件上传过程中的主要参数进行监测，发现文件分割上传能够有效降低服务器内存负载，特别是在大文件上传时，效果更加明显。在2G的内存环境下，上传510M的文件，对内存对象的Pages/sec、Available MBytes进行实验对比，如图3所示。

图3 分割上传与普通上传对比(Pages/sec)

对实验结果进行分析，分割上传时，Pages/sec的平均值4.099、峰值203.993，可用内存稳定，上传所发费的时间较多。普通上传时，Pages/sec的平均值284.135、峰值10607,867，峰值出现在文件上传结束时，峰值持续时间较长，可用内存快速下降，之后快速回升，上传所发费的时间较少。文件分割上传所发费的时间较多，可通过调整表2中的分块最小值、分块最大值、预设块数，来实现性能和时间上的一个平衡。实验表明，本文所提出的文件分割上传方案能够有效降低服务器负载、性能稳定、设置灵活。

2 文件加密存储方案研究

在本文的文件分割上传基础上，对文件加密存储进行研究。主要包括加密方案的设计、算法的选择、性能的分析与安全防护。

2.1 文件加密存储改进

在文献[3-4]的基础上，提出改进的文件加密存储方案，改进后的文件加密存储及解密下载过程，如图4～5所示。

图4 文件加密存储流程图

图5 文件解密下载流程图

RSA算法在公开密钥加密和电子商业中应用普及。AES算法适合用于大数据加密，加密、解密速度快[8]，AES的详细说明请参见FIPS 197[9]，已被全世界广泛使用。针对RSA算法不适合大数据加密、AES算法密钥管理不安全的问题，可以有机融合两种算法进行取长补短[10-11]。因此，文件数据量较大，对加密速度有要求，使用AES算法加密，加密的密钥使用RSA算法加密，方便密钥管理。

文件的加密分割、分散存储、解密合并，使用自定义类Crypto进行封装实现。类Crypto的主要成员，如表3所示。

表3 类Crypto的主要成员

改进后的加密存储方案，主要优点表现如下：

（1）文件分割上传：降低上传过程服务器端负载，对浏览器的支持也更好。

（2）文件分散存储：随机分散存储文件，提高非法获取完整文件的难度。可以在同一台服务器分散存储，也可以在多个存储设备分散存储，可根据项目需求灵活设置。

（3）随机生成文件加密密钥：每一个文件的加密密钥都不一样，所有文件需要单独破解，较使用同一密钥加密，破解难度大大提升。

（4）密钥加密存储：提升了加密密钥的存储安全。

（5）公钥隔离存储：公钥单独存储，更安全。

（6）私钥的一部分由用户保存：私钥是解密文件的最后一环，一部分由用户保存，提高了私钥存储安全性的同时，也降低了私钥存储对用户的依赖性。

（7）二进制文件流分块输出：降低服务器负载。

改进后的文件加密存储方案，增加了少量的时间开销与成本投入，为了进一步增强私钥存储的安全性，对私钥进行分散管理[12]，让系统用户只保存私钥的一部分，较大程度的提高了文件存储的安全性。

2.2 性能分析与提升

方案中RSA算法用于对密钥进行加密，虽然速度较慢，但密钥数据量不多。AES算法用于对文件数据进行加密，其性能是关键。针对AES算法的三种密钥长度，进行文件加密速度测试，如图6所示。使用256位的密钥相比128位密钥，其耗时增加40%左右，加密100 MB的文件，时间只相差0.6秒。其耗时增加可以接受，为了提升安全性，方案中的AES算法密钥使用256位。

2010年，Intel发布了支持AES加速的CPU。对于非并行模式的 AES操作，如CBC加密，AES_NI可以获得2到3倍的性能，对于并行模式的AES操作，如CBC解密、CTR，AES_NI可以获得10X的性能[13]。方案中的服务器使用支持AES加速的CPU。

图6 文件加密时间对比

2.3 算法攻击与防护

针对RSA算法的攻击方法，主要是基于大数因数分解，已公开破译的密钥长度是768位。采用消除密钥中模n的分布方法，可以成功避免公钥和私钥中出现n,防止攻击者通过因子分解法分解出公钥中n的因子,推导出解密密钥，采用三因子的加密算法，加大了分解的困难性[14]。将传统RSA改进为四素数RSA的基础上，再运用数学变换进行参数替换，消除了在公钥中对传输两个随机素数的乘积n的需要，引入了一个新的参数x代替原参数n[15]。为了提升密钥被破译的难度，方案中的RSA算法使用2048位密钥。

针对AES算法的攻击手段主要包括：线性及差分分析、相关性分析、代数分析、立方体分析和旁路攻击，旁路攻击包括：电磁辐射分析、时序分析、差分故障分析、功耗分析。上海交大郁昱教授、以色列特拉维夫大学的Daniel Genkin等研究人员使用旁路攻击成功破解了AES加密。实际应用中，服务器环境的配置很重要，如：防止内存页被交换至硬盘、限制硬件对内存的访问权限等，才能更好的保障文件存储的安全。AES算法只有在极特殊的环境下才能被破解，AES256在当前的计算机体系结构下，还没有实质性的破解威胁。

3 结束语

异步文件分割上传，降低了服务器负载，通过对分割块大小使用区间范围内的动态设置，兼顾了分割上传的时效性与稳定性。使用AES算法结合动态密钥加密文件并分割、分散存储，并配套支持AES加速的CPU，提升了加密、解密过程的性能。对加密密钥再次使用RSA算法加密，私钥的一部分由系统用户保存，保障了密钥存储的安全性。本文所提出的基于HTML5、AJAX的文件分割上传、加密存储方案，贯穿了文件的上传、加密、解密、下载全过程，经实际应用与测试，性能稳定并能有效的降低服务器负载、提升文件存储的安全性。