專利名稱：一種分布式云存儲數(shù)據(jù)完整性保護(hù)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種分布式云存儲數(shù)據(jù)完整性保護(hù)方法，它也是一種用于驗證存儲于云服務(wù)器中的用戶數(shù)據(jù)完整性并且可進(jìn)行數(shù)據(jù)糾錯的方法，屬于云計算安全領(lǐng)域。 背景技術(shù)：
Internet網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)快速發(fā)展普及，加之Web2. O的發(fā)展導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)用戶和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量高速增長，用戶對數(shù)據(jù)的處理能力提出了更高的要求，云計算的特點(diǎn)迎合了這些需求。云計算為用戶存儲提供了極大的方便，用戶不必再關(guān)心復(fù)雜的硬件管理。盡管云計算有這些吸引人的優(yōu)勢，但它也給數(shù)據(jù)保護(hù)帶來了新的安全挑戰(zhàn)與威脅首先，由于用戶物理上不再擁有他們的數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的用于數(shù)據(jù)保護(hù)的加密不能直接被采用。因此就需要能夠驗證數(shù)據(jù)正確存儲的方法，考慮到云中大量的用戶和大量的數(shù)據(jù)，對云計算中的數(shù)據(jù)存儲安全來說，如何有效驗證外包數(shù)據(jù)的正確性是一個巨大的挑戰(zhàn)。其次，雖然云計算下的設(shè)施比個人計算設(shè)備更加強(qiáng)大和可靠，但它們?nèi)匀幻媾R內(nèi)部和外部的數(shù)據(jù)完整性威脅，大量覬覦云端數(shù)據(jù)的黑客們不停的挖掘著服務(wù)商Web應(yīng)用上的漏洞，以期望打開缺口，獲得有價值的數(shù)據(jù)。最后，具有數(shù)據(jù)優(yōu)先訪問權(quán)的并不是用戶自己，而是云計算服務(wù)商。由于利益問題，云服務(wù)供應(yīng)商對用戶的數(shù)據(jù)就可能存在不誠實行為。因此，在云計算的實際應(yīng)用中，設(shè)計能夠保證數(shù)據(jù)正確存儲的健壯安全的方案尤為重要。對云存儲這種海量數(shù)據(jù)存儲，我們一方面要考慮到數(shù)據(jù)的持有性驗證的高效和低開銷，另一方面要考慮到數(shù)據(jù)一旦存儲出錯可以采取的應(yīng)對措施。基于此考慮，我們發(fā)明了本方法，涉及的主要技術(shù)為Goppa糾錯編碼，基于橢圓曲線的簽名技術(shù)，Paillier加性同態(tài)加密算法。首先，Goppa碼是20世紀(jì)70年代初俄國學(xué)者Goppa系統(tǒng)構(gòu)造出的一類有理分式碼。它是一類重要的線性糾錯碼，其最主要的優(yōu)點(diǎn)是它的某些子類能夠達(dá)到Shannon信道編碼定理所給的性能，并且有快速譯碼算法。特別是它的不等價碼類數(shù)目很大，于是，在1978年，McElice用Goppa碼構(gòu)造了一類公鑰密碼體制，自此開始了用糾錯碼構(gòu)造密碼體制及各種認(rèn)證碼。因此無論在實際中還是理論上，也無論在是在差錯控制系統(tǒng)還是在密碼中,Goppa碼都具有重要意義。其定義如下設(shè)0〈n；^qm，L= {a0,是一個有序集合，Bi e GF(qm)且互不相等，又設(shè) GF (q)上的 η 維空間 GFn(q)，碼字 C= [Clricn_2. · · c0] e GFn(q),
與C對于的GF (qm)上的z有理式為尺(二) =。此時，Goppa碼的生成多項式g (Z)滿
足{C; Rc (z) =Omodg (z)}。其次，Paillier密碼算法滿足加法同態(tài)的性質(zhì)，即對于數(shù)據(jù)m G Zn，用公鑰η和生成元g進(jìn)行加密的結(jié)果為ε (m) Zg1Vmodn2,其中r為隨機(jī)數(shù)，其同態(tài)的性質(zhì)為S(Hi1) = (g;'J=二 sijn、+;; 2 mod")。最后，橢圓曲線密碼(Elliptic curve cryptography，縮寫為ECC)為密碼學(xué)里運(yùn)用最為廣泛的公鑰密碼體制。ECC的主要優(yōu)勢是在某些情況下它比其他的方法使用更小的密鑰(比如RSA加密算法)，提供相當(dāng)?shù)幕蚋叩燃壍陌踩Ｆ浒踩越⒃跈E圓曲線上的離散對數(shù)問題，即在橢圓曲線構(gòu)成的Abel群Ep(a，b)上考慮方程Q=kP，其中P，Q e Ep(a, b),k<P,則由k和P易求Q，但是由P、Q求k則是困難的。

發(fā)明內(nèi)容
(I)發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提出供一種分布式云存儲數(shù)據(jù)完整性保護(hù)方法，它克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足?？捎糜诮鉀Q云存儲環(huán)境中用戶對遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)的保護(hù)和控制，其實現(xiàn)了用戶對其存儲在云服務(wù)器中數(shù)據(jù)的完整性和持有型的驗證，該發(fā)明有驗證次數(shù)不受限制，驗證時采用隨機(jī)抽取數(shù)據(jù)塊，數(shù)據(jù)存儲出錯時錯誤定位和錯誤恢復(fù)的功能。
(2)技術(shù)方案為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明結(jié)合了 Goppa糾錯編碼技術(shù)，橢圓曲線密碼技術(shù)和Paillier同態(tài)加密技術(shù)，其技術(shù)方案如下。本發(fā)明包括兩個實體，用戶(User)和云服務(wù)提供商(CSP)。以下將結(jié)合附圖對所述的持有性驗證的技術(shù)方案進(jìn)行闡述，圖I為本發(fā)明流程框圖；圖2為數(shù)據(jù)預(yù)處理后的分布存儲示意圖；圖3為挑戰(zhàn)-響應(yīng)機(jī)制交互圖。如圖1，本發(fā)明共包括7步，按照執(zhí)行階段其可分為初始化、挑戰(zhàn)-響應(yīng)和交互操作三個階段。本發(fā)明是一種分布式云存儲數(shù)據(jù)完整性保護(hù)方法，該方法具體步驟如下階段I:初始化包括第(1Γ(3)步，數(shù)據(jù)塊F的擁有者執(zhí)行數(shù)據(jù)分割和編碼{F — Μ}操作，同態(tài)標(biāo)簽(HVTs)的生成{(sk, F) — HVTs}操作，然后將編碼數(shù)據(jù)M和同態(tài)標(biāo)簽HVTs外包到云端服務(wù)器進(jìn)行存儲和管理，用戶需嚴(yán)格保證私鑰的安全。步驟I :數(shù)據(jù)分割與編碼{F — M} :User首先對原始數(shù)據(jù)F (以文件的形式存在)進(jìn)行預(yù)處理生成存儲數(shù)據(jù)M。F被分割成m個等大小的數(shù)據(jù)塊(F1, F2，…，F(xiàn)J，每一個數(shù)據(jù)塊進(jìn)一步被分割成I部分 //Λ，…，接著我們對其進(jìn)行編碼處理，方案中采用Goppa碼編碼方案對原始數(shù)據(jù)F進(jìn)行編碼處理，生成編碼數(shù)據(jù)Μ，最后用戶(User)外包編碼數(shù)據(jù)M至云端CSP進(jìn)行存儲和管理；步驟2:同態(tài)標(biāo)簽(Homomorphic Verifiable Tags (HVTs))的生成{(sk, F) — HVTs}:對于每一個數(shù)據(jù)塊Ζ(Λ，基于同態(tài)加密算法，我們根據(jù)設(shè)定的安全參數(shù)為其計算同態(tài)標(biāo)簽，我們所生成的同態(tài)標(biāo)簽具有加法同態(tài)的性質(zhì)；步驟3 :數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程存儲{(M(j)，HVT) — SjI :用戶將同態(tài)標(biāo)簽(2^,7^'”,一,2；(”)和數(shù)據(jù)塊化1 一起存入第j個服務(wù)器，類似地，其它數(shù)據(jù)庫則存儲至其它的η個服務(wù)器中。用戶則自己存儲私鑰和一些隨機(jī)數(shù)。階段2 :挑戰(zhàn)-響應(yīng)包括第(4) (6)步，用戶生成挑戰(zhàn)，指定其要檢測的隨機(jī)數(shù)據(jù)塊，根據(jù)用戶挑戰(zhàn)，云服務(wù)器通過執(zhí)行生成證據(jù)(GenProof) {(chal，HVTs，M) — R}操作作出響應(yīng)。最后用戶通過執(zhí)行驗證KR，sk) — Γsuccess", "failure")}操作，作出最后的數(shù)據(jù)檢測結(jié)果判斷。步驟4 :用戶發(fā)起挑戰(zhàn){chal}:當(dāng)用戶想要驗證服務(wù)器3」是否正確持有數(shù)據(jù)的時，用戶向其發(fā)出挑戰(zhàn)用戶生成一個挑戰(zhàn)chal，發(fā)送給服務(wù)器Sj ；
步驟5 :服務(wù)器作出響應(yīng)生成證據(jù)(GenProof) {(chal, HVTs, M) — R}:當(dāng)服務(wù)器收到挑戰(zhàn)chal時，存儲數(shù)據(jù)塊…力的服務(wù)器需要產(chǎn)生一個證據(jù)R=(T，P )。之后，服務(wù)器將R返回給用戶；步驟6:驗證{(R，sk) — ("success", "failure")}:當(dāng)用戶收到服務(wù)器返回的R時，利用自己的私鑰sk進(jìn)行運(yùn)算，從而對其服務(wù)器存儲的數(shù)據(jù)狀態(tài)進(jìn)行判斷，結(jié)果為“success” 或者 “failure，，。階段3 :交互操作包括第(7)步,如果驗證{(R, sk) — ("success", "failure")}操作的輸出結(jié)果為“failure”，用戶則要求CSP進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)操作，這可能會需要雙方之間的交互。普通情況下，用戶可將數(shù)據(jù)M下載下來，然后執(zhí)行修復(fù){(M*，P) — F}即可恢復(fù)出原數(shù)據(jù)。步驟7 :數(shù)據(jù)修復(fù){(M*, P) — F}:如果檢測到數(shù)據(jù)損壞，我們就可確定存儲該數(shù)據(jù) 塊的服務(wù)器S」出現(xiàn)的存儲錯誤，這時可利用預(yù)處理時采用的糾錯碼進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)，對損壞數(shù)據(jù)M*和P進(jìn)行譯碼即可恢復(fù)出原數(shù)據(jù)F。(3)優(yōu)點(diǎn)及功效本發(fā)明一種分布式云存儲數(shù)據(jù)完整性保護(hù)方法，該方法涉及數(shù)據(jù)的編碼，數(shù)據(jù)驗證和數(shù)據(jù)的恢復(fù)方面，其優(yōu)點(diǎn)和功效是1)用戶的本地量存儲小，用戶只需存儲編碼生成矩陣和私鑰就可以對數(shù)據(jù)的持有性驗證；2)交互數(shù)據(jù)量小，用戶發(fā)出的挑戰(zhàn)和服務(wù)器作出的響應(yīng)的通信量固定的，與存儲數(shù)據(jù)大小無關(guān)；3)用戶可發(fā)起的持有性驗證挑戰(zhàn)次數(shù)不受限制；4)采用隨機(jī)抽樣計算校驗塊的方法，在減小服務(wù)器計算開銷的同時，仍可保證檢查的高置信度；5)采用線性糾錯編碼技術(shù)預(yù)處理存儲數(shù)據(jù)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)錯誤定位和錯誤糾正。


圖I為本發(fā)明流程框圖；圖2數(shù)據(jù)預(yù)處理及分布存儲圖；圖3挑戰(zhàn)-響應(yīng)機(jī)制流程圖；圖中符號說明如下在圖I中，數(shù)字1，2，3，4，5，6，7代表各個步驟的序號，F(xiàn)代表原文件，M代表編碼后的文件；在圖2中，Μ )表示編碼后的數(shù)據(jù)，#表示將Μ )分塊后的每一塊數(shù)據(jù)，Si代表第i個服務(wù)器，chal表示用戶生成的挑戰(zhàn)，R(J)表示服務(wù)器S」的響應(yīng)；
具體實施例方式以下將結(jié)合附圖對所述的完整性保護(hù)方法詳細(xì)闡述，圖I為本發(fā)明流程框圖；圖2為本發(fā)明數(shù)據(jù)預(yù)處理后的分布存儲示意圖；圖3為本發(fā)明挑戰(zhàn)-響應(yīng)機(jī)制交互圖。主要的符號及算法解釋(I)F代表用戶原數(shù)據(jù)，M為編碼后的數(shù)據(jù)，包含nXl個數(shù)據(jù)塊/ b第j個數(shù)據(jù)向量的第i塊，它將被存儲到服務(wù)器S」· G*= (I(n_r) x (n_r) I Pt)代表Goppa碼的生成矩陣，其中P為冗余校驗塊生成矩陣；M*代表了服務(wù)器中存儲出錯的數(shù)據(jù)塊。(2)E()和DO為分別為paillier密碼算法的加密算法和解密算法，Ic1為其公鑰，k2為其私鑰，N為模數(shù)，paillier加密算法滿足加法同態(tài)的性質(zhì)。(3) G為橢圓曲線Ep(a, b)的生成元，其中大素數(shù)p〈N，P=yG，P表示在挑戰(zhàn)中的公開參數(shù)，y為用戶產(chǎn)生的保密參數(shù)；(4) ( ·)是一個偽隨機(jī)置換(pseudorandom permutation, PRP)函數(shù)，即滿足
權(quán)利要求
1.ー種分布式云存儲數(shù)據(jù)完整性保護(hù)方法，其特征在于該方法具體步驟如下 階段I :初始化包括第(1Γ(3)歩，，數(shù)據(jù)塊F的擁有者執(zhí)行數(shù)據(jù)分割和編碼{F —Μ}操作，同態(tài)標(biāo)簽HVTs的生成{(sk, F) — HVTs}操作，然后將編碼數(shù)據(jù)M和同態(tài)標(biāo)簽HVTs外包到云端服務(wù)器進(jìn)行存儲和管理，用戶需嚴(yán)格保證私鑰的安全； 步驟I :數(shù)據(jù)分割與編碼{F —M} :User首先對以文件形式存在的原始數(shù)據(jù)F進(jìn)行預(yù)處理，生成存儲數(shù)據(jù)M ；F被分割成m個等大小的數(shù)據(jù)塊(F1, F2,…，F(xiàn)J，每ー個數(shù)據(jù)塊進(jìn)ー步被分割成I部分び,'…//"}，接著對其進(jìn)行編碼處理，方案中采用Goppa碼編碼方案對原始數(shù)據(jù)F進(jìn)行編碼處理，生成編碼數(shù)據(jù)M，最后用戶User外包編碼數(shù)據(jù)M至云端CSP進(jìn)行存儲和管理； 步驟2 :同態(tài)標(biāo)簽HVTs的生成{(sk，F(xiàn)) — HVTs}:對于每ー個數(shù)據(jù)塊ガΛ，基于同態(tài)加密算法，根據(jù)設(shè)定的安全參數(shù)為其計算同態(tài)標(biāo)簽，所生成的同態(tài)標(biāo)簽具有加法同態(tài)的性質(zhì)；步驟3:數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程存儲{(M(J)1HVT) — Sj}:用戶將同態(tài)標(biāo)簽(廣ブ嚴(yán)，…，Γ尸ハ和數(shù)據(jù)-Mu) —起存入第j個服務(wù)器，類似地，其它數(shù)據(jù)庫則存儲至其它的η個服務(wù)器中，用戶則自己存儲私鑰和ー些隨機(jī)數(shù)； 階段2:挑戰(zhàn)-響應(yīng)包括第(4Γ(6)步，用戶生成挑戰(zhàn)，指定其要檢測的隨機(jī)數(shù)據(jù)塊，根據(jù)用戶挑戰(zhàn)，云服務(wù)器通過執(zhí)行生成證據(jù)66成1'0ば{((*&1，取1'8^)—1 }操作作出響應(yīng)，最后用戶通過執(zhí)行驗證{(R，sk) — ("success"，"failure")}操作，作出最后的數(shù)據(jù)檢測結(jié)果判斷； 步驟4 :用戶發(fā)起挑戰(zhàn){chal}:當(dāng)用戶想要驗證服務(wù)器も是否正確持有數(shù)據(jù)的時，用戶向其發(fā)出挑戰(zhàn)用戶生成一個挑戰(zhàn)chal，發(fā)送給服務(wù)器も； 步驟5 :服務(wù)器作出響應(yīng)生成證據(jù)GenProof {(chal, HVTs, M) — R}:當(dāng)服務(wù)器收到挑戰(zhàn)chal時，存儲數(shù)據(jù)的服務(wù)器需要產(chǎn)生ー個證據(jù)R= (Τ，P)，之后，服務(wù)器將R返回給用戶； 步驟6:驗證{(R，sk) — ("success"，"failure")}:當(dāng)用戶收到服務(wù)器返回的R吋，利用自己的私鑰sk進(jìn)行運(yùn)算，從而對其服務(wù)器存儲的數(shù)據(jù)狀態(tài)進(jìn)行判斷，結(jié)果為“success”或者 “failure” ； 階段3 :交互操作包括第(7)步,如果驗證{(R, sk) — ("success", "failure")}操作的輸出結(jié)果為“failure”，用戶則要求CSP進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)操作，這可能會需要雙方之間的交互；普通情況下，用戶將數(shù)據(jù)M下載下來，然后執(zhí)行修復(fù){(M% P) — F}即恢復(fù)出原數(shù)據(jù)；步驟7 :數(shù)據(jù)修復(fù){(M*, P) — F}:如果檢測到數(shù)據(jù)損壞，就確定存儲該數(shù)據(jù)塊的服務(wù)器A出現(xiàn)的存儲錯誤，這時利用預(yù)處理時采用的糾錯碼進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)，對損壞數(shù)據(jù)M*和P進(jìn)行譯碼即恢復(fù)出原數(shù)據(jù)F。
全文摘要
一種分布式云存儲數(shù)據(jù)完整性保護(hù)方法，該方法有七大步驟步驟1數(shù)據(jù)分割與編碼{F→M}；步驟2同態(tài)標(biāo)簽HVTs的生成{(sk,F)→HVTs}；步驟3數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程存儲{(M(j),HVT)→Sj}；步驟4用戶發(fā)起挑戰(zhàn){chal}；步驟5服務(wù)器作出響應(yīng){R}；步驟6驗證{(R,sk)→("success","failure")}；步驟7數(shù)據(jù)修復(fù){(M*,P)→F}。本發(fā)明中用戶采用隨機(jī)數(shù)據(jù)塊抽樣減小通信開銷，采用線性編碼可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的錯誤定位和錯誤恢復(fù)，并且數(shù)據(jù)持有性驗證次數(shù)不受限制，驗證置信度高，安全可靠。它在云計算安全技術(shù)領(lǐng)域里具有較好的實用價值和廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號H04L29/08GK102710757SQ20121015954
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月21日
發(fā)明者修春娣, 劉建偉, 張晏, 徐先棟, 李坤, 毛劍 申請人:北京航空航天大學(xué)