CN108123934A - 一种面向移动端的数据完整性校验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及云服务技术领域，特别涉及一种面向移动端的数据完整性校验方法；本发明包括步骤S1、利用BLS短签名对移动端产生文件进行签名；步骤S2、签名验证成功后，利用动态哈希表存储移动端产生的文件的更新信息和文件的验证优先度，根据验证优先度对移动端产生的文件进行有选择的验证；在本发明中，利用BLS短签名的数字签名方式和动态哈希表进行信息更新、选择性的验证，减轻可信第三方在验证移动端数据完整性时的压力，同时降低可信第三方的计算、存储和通信开销。

Description

一种面向移动端的数据完整性校验方法

技术领域

本发明涉及云服务技术领域，特别涉及一种面向移动端的数据完整性校验方法。

背景技术

当今世界是个互联世界，每时每刻都有大量的数据在网络上传播，每个人每天都会产生大量的信息。随着存储技术的提高，人们能够将自己的足迹通过照片、视频、音频、文字等手段记录下来；而伴随着个人数据量的不断增大和人们生活节奏的加快，本地存储容量不能满足人们的存储需求，同时人们希望能够将智能终端产生的数据共享到不同的平台，所以人们选择将数据上传到云端。

目前人们对数据的安全提出了更多的要求，不仅要求数据的秘密性，也要求数据的完整性和处理数据的便捷性和高效性，但云服务提供商并不能保证自身的安全性，无形中增加了用户数据泄露甚至损坏的可能，同时，云服务提供商提供的是完全透明的服务，造成云服务提供商内部的问题如数据应用迁移问题、服务接口问题等用户无法得知，对云计算安全带来了新的挑战，对于使用云服务提供商提供的云服务的用户来说，在本地没有数据的备份的状况下，他们希望能够对云端数据执行周期性的高效验证，同时希望能够满足验证地便携性。

发明内容

为了克服上述所述的不足，本发明的目的是提供一种面向移动端的数据完整性校验方法，其利用BLS短签名的数字签名方式和动态哈希表进行信息更新、选择性的验证，减轻可信第三方在验证移动端数据完整性时的压力，同时降低可信第三方的计算、存储和通信开销。

本发明解决其技术问题的技术方案是：

一种面向移动端的数据完整性校验方法，其中，包括如下步骤：

步骤S1、利用BLS短签名对移动端产生文件进行签名；

步骤S2、签名验证成功后，利用动态哈希表存储移动端产生的文件的更新信息和文件的验证优先度，根据验证优先度对移动端产生的文件进行有选择的验证。

作为本发明的一种改进，还包括如下步骤：

步骤S3、对经过处理的上传文件进行文件信息表的更新。

作为本发明的进一步改进，在步骤S1内包括如下步骤:

步骤S11、利用BLS短签名对加密的文件分块进行签名；

步骤S12、利用BLS短签名对待验证文件分块进行签名验证；

步骤S13、利用BLS短签名对云服务提供商提供的证明进行验证。

作为本发明的更进一步改进，在步骤S2内包括如下步骤:

步骤S21、利用动态哈希表存储用户上传的文件以及文件分块的信息；

步骤S22、利用动态哈希表存储用户更新文件以及文件分块的信息；

步骤S23、根据文件的更新信息重新计算文件验证优先度，文件验证优先度与文件块的版本号成正比，与更新时间成反比；

步骤S24、根据文件验证优先度对文件进行选取；

步骤S25、利用验证优先度对移动端产生的文件进行有选择的验证。

作为本发明的更进一步改进，在步骤S3内包括如下步骤:

步骤S31、用户选择操作文件；

步骤S32、对文件进行分块加密；

步骤S33、构造更新信息，添加操作说明；

步骤S34、将文件发送给云服务提供商；

步骤S35、将更新信息发送给可信第三方；

步骤S36、可信第三方根据更新信息修改文件信息表；

步骤S37、返回插入成功，用户删除本地信息。

作为本发明的更进一步改进，在步骤S11内包括如下步骤：

步骤S111、用户登录；

步骤S112、用户生成密钥以及签名所用的参数。

作为本发明的更进一步改进，在步骤S12内包括如下步骤：

步骤S121、选择文件，生成加密文件分块、文件块标签同时生成文件块的更新信息。

作为本发明的更进一步改进，在步骤S13内包括如下步骤：

步骤S131、用户将加密文件分块、文件ID、文件块签名发送给云服务提供商；

步骤S132、用户将文件和文件块更新信息发送到可信第三方；

步骤S133、可信第三方将文件和文件块的更新信息插入到动态哈希表中；

步骤S134、可信第三方根据更新信息计算验证优先度；

步骤S135、返回发送成功信息。

作为本发明的更进一步改进，在步骤S24内，还包括如下步骤：

步骤S241、用户请求验证；

步骤S242、可信第三方读取文件信息表，根据验证优先度选取文件。

作为本发明的更进一步改进，在步骤S25内，还包括如下步骤：

步骤S251、可信第三方根据选取的文件构造验证挑战并将挑战发送给云服务提供商；

步骤S252、云服务提供商生成证明信息并返回给可信第三方；

步骤S253、可信第三方进行完整性验证；

步骤S254、可信第三方返回验证结果。

在本发明中，利用BLS短签名的数字签名方式和动态哈希表进行信息更新、选择性的验证，减轻可信第三方在验证移动端数据完整性时的压力，同时降低可信第三方的计算、存储和通信开销。

附图说明

为了易于说明，本发明由下述的较佳实施例及附图作以详细描述。

图1为本发明中步骤S1的具体步骤流程框图；

图2为本发明中步骤S2的具体步骤流程框图；

图3为本发明中步骤S3的具体步骤流程框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1、图2和图3所示，本发明的一种面向移动端的数据完整性校验方法，包括如下步骤：

步骤S1、利用BLS短签名对移动端产生文件进行签名；

步骤S2、签名验证成功后，利用动态哈希表存储移动端产生的文件的更新信息和文件的验证优先度，根据验证优先度对移动端产生的文件进行有选择的验证。

进一步，本发明的一种面向移动端的数据完整性校验方法还包括如下步骤：步骤S3、对经过处理的上传文件进行文件信息表的更新。

目前，移动端的数据大多是由小视频，短音频，图片等组成，单个文件不会很大，但文件数量多，且更新速度快，而现有技术采用默克尔哈希树的结构保存文件的验证相关信息，增加了云服务提供商的存储开销，在更新文件时需要对整个哈希树进行重构，对可信第三方带来严重的计算和通信开销，同时现有技术每次验证都对所有的移动端的文件进行验证，会带来严重的通信开销。

在本发明中，利用BLS短签名的数字签名方式和动态哈希表进行信息更新、选择性的验证，减轻可信第三方在验证移动端数据完整性时的压力，同时降低可信第三方的计算、存储和通信开销，还保证验证的可靠度。

在本发明中应用到动态哈希表，其中涉及到相关内容，哈希表是根据关键码值(Key value)而直接进行访问的数据结构，也就是说，它通过把关键码值映射到表中一个位置来访问记录，以加快查找的速度，这个映射函数叫做散列函数，存放记录的数组叫做散列表，给定表M，存在函数 f(key)，对任意给定的关键字值key，代入函数后若能得到包含该关键字的记录在表中的地址，则称表M为哈希(Hash)表，函数f(key)为哈希(Hash) 函数。

哈希函数是密码学认证理论的重点之一，利用哈希函数可保证数据的完整性，哈希函数又被称为散列函数，是一种单向的密码体制，即只能从明文到密文转换而不能够进行逆向运算的关系。

数据持有证明技术是一种数据完整性验证技术，其模型中允许服务器证明其数据的完整性，数据拥有者会产生数据文件中一些元数据或信息，通过云服务器质询-响应协议，执行验证操作。

数字签名(又称公钥数字签名、电子签章)是一种类似写在纸上的普通的物理签名，但是使用了公钥加密领域的技术实现，用于鉴别数字信息的方法；一套数字签名通常互补的运算，一个用于签名，另一个用于验证。数字签名，就是只有信息的发送者才能产生的别人无法伪造的一段数字串，这段数字串同时也是对信息的发送者发送信息真实性的一个有效证明。数字签名是非对称密钥加密技术与数字摘要技术的应用。

BLS签名方案是由Boneh、Lynn、Shacham三人提出的一种新的签名方案，是利用双线性映射的性质进行验证操作的，依托于椭圆曲线，相比于传统的数字签名方案(2048位甚至是4096位密钥)，它的签名长度缩短为160位，却具有相同的安全级别，因此，它又被称为BLS短签名。

BLS签名及其验证过程分为三步：

1)生成公钥和私钥：在大素数p的整数域内随机选择整数α，作为用户私钥，用户利用其在有限域上的循环群G上生成公钥。

2)签名：用户首先计算h＝H(m)，然后利用私钥α计算签名σ＝h^α，保存签名信息。

3)验证：对生成的签名信息和公钥信息，验证者可以通过验证等式 e(σ,g)＝e(H(m),g^α)是否成立，如果成立，则签名完整，反之，签名不完整。

在步骤S1内包括如下步骤:

步骤S11、利用BLS短签名对加密的文件分块进行签名；

步骤S12、利用BLS短签名对待验证文件分块进行签名验证；

步骤S13、利用BLS短签名对云服务提供商提供的证明进行验证。

如图1所示，本发明提供步骤S1的具体步骤：

在步骤S11内包括如下步骤：

步骤S111、用户登录；

步骤S112、用户生成密钥以及签名所用的参数；

进一步，在步骤S12内包括如下步骤：

步骤S121、选择文件，生成加密文件分块、文件块标签同时生成文件块的更新信息。

更进一步，在步骤S13内包括如下步骤：

步骤S131、用户将加密文件分块、文件ID、文件块签名发送给云服务提供商；

步骤S132、用户将文件和文件块更新信息发送到可信第三方；

步骤S133、可信第三方将文件和文件块的更新信息插入到动态哈希表中；

步骤S134、可信第三方根据更新信息计算验证优先度；

步骤S135、返回发送成功信息。

具体地讲，在步骤S112内，用户根据乘法循环群G₁生成用户私钥SK＝(a) 以及公钥PK＝(g,y,u)，其中g,u∈G₁,a是Z_p群中取出的随机值，而y＝g^a；用户发布公钥PK，同时用户生成加密文件用的密钥k。

在步骤S121内，加密文件分块ci＝E(Mi,k)，并对加密后的文件分块进行签名，用户生成文件的信息x＝{ID，Φ}，其中ID表示文件标识符，Φ＝{v_i，t_i}表示文件分块的更新信息，t_i表示文件块的更新的时间戳，v_i表示文件块的版本号，同时用户生成文件块签名值。

在步骤S131内，用户将文件C＝{ci}、文件标识符ID和签名值{σi}发送给云服务提供商，云服务提供商对数据进行处理，计算θ_i＝e(σi,y)。

在步骤S132内，将文件的更新信息x发送给可信第三方，可信第三方在接收到用户发送的更新信息时，在文件信息表中添加文件更新记录。可信第三方在接收到用户发送的更新信息时，在文件信息表中添加一条文件记录，包括编号、文件标识符ID、文件分块数、验证优先度以及数据块的信息链表，其中数据块的信息链表的节点内容包括最近修改时间、版本号以及随机数，验证优先度则是由数据块的更新信息计算所得，优先度越高，文件被选中的概率越高，更新时间越早，验证的优先度越高(由于保存时间越长的文件损坏的概率越高，所以这里更新时间早表示存储在云端的时间长)，文件块版本号越小，验证优先度越高。

如图2所示，本发明提供步骤S2的具体步骤：

在步骤S2内包括如下步骤:

步骤S21、利用动态哈希表存储用户上传的文件以及文件分块的信息；

步骤S22、利用动态哈希表存储用户更新文件以及文件分块的信息；

步骤S23、根据文件的更新信息重新计算文件验证优先度，文件验证优先度与文件块的版本号成正比，与更新时间成反比；

步骤S24、根据文件验证优先度对文件进行选取；

步骤S25、利用验证优先度对移动端产生的文件进行有选择的验证。

进一步，在步骤S24内，还包括如下步骤：

步骤S241、用户请求验证；

步骤S242、可信第三方读取文件信息表，根据验证优先度选取文件。

更进一步，在步骤S25内，还包括如下步骤：

步骤S251、可信第三方根据选取的文件构造验证挑战并将挑战发送给云服务提供商；

步骤S252、云服务提供商生成证明信息并返回给可信第三方；

步骤S253、可信第三方进行完整性验证；

步骤S254、可信第三方返回验证结果。

具体地讲，在步骤S242内，可信第三方在接收到验证请求后，读取文件信息表，根据验证优先度对文件进行选择，优先度越高，被选中的概率越高，生成验证文件集{ID_N}。

在步骤S251内，对于验证文件集中的每一个文件ID，获取其文件分块数n，可信第三方构成挑战信P＝{F＝{ID_N},S_m＝{s_i|0＜i＜j,j∈[1,n]},R＝ {R_i|i∈S},Var}，其中Var＝y^r，其中r是随机正整数，将挑战信息P发送给云服务提供商。

在步骤S252内，云服务提供商根据P从用户的数据库中取出相应的数据构造挑战证明P＝{D,M}，其中云服务提供商将证明信息P发送给可信第三方进行验证。

在步骤S253内，可信第三方对挑战证明进行验证，可信第三方根据集合S从用户文件信息表中提取出v_i，t_i，计算判断是否等于D^r，如果相等，则数据完整性验证通过，否则完整性验证失败。

如图3所示，本发明提供步骤S3的具体步骤：

在步骤S3内包括如下步骤:

步骤S31、用户选择操作文件；

步骤S32、对文件进行分块加密；

步骤S33、构造更新信息，添加操作说明；

步骤S34、将文件发送给云服务提供商；

步骤S35、将更新信息发送给可信第三方；

步骤S36、可信第三方根据更新信息修改文件信息表；

步骤S37、返回插入成功，用户删除本地信息。

具体地讲，在步骤S33内，对用户每个文件块重新构造其更新信息并添加文件操作说明，将重新生成后的文件块与原来的文件块进行比对，生成新的文件更新信息x^*＝{ID,OP,Φ^*,i}，其中，OP包括插入数据块、删除数据块和更改数据块。

在步骤S35内，用户将文件更新信息发送到可信第三方，可信第三方根据OP对文件信息表进行修改；如果OP是插入数据块，则在对应ID的文件记录的数据链表中第i个节点之后添加一个节点，如果OP是删除数据块，则将对应的节点删除，如果是更改操作，则修改节点的更新信息，更新完毕后，重新计算验证优先度。

本发明提供一个具体地实施例进行讲解，比如，用户有一批关键文件需要上传到服务器，为了保证未来需要这批文件的时候这批文件能够正常的使用，用户提出了能够多次对文件进行完整性校验的需求，用户按照图1的方法对这些关键的文件进行处理，过了一阵子，用户想对自己上传的所有文件进行完整性验证，于是用户提交验证请求，按照图2的流程进行完整性验证，之后用户如果想对文件进行修改，首先用户下载文件，解密修改后按照图3将文件重新上传回云服务器，具体地讲，如图1所示，首先，用户根据乘法循环群G₁生成用户私钥SK＝(a)以及公钥PK＝(g,y,u)(在本方法中，为了保证数据的安全，所有的密钥都是由用户生成，公钥公开发送给可信第三方，这里采用的是数字签名技术，密钥K用于对文件进行加密，以防信息泄露)，其中g,u∈G₁,a是Z_p群中取出的随机值，而y＝g^a，用户发布公钥PK。同时用户生成加密文件用的密钥k；然后，加密文件分块ci＝E(Mi,k)，并对加密后的文件分块进行签名(对文件先进行分块再进行加密)，用户生成文件的信息x＝{ID，Φ}，其中ID表示文件标识符，Φ＝{v_i，t_i}表示文件分块的更新信息，t_i表示文件块的更新的时间戳，v_i表示文件块的版本号，用户生成文件块签名值；再然后，用户将文件C＝{ci}，文件ID和签名值{σi}发送给云服务提供商，云服务提供商对数据进行一定的处理，计算θ_i＝e(σi,y)；最后，将文件的更新信息x发送给可信第三方，可信第三方在接收到用户发送的更新信息时，在文件信息表中添加一条文件记录，包括编号、文件标识符ID、文件分块数、验证优先度以及数据块的信息链表，其中数据块的信息链表的节点内容包括最近修改时间、版本号以及随机数，验证优先度则是由数据块的更新信息计算所得；优先度越高，文件被选中的概率越高，更新时间越早，验证的优先度越高(由于保存时间越长的文件损坏的概率越高，所以这里更新时间早表示存储在云端的时间长)，文件块版本号越小验证优先度越高。如图2所示，用户对自己的文件完整性进行验证(验证是由用户发起的，主要是对上传到云端的文件进行选择性验证)的过程，首先，用户发送验证请求；然后，可信第三方在接收到验证请求后，读取文件信息表，根据验证优先度对文件进行选择，优先度越高，被选中的概率越高，生成验证文件集{{ID_N}；再然后，对于验证文件集中的每一个文件ID，获取其文件分块数n，可信第三方构成挑战信息 P＝{F＝{ID_N},S_m＝{s_i|0＜i＜j,j∈[1,n]},R＝{R_i|i∈S},Var}，其中Var＝y^r，其中r是随机正整数，将挑战信息P发送给云服务提供商；再然后，云服务提供商根据P从用户的数据库中取出相应的数据构造挑战证明P＝{D,M}，其中云服务提供商将证明信息P 发送给可信第三方进行验证；最后，可信第三方对挑战证明进行验证，可信第三方根据集合S从用户文件信息表中提取出v_i，t_i，计算判断是否等于D^r，如果相等，则数据完整性验证通过，否则完整性验证失败。如图3所示，描述了用户上传经过处理的文件的信息更新过程；首先，用户对操作过的文件(这里主要指的是更新用户曾经上传的文件，例如一个数据表格，可能在上传至云端之后发现数据出错，便从云端下载下来进行修改，修改完毕对文件执行图3的过程)进行分块加密；然后，用户每个文件块重新构造其更新信息并添加文件操作说明，将重新生成后的文件块与原来的文件块进行比对，生成新的文件更新信息x^*＝{ID,OP,Φ^*,i}，OP包括插入数据块、删除数据块、更改数据块等；再然后，用户将文件发送给云服务提供商；最后，用户将文件更新信息发送到可信第三方，可信第三方根据OP对文件信息表进行修改，如果OP是插入数据块，则在对应ID的文件记录的数据链表中第i个节点之后添加一个节点，如果OP是删除数据块，则将对应的节点删除，如果是更改操作，则修改节点的更新信息，更新完毕后，重新计算验证优先度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种面向移动端的数据完整性校验方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、利用BLS短签名对移动端产生文件进行签名；

步骤S2、签名验证成功后，利用动态哈希表存储移动端产生的文件的更新信息和文件的验证优先度，根据验证优先度对移动端产生的文件进行有选择的验证。

2.根据权利要求1所述的一种面向移动端的数据完整性校验方法，其特征在于，还包括如下步骤：

步骤S3、对经过处理的上传文件进行文件信息表的更新。

3.根据权利要求1或2所述的一种面向移动端的数据完整性校验方法，其特征在于，在步骤S1内包括如下步骤:

步骤S11、利用BLS短签名对加密的文件分块进行签名；

步骤S12、利用BLS短签名对待验证文件分块进行签名验证；

步骤S13、利用BLS短签名对云服务提供商提供的证明进行验证。

4.根据权利要求3所述的一种面向移动端的数据完整性校验方法，其特征在于，在步骤S2内包括如下步骤:

步骤S21、利用动态哈希表存储用户上传的文件以及文件分块的信息；

步骤S22、利用动态哈希表存储用户更新文件以及文件分块的信息；

步骤S23、根据文件的更新信息重新计算文件验证优先度，文件验证优先度与文件块的版本号成正比，与更新时间成反比；

步骤S24、根据文件验证优先度对文件进行选取；

步骤S25、利用验证优先度对移动端产生的文件进行有选择的验证。

5.根据权利要求2所述的一种面向移动端的数据完整性校验方法，其特征在于，在步骤S3内包括如下步骤:

步骤S31、用户选择操作文件；

步骤S32、对文件进行分块加密；

步骤S33、构造更新信息，添加操作说明；

步骤S34、将文件发送给云服务提供商；

步骤S35、将更新信息发送给可信第三方；

步骤S36、可信第三方根据更新信息修改文件信息表；

步骤S37、返回插入成功，用户删除本地信息。

6.根据权利要求3所述的一种面向移动端的数据完整性校验方法，其特征在于，在步骤S11内包括如下步骤：

步骤S111、用户登录；

步骤S112、用户生成密钥以及签名所用的参数。

7.根据权利要求6所述的一种面向移动端的数据完整性校验方法，其特征在于，在步骤S12内包括如下步骤：

步骤S121、选择文件，生成加密文件分块、文件块标签同时生成文件块的更新信息。

8.根据权利要求7所述的一种面向移动端的数据完整性校验方法，其特征在于，在步骤S13内包括如下步骤：

步骤S131、用户将加密文件分块、文件ID、文件块签名发送给云服务提供商；

步骤S132、用户将文件和文件块更新信息发送到可信第三方；

步骤S133、可信第三方将文件和文件块的更新信息插入到动态哈希表中；步骤S134、可信第三方根据更新信息计算验证优先度；

步骤S135、返回发送成功信息。

9.根据权利要求4所述的一种面向移动端的数据完整性校验方法，其特征在于，在步骤S24内，还包括如下步骤：

步骤S241、用户请求验证；

步骤S242、可信第三方读取文件信息表，根据验证优先度选取文件。

10.根据权利要求9所述的一种面向移动端的数据完整性校验方法，其特征在于，在步骤S25内，还包括如下步骤：

步骤S251、可信第三方根据选取的文件构造验证挑战并将挑战发送给云服务提供商；

步骤S252、云服务提供商生成证明信息并返回给可信第三方；

步骤S253、可信第三方进行完整性验证；

步骤S254、可信第三方返回验证结果。