去中心化的安全分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)

1 概述

    隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，存儲(chǔ)模式也由個(gè)人集中式的存儲(chǔ)發(fā)展為分布式存儲(chǔ)。分布式存儲(chǔ)就是將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在多臺(tái)獨(dú)立的存儲(chǔ)服務(wù)器上。分布式存儲(chǔ)通過(guò)備份、冗余編碼等手段，可以提高系統(tǒng)的可靠性、可用性和存取效率，還易于擴(kuò)展[1]。因此，越來(lái)越多的用戶將自己的大量數(shù)據(jù)外包給存儲(chǔ)服務(wù)方進(jìn)行分布式存儲(chǔ)。這種模式在給用戶帶來(lái)方便和快捷的同時(shí)，也帶來(lái)了新的問(wèn)題。例如：用戶如何保證數(shù)據(jù)的隱私性。為解決這個(gè)問(wèn)題，研究者提出了新的方案[2]。但該方案完全使用公鑰加密，導(dǎo)致方案的加解密效率不高，而且加密時(shí)仍然需要集中式的處理，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)真正意義下的“去中心化”。本文針對(duì)分布式存儲(chǔ)，研究如何將“去中心化”和用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行高效加解密結(jié)合，提出一種去中心化的安全分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)。

2 相關(guān)工作

    分布式存儲(chǔ)通常以提高可靠性為目的。為提高可靠性，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的一般方法是通過(guò)編碼增加冗余信息，利用糾刪編碼的原理，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行糾刪編碼，將編碼后的各個(gè)數(shù)據(jù)片段分布式地存儲(chǔ)于異地的存儲(chǔ)服務(wù)器中。

    分布式存儲(chǔ)原理如圖1 所示。具體如下：對(duì)于一個(gè)文件M，首先將其分成k 個(gè)等長(zhǎng)的分組(最后一組不足可填充0)，形成向量 M’= （M₁，M₂ , , , M _k），然后利用(n, k)糾刪碼對(duì)其進(jìn)行編碼來(lái)增加冗余，得到與M’ 相關(guān)的碼字向量C =(C1,  C2 , ,  Cn)。將碼字的n 個(gè)部分分別存儲(chǔ)在n 個(gè)存儲(chǔ)服務(wù)器中。數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)，只需存取n個(gè)存儲(chǔ)服務(wù)器中的任意k 個(gè)即可解碼恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)M。

圖1 分布式存儲(chǔ)原理

    目前分布式存儲(chǔ)的研究重在研究系統(tǒng)的計(jì)算復(fù)雜度、通信效率、魯棒性等。一個(gè)好的分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)應(yīng)滿足計(jì)算復(fù)雜度低、通信代價(jià)小、具有較好的抗災(zāi)難性等。

    在一般情況下，分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)是將分組消息形成的向量 M’= M₁，M₂ , , , M _k集中進(jìn)行編碼處理的。但如果數(shù)據(jù)來(lái)源是異地的，則需先將所有的數(shù)據(jù)匯聚在某個(gè)服務(wù)器上集中進(jìn)行編碼處理，之后再將處理好的分組數(shù)據(jù)發(fā)送給各個(gè)異地的存儲(chǔ)服務(wù)器。

    文獻(xiàn)[1]討論了異地?cái)?shù)據(jù)源(如傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器采集的數(shù)據(jù))分布式存儲(chǔ)中如何去中心化，即：使數(shù)據(jù)的編碼不再集中進(jìn)行，而轉(zhuǎn)由各個(gè)存儲(chǔ)服務(wù)器分布式地進(jìn)行。其思想是使用分布式的糾刪碼原理實(shí)現(xiàn)分布式編碼以去中心化的。由于省去了集中化處理所需的匯聚步驟，編碼過(guò)程轉(zhuǎn)由各個(gè)存儲(chǔ)服務(wù)器分布式地完成，因此整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)有了較大的簡(jiǎn)化。同時(shí)，由于所采用的糾刪碼所使用的生成矩陣實(shí)際上是一個(gè)稀疏矩陣，因此編碼和譯碼的效率較高。去中心化的分布式存儲(chǔ)原理如圖2 所示。

圖2 去中心化的分布式存儲(chǔ)原理

    分布式存儲(chǔ)對(duì)于如何保證數(shù)據(jù)的保密性方面研究相對(duì)較少。文獻(xiàn)[2]在去中心化分布式存儲(chǔ)的基礎(chǔ)上增加數(shù)據(jù)的保密性。該文利用了特殊的具有同態(tài)性的公鑰密碼算法，使對(duì)密文的糾刪編碼可以直接進(jìn)行解密后再進(jìn)行糾刪解碼，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    但公鑰密碼算法的算法復(fù)雜度實(shí)質(zhì)是非常高的，幾乎從來(lái)不會(huì)場(chǎng)直接應(yīng)用于對(duì)大量數(shù)據(jù)加解密，而分布式存儲(chǔ)的應(yīng)用場(chǎng)景很多都是大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，因此，文獻(xiàn)[2]方案的實(shí)用性較低。該方案具有以下缺點(diǎn)：

    (1)方案使用了公鑰算法，至使其數(shù)據(jù)的加解密速度慢，難以達(dá)到實(shí)時(shí)性要求。由于公鑰算法的安全性一般都基于一些數(shù)學(xué)上的困難問(wèn)題，如離散對(duì)數(shù)、大整數(shù)分解等，因此公鑰算法的算法復(fù)雜度高，加密和解密速度很慢，一般只是用于對(duì)少量數(shù)據(jù)(如密鑰)的加密。以RSA 公鑰算法為例，它加解密所針對(duì)的數(shù)據(jù)一般是1 024 bit。因此，對(duì)于大量的數(shù)據(jù)，只能將其以1 024 bit 為一組進(jìn)行分割，然后逐組進(jìn)行加密，解密也是分組進(jìn)行。而在分布式存儲(chǔ)中，用戶一般都是借助第三方服務(wù)器來(lái)存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)的，這樣公鑰算法對(duì)大量數(shù)據(jù)的加解密都難以達(dá)到實(shí)時(shí)性的要求，更不適合于計(jì)算能力弱的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境(如無(wú)線傳感器網(wǎng)等)。

    (2)數(shù)據(jù)的分布存儲(chǔ)并沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)去中心化。雖然方案借助了文獻(xiàn)[1]中的去中心化的糾刪碼的思想，但之前的加密操作卻是集中處理的。由于所有的密文需要共享一個(gè)相同的標(biāo)識(shí)h_ID=H (M₁，M₂ , , , M _n），而且該標(biāo)識(shí)參與了加密運(yùn)算，這就導(dǎo)致了方案中的加密過(guò)程不可能去中心化，因而就失去了文獻(xiàn)[1]方案“去中心化”的特性。

    (3)系統(tǒng)架構(gòu)復(fù)雜。方案中解密時(shí)需要借助分布式的解密服務(wù)器，而且要求合謀的服務(wù)器個(gè)數(shù)不超過(guò)t 個(gè)。在文獻(xiàn)[2]中，解密服務(wù)器是獨(dú)立于存儲(chǔ)服務(wù)器的，專門用于為用戶進(jìn)行解密操作。用戶的私鑰通過(guò)(t, m)門限體制存儲(chǔ)于m 個(gè)密鑰服務(wù)器中。文中假設(shè)解密服務(wù)器的安全級(jí)別比存儲(chǔ)服務(wù)器要高：存儲(chǔ)服務(wù)器可以允許任意多個(gè)服務(wù)器合謀，而對(duì)于解密服務(wù)器卻中允許不超過(guò)t 個(gè)服務(wù)器間的合謀。

    (4)在方案的解密操作中，分布式的解密服務(wù)器需要進(jìn)行的是計(jì)算復(fù)雜度很高的模指數(shù)算法，而用戶最后的合成階段，即使利用了所使用的公鑰算法的同態(tài)性質(zhì)也需要至少O(k)次模指數(shù)操作和復(fù)雜度更高的雙線性配對(duì)操作。

3 去中心化的安全分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)

    本文針對(duì)文獻(xiàn)[2]方案，提出一個(gè)新的通用的去中心化的安全存儲(chǔ)系統(tǒng)，如圖4 所示。

圖4 去中心化的安全分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)

    以上方案描述假設(shè)了每個(gè)M_i 都是有限域F_q 上的元素，如果M_i 很多，可以將其分成若干個(gè)F_q 上的元素，逐個(gè)參與以上的各個(gè)步驟。同一個(gè)M_i 中的各塊數(shù)據(jù)是共享一個(gè)對(duì)稱密鑰K_i 的，而且對(duì)其密文的糾錯(cuò)編碼時(shí)，編碼時(shí)共享同一組編碼系數(shù)。

4 性能分析

    對(duì)本文提出的分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能分析如下：

    (1)本方案中通過(guò)公鑰體制和對(duì)稱密碼體制之間的結(jié)合，且消息的各個(gè)部分消息Mi 使用了不同的對(duì)稱密鑰Ki，使得整個(gè)加密操作都可以分布式完成，實(shí)現(xiàn)了加密階段的去中心化，且分布式存儲(chǔ)服務(wù)器的存儲(chǔ)代價(jià)與文獻(xiàn)[2]方案的相同。(2)計(jì)算復(fù)雜度高的公鑰密碼只用于加密對(duì)稱密鑰，而其它的大量數(shù)據(jù)都使用對(duì)稱密碼，使得加密步驟的計(jì)算復(fù)雜度大大降低。

    (3)采用了文獻(xiàn)[1]中的分布式糾刪編碼方法，實(shí)現(xiàn)編碼階段的去中心化。由于所采用的糾刪碼的生成矩陣實(shí)質(zhì)上是一個(gè)隨機(jī)的稀疏矩陣，因此其編碼和譯碼的計(jì)算復(fù)雜度都小于O(n³)。

    (4)從密文中恢復(fù)出明文，對(duì)稱密鑰的恢復(fù)非常重要。為了保證密鑰的恢復(fù)，這里采用RS 糾錯(cuò)碼中的多項(xiàng)式編碼[5-6]和List Decoding 的譯碼方法[3-4]。糾錯(cuò)碼的應(yīng)用保證了即使某些存儲(chǔ)服務(wù)器提供的數(shù)據(jù)有誤，在不知道錯(cuò)誤存儲(chǔ)器的位置的情況下，只要發(fā)生服務(wù)器出錯(cuò)個(gè)數(shù)不超過(guò)其糾錯(cuò)能力，一般的RS 譯碼都可以將其糾正。使用ListDecoding，其糾錯(cuò)能力更加強(qiáng)大，它可以糾RS 碼糾錯(cuò)能力之外的錯(cuò)誤。通過(guò)放松與接收碼字的距離，可以輸出多個(gè)碼字，而其中的一個(gè)必定是其中的正確解。

5 結(jié)束語(yǔ)

    本文提出一種去中心化的安全分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：(1)只需要存儲(chǔ)服務(wù)器，而無(wú)需解密服務(wù)器，從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的架構(gòu)；(2)保證系統(tǒng)中的加密操作分布式進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)真正意義上的去中心化；(3)利用公鑰密碼體制和單鑰密碼體制相結(jié)合的傳統(tǒng)思想，保證了數(shù)據(jù)的快速加解密；(4)無(wú)論是存儲(chǔ)服務(wù)器還是解密服務(wù)器，都可以達(dá)到防止全合謀的特性，即無(wú)論多少個(gè)服務(wù)器合謀，其安全性都不會(huì)受到破壞。下一步工作將研究如何提高系統(tǒng)效率。

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