云存储服务端海量数据安全存储的加密解决方案
朱荣 周彩兰 高瑞
摘 要： 云存储是利用计算机网络技术发展起来的一种为使用者提供数据存储和访问的服务，是在云计算的基础上发展而来的。对云存储的主要概念及相关结构进行了具体介绍，对于现阶段安全方面云存储的问题进行研究，提出了一种适合的数据加密解决方案，能够对使用者的数据隐私有效保护，为云存储的发展及应用起到了重要作用。
关键词： 云存储服务端； 海量数据； 安全存储； 数据加密解决方案
中图分类号： TN915.08?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）03?0079?03
Encryption solution for mass data secure storage of cloud storage server
ZHU Rong1， ZHOU Cailan2， GAO Rui1
（1. Hanjiang Normal University， Shiyan 442000， China； 2. Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， China）
Abstract： The cloud storage developed by computer network technology is a service to provide the data storage and access for users， which is developed based on the cloud computing. The key concept and relevance structure of the cloud storage are introduced in detail， and the cloud storage security problem at present stage is studied. A suitable data encryption solution is put forward， which can protect the data privacy effective for users， and play a main significance for the development and application of the cloud storage.
Keywords： cloud storage server； mass data； secure storage； data encryption solution
1 云存儲及其基本结构
1.1 云存储的定义
云存储（Cloud Storage）通过集成合作软件技术，以计算机网络技术为基础，分布式存储技术、海量数据存储技术为核心，使接入网络的各类型计算机存储设备将各种信息传输至外界，同时提供业务访问、信息共享等服务的系统。
1.2 云存储系统的结构
云存储是开放式的网络访问平台，它的软硬件设备众多，例如服务器、客户端、网络装置、应用程序、登录接口等。每个核心硬件设备均以为使用者提供数据存储及数据交换访问应用程序和软件为基础。云存储包括如下四个层次的结构体系：
（1） 存储层。它是由存储设备、服务器和网络设备组成，是云存储中下层基础的部分。
（2） 基础管理层。该层为云存储的核心部分，能够实现最为重要的功能，除了保证系统的功能使用和系统性能的稳定要求，还能够实现信息数据的加密和备份等工作。
（3） 应用接口层。作为应用软件开发的重要层次，提供系统的应用软件进行开发和更新升级的功能。
（4） 访问层。该层为客户访问及信息交换的应用程序端口，达到实现云存储数据共享的目的。云存储服务的结构如图1所示。
1.3 云存储系统面临的安全问题
云存储系统是基于开放式的互联网络，如何保障用户信息数据的安全是当前云存储所面临的一个难题，以下就云存储系统面临的安全问题进行具体说明。
（1） 传统的安全域划分无法保证云存储的安全。由于云存储的服务必须具备开放性的扩展空间，准确划分其安全界限是极为困难的，对于用户来说，无需清楚云存储的内在运行机制，使用传统的安全域划分并不能保障使用者的信息安全。
（2） 云存储数据网络传输的泄密问题。在开发式的网络上传输数据容易造成数据的泄密，黑客或者恶意攻击者通过网络技术对数据进行篡改和窃取，轻易就能获取客户的数据，对云存储的发展带来不利的影响。
（3） 云存储数据的安全防护问题。如何确保用户在云存储数据的完好以及数据的分散存放等必须采取安全防护措施。传统的数据加密仅用于在互联网络上的交流传送，而对已经保存在存储器或服务器上的数据缺少必要的防护手段。
（4） 云存储数据的可用性和可靠性问题。由于目前云存储存在缺陷，纠错、兼容性及数据恢复完整的功能存在一定的问题，如何在突发事件、不可预见的不利条件下造成服务中断及对数据的破坏等问题，目前没有很好的解决。
2 云存储安全加密解决方案
出于达到使用者数据与隐私不被泄漏的目的，要将加密步骤应用到数据处理过程中。加密操作完成之后，数据在网络内的传递过程就具有安全性。对于关系型数据库而言，使用最多、最为常见的模式为数值型和字符型。完成数值型的加密工作之后，对把初始数值的可比性及分布顺序等特征改变，字符型的加密工作和数值型的相似。为了确保云存储数据库内数据的安全性与隐私性，要设计一种可靠的技术。按照关系型数据库的特点和现实使用要求等因素，设计其加密技术时，要考虑到：此类数据库具有较长的数据存储周期，所以加密水平需要较深，保证其破解难度高；数据被加密之后，不可以占据较多的存储空间资源；加密与解密工作需要具备时间短、安全性好、易于进行标准化的操作等特征，不能影响整个数据库的使用效率。为了满足数据库这种高要求，将对称加密技术应用到数据库加密工作中具有适用性。在对称密码技术中，分组密码技术具有代表性，它的特征是具有较高的加密速度，具体过程为固定改变某一明文数据块，通过软件完成这一工作的难度较低。除此之外，分组密码技术适用于加密存储及保密传输等过程中。
2.1 数据加密存储方法与安全性
为了保障云存储数据库服务的安全性，提出基于云存储服务端海量数据安全存储的加密技术开发策略，此策略利用初始向量的改变对数据库包含的密文排列规律进行调整，初始化向量可看成是密钥客户端，将改变次数保存在数据库内就能防止频率攻击行为对数据库产生破坏。出于降低数据库加密之后冗余度的目的，使用基于数据项的加密方式对云存储数据库中的重要隐私数据信息进行加密保护。使用分组密码算法的技术对数据信息进行加密处理，将某一TINTINT数据保存在数据库内部即可，根据实验结果及相应的归纳分析可知，此技术不会造成很大的冗余度。
用户在和云存储库发生数据交互的过程中，数据信息量大且使用的是公共互联网络，数据的安全保障难度极大，使用常规的数据库加密方法，对所有改变过的初始化向量均要进行保存，这会导致冗余度较大，按照重复的数据读取历史信息，黑客等破坏者就能攻击相应的库，导致库中数据及隐私发生泄漏。所以要在客户端中存储初始化向量，将最开始的向量IV改变的次数保存下来，达到降低存储量的目的，确保向量的隐私性与安全性，对于库而言，加密它的技术具有隐密性，只有初始化向量的改变次数显露出来。在解密重要数据的过程中，要按照主键运算有多少次循环，即[n]次数值对现阶段的初始化向量进行运算。
2.1.1 线性搜索算法
该算法在加密工作中的对象是明文数据，它通过对称加密的方法处理明文数据。所有关键词均有对应的密文数据，此算法将产生特定长度的伪随机序列，这一长度要比密文数据的长度短，然后随机序列和密文数据一起进行判断，产生校验序列，接着通过伪随机和校验序列再次加密密文数据。用户进行存储及数据检索时，必须提供与明文信息相匹配的密文信息序列。如果不能提供出密文信息序列，则系统拒绝使用者的检索要求。
此算法具有一次一密的特征，它的长处在于统计分析及抵抗检索的水平很高，不过它也存在一定的缺陷，每次使用该算法均要匹配密文数据，对于存在海量数据的云存储服务端的应用环境中难以得到利用，对其广泛的普及应用带来不利影响。
2.1.2 基于关键词的公钥搜索
针对云存储与云计算资源分布的不均匀对称性及使用者在移动环境下对信息存储及数据检索的要求，国外科技工作者开发出基于关键词的公钥加密搜索算法，算法通过区分明文关键词和密文分别生成公钥、私钥，通过公钥来加密需要检索的明文关键词，然后将对应的密文数据检索出来。
2.1.3 安全索引
安全索引这种技术最早是由国外专家设计出来的，它的基本理论是加密时需要的密钥是由预先产生的某一逆Hash序列提供的，然后在布隆过滤器内保存加密之后的索引。进行检索工作时，第一步是通过逆Hash序列密钥产生数个陷门，接着布隆过滤器就发挥作用，解密反馈的密文数据就能得到需要的信息。该方法在简单的索引技术中适用性较好，可以有效地防范统计攻击等行为，不过它也有一定的缺陷，即密钥序列的规模很大，当检索数目不断提高时，检索时间会越来越长，产生的效率也相应降低，计算更为复杂，难以在云存储服务中得到有效的应用。
2.1.4 引入相关排序的加密搜索算法
排序搜索算法的原理：通过保序加密技术来加密所有文档包含的关键词词频。此方法在提交加密文档查询指令到服务器之后，第一步是将包含关键词密文的文档找出；第二步是重新排列通过保序加密技术处理的密文词频数据；第三步是将评价值大的文档反馈至用户端，然后使用者开展解密操作。
该方法为了把检索出的最为匹配的文档信息反馈给使用者，在给定多个可能相关文档的情况下对加密文档进行排序。这种方法存在的缺点是不适用于一个查询中包含了多个关键词的情况，而且此算法只利用了文档中的词频信息，无法利用词的逆文档频率，因而向量空间模型无法直接应用。
2.1.5 基于全同态加密的检索方法
在对当前的加密检索算法进行研究之后发现，要保证查询全面与准确这两大要求，设计了一种新型的加密检索算法，即面向云存储程序的全同态技术。
全同态技术的原理是通过向量空间模型将查询出来的文档和未查询的数据间的相关度计算出来，接着统计倒排文档及检索词的频率，再通过全同态技术加密相应的文档，并将相关的索引技术构建出来。在检索之后，服务器会收到索引密文和加密文档。利用这种技术加密的明文信息无需将明文恢复就被准确检索到，使用者能获得相关度最高的文档。这样使用者信息的隐私性和安全性就得到了保障，还使检索效果更加出色。
2.2 密文访问控制
对于大多数云存储服务的使用者来说，在开放性的互联网络和市场经济激烈的商业竞争环境中，选择提供云存储服务的供应商能否保证用户的重要信息和敏感数据是非常重要的前提，并不是只对数据开展传输工作。该方法的应用场景为服务器端不具备可信度，它能够保证所存储数据的安全性，云存储才能得到更为广泛的应用。密文访问控制流程如图2所示。
3 结 论
隨着云存储的快速发展，用户对敏感数据及隐私数据提出了保护要求，如何保障云存储服务端海量数据的安全存储，本文从技术层面提出了加密解决方案，为使用者提供更为完整、安全的存储服务。
参考文献
[1] 陈臣，马晓婷.数字图书馆云存储系统安全架构与安全策略研究[J].现代情报，2011，31（9）：160?164.
[2] 冯登国，张敏，张妍，等.云计算安全研究[J].软件学报，2011，22（1）：71?83.
[3] 林秦颖，桂小林，史德琴，等.面向云存储的安全存储策略研究[C]//2010年第16届全国信息存储技术大会（IST2010）论文集.广州：华南理工大学，2011：240?243.
[4] 黄永峰，张久岭，李星.云存储应用中的加密存储及其检索技术[J].中兴通讯技术，2010（4）：33?35.
[5] 刘国敏.云存储数据安全研究[J].信息安全，2008（6）：72?76.
[6] 田志英.浅谈云存储安全性与标准的制定实施[J].科技创新与应用，2012（27）：51.
[7] 王伟杰.解析网络的云存储模式[J].信息与电脑（理论版），2012（11）：102?106.
[8] 刘金芝，余丹，朱率率.一种新的云存储服务模型研究[J].计算机应用研究，2011，28（5）：1869?1872.
[9] 洪澄，张敏，冯登国.AB?ACCS：一种云存储密文访问控制方法[J].计算机研究与发展，2010，47（z1）：259?265.
[10] 陈海波.云计算平台可信性增强技术的研究[D].上海：复旦大学，2008.
[11] 张明和.云存储应用发展研究[J].信息化建设，2004（2）：15?19.
[12] 王立伟.基于云计算的用户核心数据保护模型研究[J].武汉大学学报（理学版），2013，59（2）：165?170.
[13] 陈兰香，许力.云存储服务中可证明数据持有及恢复技术研究[J].计算机研究与发展，2012，49（z1）：19?25.
[14] 石强，赵鹏远.云存储安全关键技术分析[J].河北省科学院学报，2011，28（3）：66?69.
[15] 宗永玲，王宝红.海量数据信息在云存储中的安全研究[J].电子技术与软件工程，2014（12）：220.
摘 要： 云存储是利用计算机网络技术发展起来的一种为使用者提供数据存储和访问的服务，是在云计算的基础上发展而来的。对云存储的主要概念及相关结构进行了具体介绍，对于现阶段安全方面云存储的问题进行研究，提出了一种适合的数据加密解决方案，能够对使用者的数据隐私有效保护，为云存储的发展及应用起到了重要作用。
关键词： 云存储服务端； 海量数据； 安全存储； 数据加密解决方案
中图分类号： TN915.08?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）03?0079?03
Encryption solution for mass data secure storage of cloud storage server
ZHU Rong1， ZHOU Cailan2， GAO Rui1
（1. Hanjiang Normal University， Shiyan 442000， China； 2. Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， China）
Abstract： The cloud storage developed by computer network technology is a service to provide the data storage and access for users， which is developed based on the cloud computing. The key concept and relevance structure of the cloud storage are introduced in detail， and the cloud storage security problem at present stage is studied. A suitable data encryption solution is put forward， which can protect the data privacy effective for users， and play a main significance for the development and application of the cloud storage.
Keywords： cloud storage server； mass data； secure storage； data encryption solution
1 云存儲及其基本结构
1.1 云存储的定义
云存储（Cloud Storage）通过集成合作软件技术，以计算机网络技术为基础，分布式存储技术、海量数据存储技术为核心，使接入网络的各类型计算机存储设备将各种信息传输至外界，同时提供业务访问、信息共享等服务的系统。
1.2 云存储系统的结构
云存储是开放式的网络访问平台，它的软硬件设备众多，例如服务器、客户端、网络装置、应用程序、登录接口等。每个核心硬件设备均以为使用者提供数据存储及数据交换访问应用程序和软件为基础。云存储包括如下四个层次的结构体系：
（1） 存储层。它是由存储设备、服务器和网络设备组成，是云存储中下层基础的部分。
（2） 基础管理层。该层为云存储的核心部分，能够实现最为重要的功能，除了保证系统的功能使用和系统性能的稳定要求，还能够实现信息数据的加密和备份等工作。
（3） 应用接口层。作为应用软件开发的重要层次，提供系统的应用软件进行开发和更新升级的功能。
（4） 访问层。该层为客户访问及信息交换的应用程序端口，达到实现云存储数据共享的目的。云存储服务的结构如图1所示。
1.3 云存储系统面临的安全问题
云存储系统是基于开放式的互联网络，如何保障用户信息数据的安全是当前云存储所面临的一个难题，以下就云存储系统面临的安全问题进行具体说明。
（1） 传统的安全域划分无法保证云存储的安全。由于云存储的服务必须具备开放性的扩展空间，准确划分其安全界限是极为困难的，对于用户来说，无需清楚云存储的内在运行机制，使用传统的安全域划分并不能保障使用者的信息安全。
（2） 云存储数据网络传输的泄密问题。在开发式的网络上传输数据容易造成数据的泄密，黑客或者恶意攻击者通过网络技术对数据进行篡改和窃取，轻易就能获取客户的数据，对云存储的发展带来不利的影响。
（3） 云存储数据的安全防护问题。如何确保用户在云存储数据的完好以及数据的分散存放等必须采取安全防护措施。传统的数据加密仅用于在互联网络上的交流传送，而对已经保存在存储器或服务器上的数据缺少必要的防护手段。
（4） 云存储数据的可用性和可靠性问题。由于目前云存储存在缺陷，纠错、兼容性及数据恢复完整的功能存在一定的问题，如何在突发事件、不可预见的不利条件下造成服务中断及对数据的破坏等问题，目前没有很好的解决。
2 云存储安全加密解决方案
出于达到使用者数据与隐私不被泄漏的目的，要将加密步骤应用到数据处理过程中。加密操作完成之后，数据在网络内的传递过程就具有安全性。对于关系型数据库而言，使用最多、最为常见的模式为数值型和字符型。完成数值型的加密工作之后，对把初始数值的可比性及分布顺序等特征改变，字符型的加密工作和数值型的相似。为了确保云存储数据库内数据的安全性与隐私性，要设计一种可靠的技术。按照关系型数据库的特点和现实使用要求等因素，设计其加密技术时，要考虑到：此类数据库具有较长的数据存储周期，所以加密水平需要较深，保证其破解难度高；数据被加密之后，不可以占据较多的存储空间资源；加密与解密工作需要具备时间短、安全性好、易于进行标准化的操作等特征，不能影响整个数据库的使用效率。为了满足数据库这种高要求，将对称加密技术应用到数据库加密工作中具有适用性。在对称密码技术中，分组密码技术具有代表性，它的特征是具有较高的加密速度，具体过程为固定改变某一明文数据块，通过软件完成这一工作的难度较低。除此之外，分组密码技术适用于加密存储及保密传输等过程中。
2.1 数据加密存储方法与安全性
为了保障云存储数据库服务的安全性，提出基于云存储服务端海量数据安全存储的加密技术开发策略，此策略利用初始向量的改变对数据库包含的密文排列规律进行调整，初始化向量可看成是密钥客户端，将改变次数保存在数据库内就能防止频率攻击行为对数据库产生破坏。出于降低数据库加密之后冗余度的目的，使用基于数据项的加密方式对云存储数据库中的重要隐私数据信息进行加密保护。使用分组密码算法的技术对数据信息进行加密处理，将某一TINTINT数据保存在数据库内部即可，根据实验结果及相应的归纳分析可知，此技术不会造成很大的冗余度。
用户在和云存储库发生数据交互的过程中，数据信息量大且使用的是公共互联网络，数据的安全保障难度极大，使用常规的数据库加密方法，对所有改变过的初始化向量均要进行保存，这会导致冗余度较大，按照重复的数据读取历史信息，黑客等破坏者就能攻击相应的库，导致库中数据及隐私发生泄漏。所以要在客户端中存储初始化向量，将最开始的向量IV改变的次数保存下来，达到降低存储量的目的，确保向量的隐私性与安全性，对于库而言，加密它的技术具有隐密性，只有初始化向量的改变次数显露出来。在解密重要数据的过程中，要按照主键运算有多少次循环，即[n]次数值对现阶段的初始化向量进行运算。
2.1.1 线性搜索算法
该算法在加密工作中的对象是明文数据，它通过对称加密的方法处理明文数据。所有关键词均有对应的密文数据，此算法将产生特定长度的伪随机序列，这一长度要比密文数据的长度短，然后随机序列和密文数据一起进行判断，产生校验序列，接着通过伪随机和校验序列再次加密密文数据。用户进行存储及数据检索时，必须提供与明文信息相匹配的密文信息序列。如果不能提供出密文信息序列，则系统拒绝使用者的检索要求。
此算法具有一次一密的特征，它的长处在于统计分析及抵抗检索的水平很高，不过它也存在一定的缺陷，每次使用该算法均要匹配密文数据，对于存在海量数据的云存储服务端的应用环境中难以得到利用，对其广泛的普及应用带来不利影响。
2.1.2 基于关键词的公钥搜索
针对云存储与云计算资源分布的不均匀对称性及使用者在移动环境下对信息存储及数据检索的要求，国外科技工作者开发出基于关键词的公钥加密搜索算法，算法通过区分明文关键词和密文分别生成公钥、私钥，通过公钥来加密需要检索的明文关键词，然后将对应的密文数据检索出来。
2.1.3 安全索引
安全索引这种技术最早是由国外专家设计出来的，它的基本理论是加密时需要的密钥是由预先产生的某一逆Hash序列提供的，然后在布隆过滤器内保存加密之后的索引。进行检索工作时，第一步是通过逆Hash序列密钥产生数个陷门，接着布隆过滤器就发挥作用，解密反馈的密文数据就能得到需要的信息。该方法在简单的索引技术中适用性较好，可以有效地防范统计攻击等行为，不过它也有一定的缺陷，即密钥序列的规模很大，当检索数目不断提高时，检索时间会越来越长，产生的效率也相应降低，计算更为复杂，难以在云存储服务中得到有效的应用。
2.1.4 引入相关排序的加密搜索算法
排序搜索算法的原理：通过保序加密技术来加密所有文档包含的关键词词频。此方法在提交加密文档查询指令到服务器之后，第一步是将包含关键词密文的文档找出；第二步是重新排列通过保序加密技术处理的密文词频数据；第三步是将评价值大的文档反馈至用户端，然后使用者开展解密操作。
该方法为了把检索出的最为匹配的文档信息反馈给使用者，在给定多个可能相关文档的情况下对加密文档进行排序。这种方法存在的缺点是不适用于一个查询中包含了多个关键词的情况，而且此算法只利用了文档中的词频信息，无法利用词的逆文档频率，因而向量空间模型无法直接应用。
2.1.5 基于全同态加密的检索方法
在对当前的加密检索算法进行研究之后发现，要保证查询全面与准确这两大要求，设计了一种新型的加密检索算法，即面向云存储程序的全同态技术。
全同态技术的原理是通过向量空间模型将查询出来的文档和未查询的数据间的相关度计算出来，接着统计倒排文档及检索词的频率，再通过全同态技术加密相应的文档，并将相关的索引技术构建出来。在检索之后，服务器会收到索引密文和加密文档。利用这种技术加密的明文信息无需将明文恢复就被准确检索到，使用者能获得相关度最高的文档。这样使用者信息的隐私性和安全性就得到了保障，还使检索效果更加出色。
2.2 密文访问控制
对于大多数云存储服务的使用者来说，在开放性的互联网络和市场经济激烈的商业竞争环境中，选择提供云存储服务的供应商能否保证用户的重要信息和敏感数据是非常重要的前提，并不是只对数据开展传输工作。该方法的应用场景为服务器端不具备可信度，它能够保证所存储数据的安全性，云存储才能得到更为广泛的应用。密文访问控制流程如图2所示。
3 结 论
隨着云存储的快速发展，用户对敏感数据及隐私数据提出了保护要求，如何保障云存储服务端海量数据的安全存储，本文从技术层面提出了加密解决方案，为使用者提供更为完整、安全的存储服务。
参考文献
[1] 陈臣，马晓婷.数字图书馆云存储系统安全架构与安全策略研究[J].现代情报，2011，31（9）：160?164.
[2] 冯登国，张敏，张妍，等.云计算安全研究[J].软件学报，2011，22（1）：71?83.
[3] 林秦颖，桂小林，史德琴，等.面向云存储的安全存储策略研究[C]//2010年第16届全国信息存储技术大会（IST2010）论文集.广州：华南理工大学，2011：240?243.
[4] 黄永峰，张久岭，李星.云存储应用中的加密存储及其检索技术[J].中兴通讯技术，2010（4）：33?35.
[5] 刘国敏.云存储数据安全研究[J].信息安全，2008（6）：72?76.
[6] 田志英.浅谈云存储安全性与标准的制定实施[J].科技创新与应用，2012（27）：51.
[7] 王伟杰.解析网络的云存储模式[J].信息与电脑（理论版），2012（11）：102?106.
[8] 刘金芝，余丹，朱率率.一种新的云存储服务模型研究[J].计算机应用研究，2011，28（5）：1869?1872.
[9] 洪澄，张敏，冯登国.AB?ACCS：一种云存储密文访问控制方法[J].计算机研究与发展，2010，47（z1）：259?265.
[10] 陈海波.云计算平台可信性增强技术的研究[D].上海：复旦大学，2008.
[11] 张明和.云存储应用发展研究[J].信息化建设，2004（2）：15?19.
[12] 王立伟.基于云计算的用户核心数据保护模型研究[J].武汉大学学报（理学版），2013，59（2）：165?170.
[13] 陈兰香，许力.云存储服务中可证明数据持有及恢复技术研究[J].计算机研究与发展，2012，49（z1）：19?25.
[14] 石强，赵鹏远.云存储安全关键技术分析[J].河北省科学院学报，2011，28（3）：66?69.
[15] 宗永玲，王宝红.海量数据信息在云存储中的安全研究[J].电子技术与软件工程，2014（12）：220.
