CN113949713A - 一种基于数据漂移的动态存储方法、存储介质和计算机设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及数据动态存储领域，具体为一种基于数据漂移的动态存储方法、存储介质和计算机设备，通过将待存储的目标文件分割成若干微小的数据颗粒，分别存储在不同的云网络存储节点中，并持续、随机改变其存储位置，随着数据微粒存储地址的随机变化，初步实现了一种云存储的动态弹性安全防御。另外，其数据微粒化的保存方式也分散了数据泄露的风险。由于恶意攻击者不可能在同一时间内攻破所有存储节点或同时捕获所有数据颗粒，即使数据以明文形式存在，也能够确保数据的安全性。同时，云体系结构的弹性、自相似特点，也十分适合实现动态化存储机制。
Description
技术领域
本发明涉及数据动态存储领域，具体为一种基于数据漂移的动态存储方法、存储介质和计算机设备。
背景技术
云存储具有超大容量、高通用性和高扩展性的显著优点，用户只需支付少量的费用便可以享受巨量的存储空间。伴随着数据存储业务量需求的快速递增，云存储逐渐演进成为不可或缺的通用基础设施，其安全问题倍受关注。云存储数据的安全性又包括数据机密性、完整性和可用性，保护方法各异。
当前，云存储按照其体系结构可分存储层、基础管理层、应用接口层和访问层，存储层是数据存储的实体，其数据存储方法继承自传统存储(NAS、FC、iSCSI等)机制，数据存储物理位置相对固定、存储分布视图变化频率低，本质上是一种分布式静态存储，且云存储安全技术对密码保护依赖性较强，不可避免的存在密钥管理复杂、加解密开销大等问题。
发明内容
为解决上述背景技术中所存在的问题，本发明提出了一种基于数据漂移的动态存储方法，所述方法包括：
将待存储的目标文件分割成若干微小的数据微粒，并将所述数据微粒分别存储在不同的存储节点中；
持续并随机的改变所述数据微粒的存储位置；
定义通信包结构体，根据所述结构体的数据类型变量判断通信包类型，根据所述通信包类型对所述数据微粒进行重组。
进一步的，所述将待存储的目标文件分割成若干微小的数据微粒，并将所述数据微粒分别存储在不同的存储节点中具体为：
对所述目标文件进行置乱处理，得到第一目标文件；
对所述第一目标文件进行分割，得到一组数据微粒；
对所述一组数据微粒随机存储至不同的存储节点。
进一步的，所述持续并随机的改变所述数据微粒的存储位置具体为：
基于驱动随机数，持续对所述数据微粒在不同的存储节点进行漂移。
进一步的，所述驱动随机数的产生方法具体为均匀分布法和/或梅森旋转法。
进一步的，在所述基于驱动随机数，持续对所述数据微粒在不同的存储节点进行漂移前，还包括：
所述数据微粒的存储节点对数据微粒进行冗余备份：
在数据微粒进行漂移前，在数据微粒所在的原存储节点中保存一份副本，在其成功跳转至一个新的存储节点后，将原存储节点中的副本删除。
进一步的，所述基于驱动随机数，持续对所述数据微粒在不同的存储节点进行漂移中，基于源抑制方法，结合网络通信的繁忙程度，自适应的调整数据微粒的漂移。
进一步的，所述定义通信包结构体，根据所述结构体的数据类型变量判断通信包类型，根据所述通信包类型对所述数据微粒进行重组具体为：
对所有存储节点发出数据微粒回传重组指令，根据所述指令的类型定义通信包结构体；根据所述结构体的数据类型变量判断通信包类型；
根据所述通信包类型对所述数据微粒进行逆置乱重组，得到所述目标文件。
进一步的，所述根据所述通信包类型对所述数据微粒进行逆置乱重组，得到所述目标文件还包括：
去异构化：
对所述数据微粒在存储节点的存储，统一利用XML结构化数据描述。
一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述任一项的方法。
一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述任一项的方法。
有益效果：本发明提供了一种基于数据漂移的动态存储方法，通过将待存储的目标文件分割成若干微小的数据颗粒，分别存储在不同的云网络存储节点中，并持续、随机改变其存储位置，随着数据微粒存储地址的随机变化，初步实现了一种云存储的动态弹性安全防御。另外，其数据微粒化的保存方式也分散了数据泄露的风险。由于恶意攻击者不可能在同一时间内攻破所有存储节点或同时捕获所有数据颗粒，即使数据以明文形式存在(切割颗粒足够小)，也能够确保数据的安全性。同时，云体系结构的弹性、自相似特点，也十分适合实现动态化存储机制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一种基于数据漂移的动态存储方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中数据微粒漂移示意图；
图3为本发明实施例中节点件指令交互示意图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明实施例提供一种基于数据漂移的动态存储方法，该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储分类方法的数据。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种基于数据漂移的动态存储方法。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
在一个实施例中，如图1所示，本实施例提供一种基于数据漂移的动态存储方法：
S1：将待存储的目标文件分割成若干微小的数据微粒，并将所述数据微粒分别存储在不同的存储节点中；
S2：持续并随机的改变所述数据微粒的存储位置；
S3：定义通信包结构体，根据所述结构体的数据类型变量判断通信包类型，根据所述通信包类型对所述数据微粒进行重组。
云平台由若干节点组成，节点分为存储节点和管理节点两类，其中存储节点负责数据的收发存储、接收管理节点的操作指令等，管理节点除兼有存储节点功能外还负责数据的配置管理。系统中，至少一个管理节点和若干存储节点。具备存储条件的网络存储节点(普通网络工作站、便携设备等)可以自主申请加入存储系统中，在得到管理节点的允许后，即可提供云存储服务。管理节点可以通过普通存储节点授权的方式得到，方便配置。若干上述节点组合，组成扁平式存储系统架构。
系统用户将自己的数据资料提交给系统托管，云存储系统在持有用户数据期间，采用后续所述漂移机制，确保数据的安全性。数据的存取过程中的签名机制用来保证数据的完整性。当用户需要提取数据时，通知管理节点就近回传下载，保证数据的可用性。
实现动态漂移需要先将待存储文件分割成若干数据微粒。假设D为目标文件，首先对D进行置乱处理，令：C＝D·E，其中E为置乱器矩阵，得到置乱后的文件C(即第一目标文件)，再将C进行分割得到一组数据微粒p1，…，pi，…，pn(n为整数，且n>>1)，其中任一微粒pi格式定义如下：
ID表示pi的标志(或序号)，管理节点通过ID识别每一个数据微粒并在用户需要时进行数据重组；
date表示pi的创建时间以及到达下一节点的时间，并以此作为时间戳判定重放攻击的依据；
address表示pi所在存储节点的地址标识；
data表示pi的内容；
ending flag表示pi传输的结束标志(0表示还有后继数据包，1表示无后继数据包)；
CRC表示奇偶校验值。
上述参数可以分为固定值和可变值两类。固定值，在每一个数据微粒的生命周期中都保持不变，包括ID和data；可变值，在数据微粒开始漂移之后始终处于变化状态，包括date，address，ending flag和CRC。
目标文件分割完成后，需要使各个数据微粒在不同的存储节点间各自执行随机的、不规则的漂移，即所谓的数据漂移。在不同的时间段内，数据微粒的存储位置也是不同的(存储位置的分配是随机的)。如图2所示，假设网络环境中存在7个存储节点，一份文件已被拆分为3个数据微粒，则这些数据微粒在不同时间段内其存储位置的分布视图变化情况可以描述为图2所示变换。
节点之间的通信采用TCP方式(UDP可选)。
系统的安全性建立在随机性上，在文件的分割、漂移目标节点的选择等关键环节上，都依赖驱动随机数，因此针对不同的应用场合设计了以下三种随机数产生方法可供用户选择。
方法一：均匀分布法。直接调用系统提供的均匀分布函数Random。在进行随机计算时，Random基于起源数字(种子数)快算产生需要的随机数字。
方法二：梅森旋转方法，基于有限二进制字段上的矩阵线性再生，可以快速产生高质量的伪随机数，具有较长的轮回周期。
方法三：组合法，如表1所示，将上述均匀分布法与梅森旋转法进行结合，兼顾各自优点。
表1 随机组合数计算
为了平衡时间效率与安全性，亦可由用户根据实际应用对上述三种随机数产生方法进行周期轮动或随机选取。为了抑制DoS攻击，随机性也需考虑带宽因素并进行相应调整，以避开拥塞链路。
当用户需要从云存储环境中取回原始目标文件时，管理节点会向所有存储节点进行节点通信，发出回传命令指令，分散在网络中的数据微粒会再回传重组后提交给用户。回传过程中，文件的数据颗粒向距离用户最近的节点(依据TTL值测算)并发汇集，在确保安全的同时也大大提高数据下载的效率。回收后按序拼接诸颗粒p1，…，pi，…，pn得到C，计算C·E-1即可恢复原始文件D，E-1为E的逆阵，即解乱阵。
节点通信过程中，管理节点和存储节点首先定义通信包结构体，将回传命令指令的相关信息存入其中。发送时将结构体转换为数组，再将数组内容发至对方，接收方接收该数组后再将其转化为结构体，从而实现回传命令指令相关信息的有效区分。各线程根据收到的结构体中datatype变量判断通信包类型，执行不同的操作。命令指令类型(cmdtype)又分为表2所示几种(表中“M”代表管理节点，“S”代表存储节点)。
表2 命令类型
判断为数据包时，首先判断数据是否正常接收，若接收出错，则向对方发送命令FAL获取数据微粒失败，请求重发；若成功接收，首先判断此数据包是否是所传文件块的首个包，若是，则依据包内文件名信息，新创建文件，将数据写入；若不是，再判断此数据包是否有后续包，若有，则直接将数据写入文件，若无，将数据写入后，关闭文件。
依据上述约定，则一次完整的数据漂移节点间的指令交互过程如图3所示。
为了保证节点通信过程中的数据安全，系统对数据微粒漂移进行数据冗余备份，即：在数据漂移前，数据微粒必须在其所在的存储节点中保存一份副本；当其成功漂移到一个新的存储节点验证通过后，再将原节点副本删除。
由数据漂移的动态存储工作原理可知，数据漂移的安全是以牺牲通信资源为代价的，为了有效利用闲散网络带宽，同时不影响正常的网络数据通信，流量监控模块对数据的漂移进行主动控制。所述流量监控模块基于源抑制技术，根据网络通信的繁忙程度，自适应地调整数据微粒漂移操作。
当网络具有较大的通信负载时，延长数据自动漂移的时间周期，当网络空闲时，缩短数据自动漂移的时间周期，按式(1)进行流量周期控制。
公式中，Tc为当前计算数据漂移周期，T0为基准漂移周期，B为节点网络接口的理论带宽，Fc为当前单位时间数据流量，α为调节系数，0＜α≤1。此处仅采用了相对简单的调节方法，也可采用流量预测技术进行更加精准的控制。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现以下步骤：
将待存储的目标文件分割成若干微小的数据微粒，并将所述数据微粒分别存储在不同的存储节点中；
持续并随机的改变所述数据微粒的存储位置；
定义通信包结构体，根据所述结构体的数据类型变量判断通信包类型，根据所述通信包类型对所述数据微粒进行重组。
上述实施例提供的一种计算机设备，其实现原理和技术效果与上述方法实施例类似，在此不再赘述。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
将待存储的目标文件分割成若干微小的数据微粒，并将所述数据微粒分别存储在不同的存储节点中；
持续并随机的改变所述数据微粒的存储位置；
定义通信包结构体，根据所述结构体的数据类型变量判断通信包类型，根据所述通信包类型对所述数据微粒进行重组。
上述实施例提供的一种计算机可读存储介质，其实现原理和技术效果与上述方法实施例类似，在此不再赘述。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种基于数据漂移的动态存储方法，其特征在于，所述方法包括：
将待存储的目标文件分割成若干微小的数据微粒，并将所述数据微粒分别存储在不同的存储节点中；
持续并随机的改变所述数据微粒的存储位置；
定义通信包结构体，根据所述结构体的数据类型变量判断通信包类型，根据所述通信包类型对所述数据微粒进行重组。
2.根据权利要求1所述的一种基于数据漂移的动态存储方法，其特征在于，所述将待存储的目标文件分割成若干微小的数据微粒，并将所述数据微粒分别存储在不同的存储节点中具体为：
对所述目标文件进行置乱处理，得到第一目标文件；
对所述第一目标文件进行分割，得到一组数据微粒；
对所述一组数据微粒随机存储至不同的存储节点。
3.根据权利要求1所述的一种基于数据漂移的动态存储方法，其特征在于，所述持续并随机的改变所述数据微粒的存储位置具体为：
基于驱动随机数，持续对所述数据微粒在不同的存储节点进行漂移。
4.根据权利要求3所述的一种基于数据漂移的动态存储方法，其特征在于，所述驱动随机数的产生方法具体为均匀分布法和/或梅森旋转法。
5.根据权利要求3所述的一种基于数据漂移的动态存储方法，其特征在于，在所述基于驱动随机数，持续对所述数据微粒在不同的存储节点进行漂移前，还包括：
所述数据微粒的存储节点对数据微粒进行冗余备份：
在数据微粒进行漂移前，在数据微粒所在的原存储节点中保存一份副本，在其成功跳转至一个新的存储节点后，将原存储节点中的副本删除。
6.根据权利要求1所述的一种基于数据漂移的动态存储方法，其特征在于，所述基于驱动随机数，持续对所述数据微粒在不同的存储节点进行漂移中，基于源抑制方法，结合网络通信的繁忙程度，自适应的调整数据微粒的漂移。
7.根据权利要求1或2所述的一种基于数据漂移的动态存储方法，其特征在于，所述定义通信包结构体，根据所述结构体的数据类型变量判断通信包类型，根据所述通信包类型对所述数据微粒进行重组具体为：
对所有存储节点发出数据微粒回传重组指令，根据所述指令的类型定义通信包结构体；根据所述结构体的数据类型变量判断通信包类型；
根据所述通信包类型对所述数据微粒进行逆置乱重组，得到所述目标文件。
8.根据权利要求7所述的一种基于数据漂移的动态存储方法，其特征在于，所述根据所述通信包类型对所述数据微粒进行逆置乱重组，得到所述目标文件还包括：
去异构化：
对所述数据微粒在存储节点的存储，统一利用XML结构化数据描述。
9.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-8中任一项所述的方法。
10.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1-8中任一项所述的方法。
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