CN104506558B - 层次式数据拥有证明方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种层次式数据拥有证明方法。所述方法对云上或远程数据认证时，基于PDP挑战应答模式进行分层次的数据认证：第一层认证时先进行粗粒度的挑战应答式认证，即在较大数据间隔下对远端的若干数据块进行认证，当认证均成功，则认为此数据块附近区域数据完整；当发现失败的认证，则以损坏的数据块为中心，对附近区域进行下层较细粒度的挑战应答式认证，即在较小数据间隔下对远端若干数据块再次进行认证，依此类推，直到到检测粒度最小为止。该方法用于检验云上数据的完整性，可检测出大部分的数据损坏，提高云上数据存储的安全性，并且在保证云上数据完整性的同时，尽可能降低完整性认证的计算开销和时间开销。

Description

层次式数据拥有证明方法
技术领域
本发明属于信息安全领域，涉及一种基于PDP模式的远程数据完整性检查方法。
背景技术
完整性检查（integrity checking）是指对抗对手主动攻击，防止信息被未经授权的篡改。它是安全体系结构和信息安全领域的重要研究内容，主要分为本地数据完整性检查和远程数据完整性检查。
1、本地数据完整性检查
本地存储器完整性保护的基本方法是消息认证码（Message AuthenticationCode，MAC）技术，MAC可以被快速计算及比较，但不能用于动态修改的存储器的完整性校验，也不能防范重放攻击。MIT提出Merkle树技术，Merkle树是公认的存储器完整性保护的有效方法，能够检测出重放攻击，并提供联机模式校验，且对根结点进行安全存储的代价需求非常小。但它需要维护一个占用大量空间的树结构，使得系统运行性能下降过多。基于Merkle树的改进方法很多，如CHTree（Cache Hash Tree，缓冲型hash树）、MACTree、PAT、TEC-Tree和Bonsai Merkle Trees等。
2、远程数据完整性检查
传统的数据完整性检验模式是先下载用户全部要检验的数据，再解密进行验证，如消息认证码（MAC）技术和Merkle树，而在云存储环境下，这导致通讯和计算开销过大，即以上传统认证方式显然是不可行的。目前，针对远程存储模式下数据检查，比较典型的是数据持有性证明 PDP 模型（Provable Data Possession）和可取回性证明POR模型（Proofsof Retrievability）。
PDP是一种轻量级数据完整性保护方法，采用挑战应答式的认证方案，可以检测到大于某个比例的数据损坏，但不保证整个文件是可取回的，PDP不能对动态数据进行保护。PDP由多个多项式时间算法组成，验证数据块有三个过程：
（1）客户端生成随机挑战challenge发给服务器；
（2）服务器计算所有权证明proof，执行产生证明算法Genproof，产生所有权证明V，并发送给客户端；
（3）客户端执行认证算法CheckProof，验证服务器端的V。
D-PDP（Dynamic Provable Data Possession）可对动态数据进行保护，其算法可支持大多数动态操作，但不支持插入操作。Erway等人利用跳跃表（Skip List）和RSA树构建了基于秩次的认证字典，以此提出了支持全动态更新的PDP方案。POR是数据可取回性证明方法，是将伪随机抽样和冗余编码（如纠错码）结合，通过挑战-应答协议向用户证明其文件是完好无损的，且用户能够以足够大的概率从服务器取回文件。POR中验证者首先对文件进行纠错编码，然后在文件随机位置插入由带密码的哈希函数生成的“岗哨”（Sentinels）；每次挑战时验证者要求证明者返回一定数目的岗哨，通过验证岗哨的完整性达到检测文件完整性的目的，并结合纠错编码以一定的概率保证文件是可取回的。该方案的优点是用于存放岗哨的额外存储开销较小，挑战和应答的计算开销较小；缺点是插入的岗哨数目有限且只能被挑战一次，方案只能支持有限次数的挑战。同时方案为了保证岗哨的隐秘性，需先对文件进行加密，导致文件的读取开销较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种层次式数据拥有证明方法，该方法用于检验云上数据的完整性，可检测出大部分的数据损坏，提高云上数据存储的安全性，并且在保证云上数据完整性的同时，尽可能降低完整性认证的计算开销和时间开销。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
对云上或远程数据认证时，基于PDP挑战应答模式进行分层次的数据认证：第一层认证时先进行粗粒度的挑战应答式认证，即在较大数据间隔下对远端的若干数据块进行认证，当认证均成功，则认为此数据块附近区域数据完整；当发现失败的认证，则以损坏的数据块为中心，对附近区域进行下层较细粒度的挑战应答式认证，即在较小数据间隔下对远端若干数据块再次进行认证，依此类推，直到到检测粒度最小为止。
本发明具有如下优点：
1、与PDP模式比较，由于采用层次化的认证方法，可以检测出大部分的损坏数据，认证的数据量更少，使得通信和计算开销都更小。
2、认证的安全强度可调整：当安全要求相对较高时，设置较小的检测粒度，此时检测数据损坏的准确率很高，计算和通信开销相对较大；当安全要求相对较低时，设置较大的检测粒度，此时检测数据完整性损坏的准确率相对较低，计算和通信开销较小。
3、不仅可应用在基于PDP模式的远程数据完整性检查中，也可应用到PDP改进方法和其他远程数据完整性检查方案（如POR模式）中。
附图说明
图1为H-PDP流程图；
图2为H-PDP实例检测结果，横坐标X为检测粒度。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一：本实施方式提供了一种层次式数据拥有证明方法，包括以下内容：
1、主要思想
在云存储系统中，如某个数据块损坏，则其附近数据块损坏的概率也很大；如数据块正常，则其附近的数据块正常的概率也很大，基于此思路，提出层次式的数据拥有证明方法（H-PDP，Hierarchical Provable Data Possession）。其主要思想是对云上或远程数据认证时，基于PDP挑战应答模式进行分层次的数据认证：第一层认证时先进行粗粒度的挑战应答式认证，即在较大数据间隔下对远端的若干数据块进行认证，当认证均成功，则认为此数据块附近区域数据完整；当发现失败的认证，则以损坏的数据块为中心，对附近区域进行下层较细粒度的挑战应答式认证，即在较小数据间隔下对远端若干数据块再次进行认证，依此类推，直到到检测粒度最小为止。
2、具体描述
工作场景是云上已存储了基于PDP机制的用户数据，客户端作为认证方，云服务器作为被认证方，客户端要对云服务器上数据进行认证。具体的，在认证前要设置初始检测粒度值X，它是进行第一层认证的数据块间距数。在第一层认证时，以X为检测粒度进行挑战应答模式认证，即在较大数据间隔下对若干数据块进行认证，如每次认证都成功，则认为远程数据未被损坏；如有失败的认证，则以X/2为检测粒度，在以此数据块为中心的周边区域进行第二层挑战应答模式认证，即在较小数据间隔下对若干数据进行认证，如每次认证都成功，则认为远程数据未被损坏，如有失败的认证，再进行下一层更细力度的认证，依此类推，直到检测粒度最小为止。
为使方案高效工作，要在符合一定条件下定义相应的算法，下面以上述叙述的场景，并以云上一段连续存储区域为例，给出认证的算法和流程图（图1），具体认证算法如下：
（1）确定检测粒度X（X为正整数）；
（2）为检测区间的每个数据块设置一个检测标志位a，初值为0；
（3）以X为大小等分检测区间；
（4）客户端对每个等分点处的数据块向服务器发起挑战（challenage）；
（5）服务器生成应答证明（proof），并发给客户端；
（6）客户端认证应答证明，如认证（CheckProof）均成功，执行步骤（10）；
（7） 判断检测粒度X是否为1，如是执行步骤（10），否则X=X/2，将对应数据块的标志位a置1；
（8）以每个认证失败的数据块为中心，客户端对其附近X位置的数据块向服务器发起挑战（对标志位a为1的数据块跳过检测）；
（9）执行步骤（5）；
（10）认证结束。
具体实施方式二：设云上有一段连续存储数据块，标号为0到100，随机设标号为6-8、70-75、93-94的共11个数据块损坏，现用H-PDP方法进行认证，求出检测率并比较检测性能。
解：现分3个检测粒度X=10、X=4和X=2。
1、初始检测粒度X=10
1）第一层认证
=10，认证10、20、…、10 (为正整数且)共10个块，检测出70损坏。
2）第二层认证
=10/2=5，对70附近进行粒度为5的认证，即认证65、75共2个块，新检测出75损坏。
3）第三层认证
=2，对70、75附近进行粒度为2的认证，即认证68、72、73、77共4个块，新检测出72、73损坏。
4）第四层认证
=1，对70、72、73、75附近进行粒度为1的认证，即认证69、71、74、76共4个块，新检测出71、74损坏。
5）因检测粒度为1，检测结束，检测出70-75共6个损坏块。
共检测块数：S=10+2+4+4=20；
检测率：R=6/11=54.5%；
检测数据块比例：A=20/101=19.8%。
2、设初始检测粒度X=4
1）第一层认证
=4，认证4、8、…、4 (为正整数且)共25个块，检测出8、72损坏。
2）第二层认证
=2，对8、72附近进行粒度为2的认证，即认证6、10、70、74共4块，新检测出6、70、74损坏。
3）第三层认证
=1，对6、8、70、72、74附近进行粒度为1的认证，即认证5、7、9、69、71、73、75共7块，新检测出7、71、73、75损坏。
4）因检测粒度为1，检测结束，检测出6-8、70-75共9个损坏块。
共检测数据块数：S=25+4+7=36；
检测率为：R=9/11=81.8%；
检测数据块比例：A=36/101=35.6%。
3、设初始检测粒度X=2
1）第一层认证
=2，认证2、4、…、2 (为正整数且)共50个块，检测出6、8、70、72、74、94损坏。
2）第二层认证
=1，对6、8、70、72、74、94附近进行粒度为1的认证，即认证5、7、9、69、71、73、75、93、95共9块，新检测出7、71、73、75、93损坏。
3）因检测粒度为1，检测结束，检测出6-8、70-75、93-94共11个损坏块。
共检测数据块数：S=50+9=59；
检测率为：R=11/11=100%；
检测数据块比例：A=59/101=58.4%。
4、结果分析
由图2可知：当检测粒度较大时，检测比例较小，则检测率较低；当检测粒度变小，检测比例提高，则检测率迅速提高；当检测粒度减小到某一程度，可检测出全部数据块损坏，此时检测比例为58.4%，因此认证所需开销比全部检测明显降低，因此可根据情况设置适当的检测粒度。

Claims (2)

1.一种层次式数据拥有证明方法，其特征在于所述方法对云上或远程数据认证时，基于PDP挑战应答模式进行分层次的数据认证：第一层认证时先进行粗粒度的挑战应答式认证，即在较大数据间隔下对远端的若干数据块进行认证，当认证均成功，则认为此数据块附近区域数据完整；当发现失败的认证，则以损坏的数据块为中心，对附近区域进行下层较细粒度的挑战应答式认证，即在较小数据间隔下对远端若干数据块再次进行认证，依此类推，直到检测粒度最小为止；
具体认证步骤如下：
(1)确定检测粒度X；
(2)为检测区间的每个数据块设置一个检测标志位a，初值为0；
(3)以X为大小等分检测区间；
(4)客户端对每个等分点处的数据块向服务器发起挑战；
(5)服务器生成应答证明，并发给客户端；
(6)客户端认证应答证明，如认证均成功，执行步骤(10)；
(7)判断检测粒度X是否为1，如是执行步骤(10)，否则将对应数据块的标志位a置1；
(8)以每个认证失败的数据块为中心，客户端对其附近X位置的数据块向服务器发起挑战，对标志位a为1的数据块跳过检测；
(9)执行步骤(5)；
(10)认证结束。
2.根据权利要求1所述的层次式数据拥有证明方法，其特征在于所述X为正整数。
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