CN107609428A - 数据安全存储系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种数据安全存储系统及方法，包括：将密文块存储区划分为若干预定大小的小块存储区；对明文数据进行加密，将密文数据保存于密文块存储区的特定地址块内，从密文块存储区的特定地址块内读取密文数据，将密文数据解密生成明文数据。通过对客户端读/写操作的数据进行加密、解密处理，存储的数据均为密文数据，结合存储系统的安全认证机制，整体提高分布式存储系统的数据安全可靠性；同时，将密文数据保存于划分为若干小块存储区的块存储区，读/写数据操作时，仅需对覆盖读/写数据范围区域的多个小块存储区进行相应的操作即可，无需再对整个块存储区进行操作，提升数据读写处理的效率，提高存储系统性能。

Description

数据安全存储系统及方法

技术领域

本发明提供一种数据安全存储系统及方法，属于信息安全技术领域。

背景技术

在大规模分布式存储系统中，数据安全问题至关重要。从存储系统层面上，采用认证、口令等多种方式保护数据的可靠性和安全性，此项技术已经相对成熟；而从用户体验层面上，由于客户端读取、上传、存储的数据均为明文数据，因而仍然存在数据安全隐患。

块存储是指在硬件或软件上将磁盘映射给主机进行数据存储的载体。磁盘空间中存储的数据是以数据块的方式存储于对应的地址块内。若对块存储以磁盘为单位进行加密操作，当某个地址块内的数据需要进行修改时，必须先擦除整个地址块内的数据，再把修改后的数据重新写入该地址块内，而且，欲读取地址块内的部分数据时，也需要先将整个地址块内的数据读取出来，再读取出其中的部分数据，需要对地址块内的部分数据进行操作(如，加、解密处理)时，数据读写效率不高。

发明内容

鉴于上述原因，本发明的目的在于提供一种数据安全存储系统及方法，客户端读/写的数据均以密文形式存储，且读写数据无需对整个块存储区进行操作，提高数据处理效率，保证客户端数据安全可靠性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种数据安全存储方法，包括：

将密文块存储区划分为若干预定大小的小块存储区；

对明文数据进行加密，将密文数据保存于密文块存储区的特定地址块内，

从密文块存储区的特定地址块内读取密文数据，将密文数据解密生成明文数据。

根据读请求及所述小块存储区的大小，确定所述特定地址块，该读请求包括指定的首地址、指定的数据长度。

根据写请求及所述小块存储区的大小，确定所述特定地址块，该写请求包括指定的首地址、明文数据、明文数据长度。

所述指定的首地址为第N小块存储区的起始地址，从该起始地址开始读取至所述指定的数据长度后对应于第M小块存储区的结束地址，则直接从所述指定的首地址读取指定的数据长度的密文数据。

所述指定的首地址是第N小块存储区的起始地址，从该起始地址读取所述指定的数据长度后未对应于第M小块存储区的结束地址，则从所述指定的首地址开始至第M小块存储区的结束地址，读取获得密文数据，对该密文数据进行解密生成明文数据，在生成的明文数据基础上，从所述指定的首地址开始至指定的数据长度，获得明文数据。

所述指定的首地址未对应第N小块存储区的起始地址，从所述指定的首地址读取指定的数据长度后对应于第M小块存储区的结束地址，则从第N小块存储区的起始地址开始至第M小块存储区的结束地址，读取获得密文数据，对该密文数据进行解密生成明文数据，在生成的明文数据基础上，从所述指定的首地址开始至指定的数据长度，获得明文数据。

所述指定的首地址未对应第N小块存储区的起始地址，从所述指定的首地址开始读取指定的数据长度后未对应于第M小块存储区的结束地址，则从第N小块存储区的起始地址开始至第M小块存储区的结束地址，读取获得密文数据，对密文数据进行解密生成明文数据，在生成的明文数据基础上，从所述指定的首地址开始至指定的数据长度，获得要读取的明文数据。

所述指定的首地址为第N小块存储区的起始地址，从该起始地址开始至所述明文数据长度后对应于第M小块存储区的结束地址，则直接对明文数据进行加密生成密文数据，从所述指定的首地址开始保存该密文数据。

所述指定的首地址是第N小块存储区的起始地址，从所述指定的首地址开始至所述明文数据长度后的尾地址未对应于第M小块存储区的结束地址，则首先读取出第M小块存储区的密文数据，对该密文数据进行解密，生成原始明文数据，将所述明文数据与尾地址到第M小块存储区的结束地址之间的原始明文数据依序拼接，然后加密生成密文数据，从所述指定的首地址到第M小块存储区的结束地址，保存该密文数据。

所述指定的首地址未对应第N小块存储区的起始地址，从所述指定的首地址开始至所述明文数据长度后的尾地址对应于第M小块存储区的结束地址，则首先读取出第N小块存储区的密文数据，对该密文数据进行解密，生成原始明文数据，将第N小块存储区的起始地址到首地址之间的原始明文数据与所述明文数据依序拼接，加密生成密文数据，从第N小块存储区的起始地址到第M小块存储区的结束地址，保存该密文数据。

所述指定的首地址未对应第N小块存储区的起始地址，从所述指定的首地址开始至所述明文数据长度后的尾地址未对应于第M小块存储区的结束地址，则首先读取出第N小块存储区、第M小块存储区的密文数据，对第N小块存储区的密文数据进行解密，生成第N小块存储区的原始明文数据，对第M小块存储区的密文数据进行解密，生成第M小块存储区的原始明文数据，将第N小块存储区的起始地址到所述指定的首地址之间的原始明文数据、所述明文数据、尾地址到第M小块存储区的结束地址之间的原始明文数据依序拼接，将拼接后的明文数据加密生成密文数据，从第N小块存储区的起始地址到第M小块存储区的结束地址，保存该密文数据。

实现上述数据安全存储方法的数据安全存储系统，包括客户端、存储服务器，

存储服务器，包括用于存储密文数据的密文块存储区、该密文块存储区划分成若干个预定大小的小块存储区；

客户端，包括加解密模块，其用于将明文数据进行加密，将生成的密文数据保存于密文块存储区的特定地址块内，用于从密文块存储区的特定地址块内读取密文数据，将密文数据解密生成明文数据。

本发明的优点是：

1、客户端读/写的数据均以密文形式存储，提高分布式存储系统的数据安全可靠性；

2、将块存储区划分为若干个小块存储区，读/写数据操作时，仅需对覆盖读/写数据范围区域的多个小块存储区进行相应的操作即可，无需对整个块存储区进行操作，提升数据读写处理的效率，提高存储系统性能。

附图说明

图1是本发明的系统组成框图。

图2是本发明的读数据流程示意图。

图3是本发明的写数据流程示意图。

图4A是本发明的块存储区的划分及读/写数据范围区域的示意图，读/写操作指定的首地址与第N小块存储区的起始地址相对应，读/写操作的尾地址与第M小块存储区的结束地址相对应。

图4B是本发明的块存储区的划分及读数据范围区域的示意图，读操作指定的首地址与第N小块存储区的起始地址相对应，读操作的尾地址与第M小块存储区的结束地址未对应。

图4C是本发明的块存储区的划分及读数据范围区域的示意图，读操作指定的首地址与第N小块存储区的起始地址未对应，读操作的尾地址与第M小块存储区的结束地址相对应。

图4D是本发明的块存储区的划分及读数据范围区域的示意图，读操作指定的首地址与第N小块存储区的起始地址未对应，读操作的尾地址与第M小块存储区的结束地址未对应。

图5A是本发明的块存储区的划分及写数据范围区域的示意图，写操作指定的首地址与第N小块存储区的起始地址相对应，写操作的尾地址与第M小块存储区的结束地址未对应，明文数据需要拼接。

图5B是本发明的块存储区的划分及写数据范围区域的示意图，写操作指定的首地址与第N小块存储区的起始地址未对应，写操作的尾地址与第M小块存储区的结束地址相对应，明文数据需要拼接。

图5C是本发明的块存储区的划分及写数据范围区域的示意图，写操作指定的首地址与第N小块存储区的起始地址未对应，写操作的尾地址与第M小块存储区的结束地址未对应，明文数据需要拼接。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明公开的数据安全存储系统，包括客户端、存储服务器、密钥管理服务器。

存储服务器，包括用于存储密文数据的密文块存储区、用于存储明文数据的明文块存储区，元数据管理模块。密文块存储区划分成若干个预定大小的小块存储区，如每4K一个小块存储区，以4K为存储单位存储密文数据，读/写数据时，无需对整个密文块存储区进行操作，仅需对覆盖读/写数据范围区域的小块存储区进行操作即可，提高数据读取及处理效率。元数据管理模块用于保存各块存储区及各块存储区对应的是否为密文块存储区的标签，各密文块存储区对应划分的小块存储区的大小，密文块存储区所对应的密钥ID，及其他元数据信息。

客户端包括加解密模块、密钥管理模块。对于写数据请求，加解密模块利用相应的密钥对明文数据加密后生成密文数据，保存于存储服务器的特定地址块内；对于读数据请求，先从存储服务器的特定地址块内读取出密文数据，然后通过加解密模块利用相应的密钥对密文数据进行解密处理，生成明文数据。密钥管理模块用于从密钥管理服务器获取密钥，确定与密钥ID对应的密钥；为提高数据加解密速度，可将从密钥管理服务器获取的密钥缓存，而无需每次加解密操作都从密钥管理服务器获取。

密钥管理服务器(KEY MANAGER SYSTEM，KMS服务器)用于生成密钥，并传输给客户端；为保证密钥传输的安全性，密钥管理服务器与客户端通过认证(如，Kerberos协议认证)后，再传输密钥，保证只有认证通过的客户端才可正常获得所需要的密钥。

基于上述数据安全存储系统实现的数据安全存储方法，包括：

1、读数据，如图2所示，包括：

S10：向客户端发送读数据请求，该读数据请求包括指定的首地址及指定的数据长度；

S11：客户端根据读数据请求，确定相应的密文块存储区，获得相应的密钥ID，确定密钥；

根据指定的首地址确定相应的密文块存储区，从元数据管理模块获取该密文块存储区对应的密钥ID，根据密钥ID从密钥管理服务器获取相应的密钥，或是从缓存的密钥集中获取相应的密钥。

S12：客户端根据读数据请求，从密文块存储区的特定地址块中读取密文数据，利用密钥对密文数据进行解密得到明文数据。

具体方法是：

如图4A所示，若指定的首地址为第N小块存储区的起始地址，且从起始地址开始读取至指定的数据长度后对应于第M小块存储区的结束地址，则直接从指定的首地址读取指定的数据长度的密文数据。其中，第N小块存储区与第M小块存储区可以是同一小块存储区，也可以是不同的小块存储区。

如图4B所示，若指定的首地址是第N小块存储区的起始地址，而从起始地址读取指定的数据长度后未对应于第M小块存储区的结束地址，则从指定的首地址开始至第M小块存储区的结束地址，读取获得密文数据，对密文数据进行解密生成明文数据，在生成的明文数据基础上，从指定的首地址开始至指定的数据长度，获得要读取的明文数据。

如图4C所示，若指定的首地址未对应第N小块存储区的起始地址，从指定的首地址读取指定的数据长度后对应于第M小块存储区的结束地址，则从第N小块存储区的起始地址开始至第M小块存储区的结束地址，读取获得密文数据，对密文数据进行解密生成明文数据，在生成的明文数据基础上，从指定的首地址开始至指定的数据长度，获得要读取的明文数据。

如图4D所示，若指定的首地址未对应第N小块存储区的起始地址，且从指定的首地址开始读取指定的数据长度后未对应于第M小块存储区的结束地址，则从第N小块存储区的起始地址开始至第M小块存储区的结束地址，读取获得密文数据，对密文数据进行解密生成明文数据，在生成的明文数据基础上，从指定的首地址开始至指定的数据长度，获得要读取的明文数据。

2、写数据，如图3所示，包括：

S20：向客户端发送写数据请求，该写数据请求包括指定的首地址、明文数据、明文数据长度；

S21：客户端根据写数据请求，确定相应的密文块存储区，获得相应的密钥ID，确定密钥；

客户端根据读数据请求，从密文块存储区的特定地址块中读取密文数据，利用密钥对密文数据进行解密得到明文数据。

S21：客户端根据写数据请求，对明文数据进行加密，将密文数据写入密文块存储区的特定地址块。

具体方法是：

如图4A所示，若指定的首地址为第N小块存储区的起始地址，且从起始地址开始至明文数据长度后对应于第M小块存储区的结束地址，则直接对明文数据进行加密，从指定的首地址(第N小块存储区的起始地址)开始将密文数据写入明文数据长度的存储区。

如图5A所示，若指定的首地址是第N小块存储区的起始地址，而从指定的首地址开始至明文数据长度后的尾地址未对应于第M小块存储区的结束地址，则首先读取出第M小块存储区的密文数据，对该密文数据进行解密，生成原始明文数据，原始明文数据以尾地址为界限划分为两部分B1、B2，将要写入的明文数据与尾地址到第M小块存储区的结束地址之间的原始明文数据B2依序拼接，然后加密生成密文数据，从指定的首地址(第N小块存储区的起始地址)到第M小块存储区的结束地址，保存密文数据。

如图5B所示，若指定的首地址未对应第N小块存储区的起始地址，从指定的首地址开始至明文数据长度后的尾地址对应于第M小块存储区的结束地址，则首先读取出第N小块存储区的密文数据，对该密文数据进行解密，生成原始明文数据，原始明文数据以指定的首地址为界限划分为两部分A1、A2，将第N小块存储区的起始地址到首地址之间的原始明文数据A1与要写入的明文数据依序拼接，然后加密生成密文数据，从第N小块存储区的起始地址到第M小块存储区的结束地址，保存密文数据。

如图5C所示，若指定的首地址未对应第N小块存储区的起始地址，从指定的首地址开始至明文数据长度后的尾地址未对应于第M小块存储区的结束地址，则首先读取出第N小块存储区、第M小块存储区的密文数据，对第N小块存储区的密文数据进行解密，生成第N小块存储区的原始明文数据，其以指定的首地址为界限划分为两部分A1、A2；对第M小块存储区的密文数据进行解密，生成第M小块存储区的原始明文数据，其以尾地址为界限划分为两部分B1、B2，将第N小块存储区的起始地址到指定的首地址之间的原始明文数据A1、要写入的明文数据、尾地址到第M小块存储区的结束地址之间的原始明文数据B2依序拼接，将拼接后的明文数据进行加密生成密文数据，从第N小块存储区的起始地址到第M小块存储区的结束地址，保存密文数据。

需注意的是，加解密模块对数据的加解密运算，应保证加密、解密前后数据块的大小不变。以4K的数据块为例，数据加密后的密文数据需要固定大小。为了保证这一点，需要对加解密算法进行选择。首先加密算法g，密钥长度t，数据长度m与密文数据长度s需要有确定的关系，选取恰当的密钥长度t，使得当加密算法g与密钥长度t固定时，数据长度m与密文数据长度s的大小保持一致。满足如上关系的加解密算法例如可以是sm4、blowfish，des，idea，tea等。

本发明的数据安全存储系统及方法，将密文块存储区划分为若干预定大小的小块存储区；对明文数据进行加密，将密文数据保存于密文块存储区的特定地址块内，从密文块存储区的特定地址块内读取密文数据，将密文数据解密生成明文数据。通过对客户端读/写操作的数据进行加密、解密处理，存储的数据均为密文数据，结合存储系统的安全认证机制，整体提高分布式存储系统的数据安全可靠性；同时，将密文数据保存于划分为若干小块存储区的块存储区，读/写数据操作时，仅需对覆盖读/写数据范围区域的多个小块存储区进行相应的操作即可，无需再对整个块存储区进行操作，提升数据读写处理的效率，提高存储系统性能。

以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims (12)

1.数据安全存储方法，其特征在于，包括：

将密文块存储区划分为若干预定大小的小块存储区；

对明文数据进行加密，将密文数据保存于密文块存储区的特定地址块内，

从密文块存储区的特定地址块内读取密文数据，将密文数据解密生成明文数据。

2.根据权利要求1所述的数据安全存储方法，其特征在于，根据读请求及所述小块存储区的大小，确定所述特定地址块，该读请求包括指定的首地址、指定的数据长度。

3.根据权利要求1所述的数据安全存储方法，其特征在于，根据写请求及所述小块存储区的大小，确定所述特定地址块，该写请求包括指定的首地址、明文数据、明文数据长度。

4.根据权利要求2所述的数据安全存储方法，其特征在于，所述指定的首地址为第N小块存储区的起始地址，从该起始地址开始读取至所述指定的数据长度后对应于第M小块存储区的结束地址，则直接从所述指定的首地址读取指定的数据长度的密文数据。

5.根据权利要求2所述的数据安全存储方法，其特征在于，所述指定的首地址是第N小块存储区的起始地址，从该起始地址读取所述指定的数据长度后未对应于第M小块存储区的结束地址，则从所述指定的首地址开始至第M小块存储区的结束地址，读取获得密文数据，对该密文数据进行解密生成明文数据，在生成的明文数据基础上，从所述指定的首地址开始至指定的数据长度，获得明文数据。

6.根据权利要求2所述的数据安全存储方法，其特征在于，所述指定的首地址未对应第N小块存储区的起始地址，从所述指定的首地址读取指定的数据长度后对应于第M小块存储区的结束地址，则从第N小块存储区的起始地址开始至第M小块存储区的结束地址，读取获得密文数据，对该密文数据进行解密生成明文数据，在生成的明文数据基础上，从所述指定的首地址开始至指定的数据长度，获得明文数据。

7.根据权利要求2所述的数据安全存储方法，其特征在于，所述指定的首地址未对应第N小块存储区的起始地址，从所述指定的首地址开始读取指定的数据长度后未对应于第M小块存储区的结束地址，则从第N小块存储区的起始地址开始至第M小块存储区的结束地址，读取获得密文数据，对密文数据进行解密生成明文数据，在生成的明文数据基础上，从所述指定的首地址开始至指定的数据长度，获得要读取的明文数据。

8.根据权利要求3所述的数据安全存储方法，其特征在于，所述指定的首地址为第N小块存储区的起始地址，从该起始地址开始至所述明文数据长度后对应于第M小块存储区的结束地址，则直接对明文数据进行加密生成密文数据，从所述指定的首地址开始保存该密文数据。

9.根据权利要求3所述的数据安全存储方法，其特征在于，所述指定的首地址是第N小块存储区的起始地址，从所述指定的首地址开始至所述明文数据长度后的尾地址未对应于第M小块存储区的结束地址，则首先读取出第M小块存储区的密文数据，对该密文数据进行解密，生成原始明文数据，将所述明文数据与尾地址到第M小块存储区的结束地址之间的原始明文数据依序拼接，然后加密生成密文数据，从所述指定的首地址到第M小块存储区的结束地址，保存该密文数据。

10.根据权利要求3所述的数据安全存储方法，其特征在于，所述指定的首地址未对应第N小块存储区的起始地址，从所述指定的首地址开始至所述明文数据长度后的尾地址对应于第M小块存储区的结束地址，则首先读取出第N小块存储区的密文数据，对该密文数据进行解密，生成原始明文数据，将第N小块存储区的起始地址到首地址之间的原始明文数据与所述明文数据依序拼接，加密生成密文数据，从第N小块存储区的起始地址到第M小块存储区的结束地址，保存该密文数据。

11.根据权利要求3所述的数据安全存储方法，其特征在于，所述指定的首地址未对应第N小块存储区的起始地址，从所述指定的首地址开始至所述明文数据长度后的尾地址未对应于第M小块存储区的结束地址，则首先读取出第N小块存储区、第M小块存储区的密文数据，对第N小块存储区的密文数据进行解密，生成第N小块存储区的原始明文数据，对第M小块存储区的密文数据进行解密，生成第M小块存储区的原始明文数据，将第N小块存储区的起始地址到所述指定的首地址之间的原始明文数据、所述明文数据、尾地址到第M小块存储区的结束地址之间的原始明文数据依序拼接，将拼接后的明文数据加密生成密文数据，从第N小块存储区的起始地址到第M小块存储区的结束地址，保存该密文数据。

12.实现上述数据安全存储方法的数据安全存储系统，其特征在于，包括客户端、存储服务器，

存储服务器，包括用于存储密文数据的密文块存储区、该密文块存储区划分成若干个预定大小的小块存储区；

客户端，包括加解密模块，其用于将明文数据进行加密，将生成的密文数据保存于密文块存储区的特定地址块内，用于从密文块存储区的特定地址块内读取密文数据，将密文数据解密生成明文数据。