CN111931201B - 一种基于对称密钥的安全云存储系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于对称密钥的安全云存储系统，涉及涉及云存储安全技术领域，具体方案为：包括云端、可信密钥生成中心、数据所有者和数据使用者；可信密钥生成中心生成密钥，并通过安全通道将密钥分配到数据所有者和数据使用者，数据所有者外包数据块及其标签存储在云端，数据所有者生成数据完整性审核需求，云端使用选定的数据块和标签生成完整性证明，数据使用者验证证明并返回验证结果。本发明提供一种基于对称密钥的安全云存储系统，对于一个3MB的数据文件，能够将外包步骤的时间控制在1秒以下，且在云存储其他阶段的效率也能得到更有效的改进，使得整体效率大幅度提高，这对于安全云存储的应用将有着重要的意义。

Description

一种基于对称密钥的安全云存储系统
技术领域
本发明涉及云存储安全技术领域，更具体地说，它涉及一种基于对称密钥的安全云存储系统。
背景技术
在大数据时代，数据急剧增加(例如，银行中的个人信息，医院的病历信息，公司的财务报告以及法院的存证)对数据存储构成了巨大的挑战。因此公司和个人倾向于将数据外包到云存储提供商中。在很多应用中云存储提供商为我们提供了巨大的便利。但是，由于一些有意或无意的操作，比如内部雇主的恶意操纵，外在黑客的攻击和突然的软件故障会导致云存储提供商丢失或修改数据，因此把数据外包到云存储服务商中也存在着巨大的风险，如何保证云存储服务商中数据的完整性广泛地吸引了广大研究者的兴趣。
安全云存储(SCS)是当下验证数据完整性的最流行的一种解决方案。与传统方法不同(例如数字签名或MAC)，无需下载验证数据完整性的全部数据，因此节省了大量的计算和通讯资源。确切地说，首先，数据所有者将数据文件划分为许多数据块。然后数据所有者为每个数据块生成标签，并将所有数据块及标签一起外包存储到云中。然后，数据使用者发送审核请求，即一些随机选择的数据块索引，然后云端为选定的数据块生成证明。最后，数据使用者验证证明并输出验证结果，以此声明云端数据是否完整。
在2007年，Ateniese和Juels首先提出了SCS的研究工作，随后涌现了越来越多的SCS解决方案。总体而言，这些解决方案大致分为两种类别，基于对称密钥的解决方案和基于非对称密钥的解决方案。对于基于非对称密钥的解决方案，数据使用者和数据所有者不需要事先建立安全的密钥共享通道。但是，由于使用了较为复杂的密码学工具，这些解决方案的效率却并不高。相反，基于对称密钥的解决方案效率很高，所需要的计算资源大幅度减少。考虑到大多数实际应用(例如便携式设备和无线传感器)，效率是最重要的功能之一，因此轻便快捷的解决方案更加贴近实际需求。
以往的研究所提出的安全云存储方案存在两个不足。(1)效率有待提高，在以往的方案中，外包步骤花费了大部分计算资源。数据文件越大，花费的外包时间越多。例如，对于一个3MB的数据文件，通常需要几十秒甚至几分钟的时间来实现外包，这对于安全云存储的应用将有着重要的意义。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于对称密钥的安全云存储系统，对于一个3MB的数据文件，能够将外包步骤的时间控制在1秒以下，且在云存储其他阶段的效率也能得到更有效的改进，使得整体效率大幅度提高。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种基于对称密钥的安全云存储系统，包括云端、可信密钥生成中心、数据所有者和数据使用者；
可信密钥生成中心生成密钥，并通过安全通道将密钥分配到数据所有者和数据使用者，数据所有者外包数据块及其标签存储在云端，数据所有者生成数据完整性审核需求，云端使用选定的数据块和标签生成完整性证明，数据使用者验证证明并返回验证结果；
密钥生成：输入安全参数k，可信密钥生成中心生成一下参数：位长大于等于k的大素数P，素数阶为P的群
Figure GDA0004229494710000031
任一选择一个随机数/>
Figure GDA0004229494710000032
带有k位密钥KOC的伪随机函数
Figure GDA0004229494710000039
系统密钥为(r,KOC)；
外包：数据所有者将数据文件F分为m个数据块，每个数据块表示为di，其中i=1,2…n，将最后一个块使用连续的0和文件大小进行填充；其中每个数据块，数据所有者计算标签
Figure GDA0004229494710000033
所有数据块和对应的标签(di,ti)形成数据文件F'，数据所有者将F'外包给云端；
生成审计请求：随机审核云端上数据的完整性，数据所有者或使用者随机选择索引及数据(i1,i2…il)∈{1,2…,m},
Figure GDA0004229494710000034
数据所有者或数据使用者发送审核查询(i1,i2…il),/>
Figure GDA0004229494710000035
到云端；
生成证明：作为查询响应，云端计算
Figure GDA0004229494710000036
和/>
Figure GDA0004229494710000037
云端返回Γ＝（α,β）作为证明；
验证证明：收到证明Γ，数据所有者或数据使用者检查
Figure GDA0004229494710000038
是否成立，若成立，数据所有者或数据使用者接受证明，否则拒绝证明。
作为一种优选方案，外包过程中，索引和数据块被镶入到标签中，然后将数据更新操作分为两种类型，插入/删除操作和修改操作，输入：标签数组，数据数组，L，L(i)＝(索引，操作，长度，数值)，具体包括以下步骤：
步骤1：初始化n＝L的长度；
步骤2：对于i＝0到n-1，
循环步骤3到步骤15；
步骤3：如果L(i)的操作＝更新，然后
步骤4：q＝1到L(i)的长度，
循环步骤5到步骤7；
步骤5：从标签数组中获取数据块
Figure GDA0004229494710000041
对应的索引iq；
步骤6：使用
Figure GDA0004229494710000047
和iq重新计算标签/>
Figure GDA0004229494710000042
步骤7：在数据数组中更新
Figure GDA0004229494710000043
步骤8：如果L(i)的操作＝插入，然后
步骤9：q＝1到L(i)的长度，
循环步骤10到步骤12；
步骤10：使用
Figure GDA0004229494710000044
和L(i)的索引+q-1计算标签/>
Figure GDA0004229494710000045
步骤11：在数据数组起始位置L(i)的索引+q-1插入
Figure GDA0004229494710000046
步骤12：在标签数组起始位置L(i)的索引+q-1插入L(i)的索引+q-1；
步骤13：如果L(i)的操作＝其他，然后
步骤14：q＝1到L(i)的长度，
循环步骤15；
步骤15：在数据数组和标签数组中删除
Figure GDA0004229494710000051
对应的元素。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
本发明提供一种基于对称密钥的安全云存储系统，对于一个3MB的数据文件，能够将外包步骤的时间控制在1秒以下，且在云存储其他阶段的效率也能得到更有效的改进，使得整体效率大幅度提高，这对于安全云存储的应用将有着重要的意义。
附图说明
图1是本发明实施例的安全云存储系统模型图；
图2是本发明实施例的数据更新的四种示例图。
具体实施方式
本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包括”为一开放式用语，故应解释成“包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。
下面结合附图进行进一步说明。
安全云存储。数据所有者可有效地将数据外包给云。此外，数据所有者或数据使用者能够验证云上的数据是否完整。
数据动态。数据在被外包到云后，能够支持动态更新。方案应允许数据所有者执行各种更新操作，包括数据插入，删除和修改。
安全威胁。我们认为安全威胁来自于云端，恶意云可能会偏离指定的规则进行操作。数据所有者将数据外包给云后，出于各种原因(例如硬件或软件故障)，在云端的数据发生了更改，同时，恶意云选择欺骗用户存储在云端的数据仍然完整。
假设条件。方案存在两个假设条件。首先，负责分发密钥的信道假定是安全的。其次，数据所有者和数据使用者可以安全地存储私钥。
在之前安全云存储方案的基础上，我们提出了一种轻量级可更新可审计云存储方案—SecACS。如图1所示，SecACS系统模型由以下五个实体组成。
云服务器提供商(CSP)。CSP由两部分组成。一部分负责存储数据。另一部分负责响应数据审核请求，并返回数据完整性的证明。
可信密钥生成中心(TKGC)。TKGC是值得信赖的第三方，负责生成系统公共参数和在以下阶段中使用的秘密密钥。
数据使用者。数据使用者负责将审核查询发送到CSP并验证来自云端返回的完整性证明。
数据所有者。数据所有者负责将数据外包给CSP并更新数据。安全信道。密钥在安全信道中分发并通过安全通道传输。
简要描述安全云存储的步骤如下：首先，TKGC生成密钥，然后通过安全通道将其分配给数据所有者和数据使用者。然后数据所有者外包数据块及其标签给云端。数据所有者生成数据完整性审核需求。云端使用选定的数据块和标签生成完整性证明。之后数据使用者验证证明并返回验证结果。
具体方案
1.SecACS
SecACS包含如下五个计算步骤：(1)密钥生成；(2)外包；(3)生成审计请求；(4)生成证明；(5)验证证明。为了简要表达，我们忽略计算过程中的模运算(mod)符号，每个步骤的具体描述如下。
(1)密钥生成(KeyGen(1k)→(KOC,r))：输入安全参数k，TKGC生成以下参数：位长大于等于k的大素数p，素数阶为p的群
Figure GDA0004229494710000071
任意选择一个随机数/>
Figure GDA0004229494710000072
一个带有k位密钥KOC的伪随机函数/>
Figure GDA0004229494710000073
系统密钥为(r,KOC)。
(2)外包(Outsource(F,KOC,r)→F')：数据所有者将数据文件F分为m个数据块，将每个数据块表示为di，其中i＝1,2…n，我们将最后一个块使用连续的0和文件大小进行填充。对于每个数据块，数据所有者计算标签
Figure GDA0004229494710000074
所有的数据块和对应的标签(di,ti)形成数据文件F'，数据所有者将F'外包给云端。
(3)生成审计请求(Audit→q)：随机审核CSP上数据的完整性。数据所有者或使用者随机选择索引及数值(i1,i2…il)∈{1,2…,m},
Figure GDA0004229494710000075
数据所有者或数据使用者发送审核查询(i1,i2…il),/>
Figure GDA0004229494710000076
到CSP。
(4)生成证明(Proof(q,F')→Γ)：作为对查询的响应，CSP计算
Figure GDA0004229494710000077
和
Figure GDA0004229494710000078
CSP返回Γ＝(α,β)作为证明。
(5)验证证明(Verify(q,Γ,KOC,r)→δ)：收到证明Γ，数据所有者或数据使用者检查
Figure GDA0004229494710000081
是否成立。若成立，数据所有者或数据使用者接受证明，否则拒绝证明。
2.动态更新
2、数据动态更新包括数据插入，删除和修改。在外包中，标签设定为
Figure GDA0004229494710000082
索引和数据块被嵌入到标签中。我们将数据更新操作分为两种类型，插入/删除操作和修改操作。插入/删除操作会导致块索引的改变，而修改操作将不会修改索引值。为了提高效率，我们的方案支持数据的批量更新。我们在图2中详细描述了数据更新的过程。标签数组用于记录数据索引，数据数组表示数据块。在验证中，我们可以根据标签数组找到数据的原始索引。标签数组的初始长度与原始数据块的数量相同。对于数据修改操作，标签数组中的内容保持不变(第3-7行)。对于插入/删除操作，标签数组中更新点之后的元素会发生改变(第8-15行)。表示一个更新列表，中的每个元素可表示为一个四维组：L(i)＝(索引，操作，长度，数值)。其中索引是一个可选参数，表示插入操作中起始的索引位置，操作代表的是插入/删除/更新的类型，长度表示的是一次操作的数据块长度，数值
Figure GDA0004229494710000083
表示的是具体数据块。
外包过程中，索引和数据块被镶入到标签中，然后将数据更新操作分为两种类型，插入/删除操作和修改操作，输入：标签数组，数据数组，L，L(i)＝(索引，操作，长度，数值)，具体包括以下步骤：
步骤1：初始化n＝L的长度；
步骤2：对于i＝0到n-1，
循环步骤3到步骤15；
步骤3：如果L(i)的操作＝更新，然后
步骤4：q＝1到L(i)的长度，
循环步骤5到步骤7；
步骤5：从标签数组中获取数据块
Figure GDA0004229494710000091
对应的索引iq；
步骤6：使用
Figure GDA0004229494710000092
和iq重新计算标签/>
Figure GDA0004229494710000093
步骤7：在数据数组中更新
Figure GDA0004229494710000094
步骤8：如果L(i)的操作＝插入，然后
步骤9：q＝1到L(i)的长度，
循环步骤10到步骤12；
步骤10：使用
Figure GDA0004229494710000095
和L(i)的索引+q-1计算标签/>
Figure GDA0004229494710000096
步骤11：在数据数组起始位置L(i)的索引+q-1插入
Figure GDA0004229494710000097
步骤12：在标签数组起始位置L(i)的索引+q-1插入L(i)的索引+q-1；
步骤13：如果L(i)的操作＝其他，然后
步骤14：q＝1到L(i)的长度，
循环步骤15；
步骤15：在数据数组和标签数组中删除
Figure GDA0004229494710000098
对应的元素。
示例1：更新数据块d4、d5为数据块d4'、d5'。首先使用索引4、索引5和数据块d4、d5得到新的标签t4'、t5'。随后数据所有者使用(d4,t4')、(d5,t5')进行替换，对于更新操作来说，标签数组的元素不会发生改变。
示例2：在数据块的起始索引2处插入数据块d2'、d3'。首先数据所有者计算得到标签t2'、t3'。随后数据所有者在数据数组中插入(d'2,t2')、(d'3,t3')，在标签数组中插入2和3。
示例3：删除数据块(d1,d2')。首先数据所有者在数据数组中删除(d1,t1)、(d'2,t'2)，然后数据所有者从标签数组中删除索引1和2。
示例4：在数据数组的起始位置2处插入数据块d”4，删除d'4，更新数据块d'5为d”5。首先使用索引2和数据块d”4计算标签t”4。随后数据所有者在数据数组中插入(d”4,t”4)并且在标签数组中插入索引2。数据所有者从数据数组中删除(d'4,t'4)并且从标签数组中删除索引4。数据所有者使用索引5和数据块d5'计算标签t5'，最后数据所有者在数据数组中使用(d”5,t”5)代替(d'5,t'5)。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (2)

1.一种基于对称密钥的安全云存储系统，其特征在于，包括云端、可信密钥生成中心、数据所有者和数据使用者；
可信密钥生成中心生成密钥，并通过安全通道将密钥分配到数据所有者和数据使用者，数据所有者外包数据块及其标签存储在云端，数据所有者生成数据完整性审核需求，云端使用选定的数据块和标签生成完整性证明，数据使用者验证证明并返回验证结果；
密钥生成：输入安全参数k，可信密钥生成中心生成一下参数：位长大于等于k的大素数P，素数阶为P的群
Figure FDA0004228096620000011
任一选择一个随机数/>
Figure FDA0004228096620000012
带有k位密钥KOC的伪随机函数
Figure FDA0004228096620000013
系统密钥为(r,KOC)；
外包：数据所有者将数据文件F分为m个数据块，每个数据块表示为di，其中i＝1,2…n，将最后一个块使用连续的0和文件大小进行填充；其中每个数据块，数据所有者计算标签
Figure FDA0004228096620000014
所有数据块和对应的标签(di,ti)形成数据文件F'，数据所有者将F'外包给云端；
生成审计请求：随机审核云端上数据的完整性，数据所有者或使用者随机选择索引及数据
Figure FDA0004228096620000015
数据所有者或数据使用者发送审核查询
Figure FDA0004228096620000016
到云端；
生成证明：作为查询响应，云端计算
Figure FDA0004228096620000017
和/>
Figure FDA0004228096620000018
云端返回Γ＝(α,β)作为证明；
验证证明：收到证明Γ，数据所有者或数据使用者检查
Figure FDA0004228096620000021
是否成立，若成立，数据所有者或数据使用者接受证明，否则拒绝证明。
2.根据权利要求1所述的基于对称密钥的安全云存储系统，其特征在于，所述外包过程中，索引和数据块被镶入到标签中，然后将数据更新操作分为两种类型，插入/删除操作和修改操作，输入：标签数组，数据数组，L，L(i)＝(索引，操作，长度，数值)，具体包括以下步骤：
步骤1：初始化n＝L的长度；
步骤2：对于i＝0到n-1，
循环步骤3到步骤15；
步骤3：如果L(i)的操作＝更新，然后
步骤4：q＝1到L(i)的长度，
循环步骤5到步骤7；
步骤5：从标签数组中获取数据块
Figure FDA0004228096620000022
对应的索引iq；
步骤6：使用
Figure FDA0004228096620000023
和iq重新计算标签/>
Figure FDA0004228096620000024
步骤7：在数据数组中更新
Figure FDA0004228096620000025
步骤8：如果L(i)的操作＝插入，然后
步骤9：q＝1到L(i)的长度，
循环步骤10到步骤12；
步骤10：使用
Figure FDA0004228096620000026
和L(i)的索引+q-1计算标签/>
Figure FDA0004228096620000027
步骤11：在数据数组起始位置L(i)的索引+q-1插入
Figure FDA0004228096620000028
步骤12：在标签数组起始位置L(i)的索引+q-1插入L(i)的索引+q-1；
步骤13：如果L(i)的操作＝其他，然后
步骤14：q＝1到L(i)的长度，
循环步骤15；
步骤15：在数据数组和标签数组中删除
Figure FDA0004228096620000031
对应的元素。
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