隨著云計算技術的飛速發(fā)展,云存儲服務已經成為一種重要的新型數(shù)據(jù)存儲模型。云存儲服務以“外包”形式提供在線數(shù)據(jù)存儲服務,具有按需付費、擴展靈活、訪問便利等特點,大大降低了數(shù)據(jù)存儲成本,有效提高了資源使用效率,并且減輕了用戶沉重的管理負擔。然而,云存儲數(shù)據(jù)的完整性容易遭受云安全事故的影響,用戶無法確認云端的數(shù)據(jù)是否完好,使其成為用戶少用或者不用云存儲的重要原因。并且,“隱藏”的損壞數(shù)據(jù)削弱了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)恢復能力,影響著數(shù)據(jù)的存儲安全。因此,亟待研究云存儲服務中數(shù)據(jù)完整性驗證的相關方法與技術,以促進云存儲服務的健康發(fā)展。近年來,學術界提出了很多在相對簡單情景下云存儲數(shù)據(jù)完整性驗證的模型和方法,具有較好的驗證性能。但是,當面對復雜的云存儲環(huán)境時,已有的數(shù)據(jù)完整性驗證方法存在如下問題:(1)面對海量數(shù)據(jù),如何在滿足用戶審計需求的前提下協(xié)調完成全域文件的驗證;(2)如何有效降低頻繁更新的動態(tài)數(shù)據(jù)所帶來的巨大更新成本;(3)如何快速查詢批量驗證過程中的失效文件;(4)如何使用多審計代理來增強審計系統(tǒng)的健壯性,并提高系統(tǒng)的可擴展性。本文以復雜云存儲環(huán)境下數(shù)據(jù)完整性驗證為研究背景,針對上述問題進行了深入研究,提出了適用于新情景、新需求的數(shù)據(jù)完整性驗證模型與算法。本研究得到國家”八六三”高技術研究發(fā)展計劃基金、國家自然基金項目的支持。本文的研究內容以及創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在如下幾個方面:(1)提出了一種自適應的數(shù)據(jù)完整性驗證方法。該方法可以協(xié)調完成大規(guī)模文件的數(shù)據(jù)完整性驗證,同時能夠滿足用戶多樣化的審計需求。通過記錄并分析文件的屬性信息,該方法能夠動態(tài)調整文件的審計方案,使得審計方案的執(zhí)行強度與文件的審計需求高度匹配,從而節(jié)省了大量審計開銷。并且,依據(jù)審計方案更新請求的發(fā)起者不同,設計了兩種審計方案動態(tài)更新算法,增強了審計方案更新的靈活性。其中,審計方案的主動更新算法實現(xiàn)了全域文件的按序審計,保證了審計系統(tǒng)的覆蓋率;審計方案的被動更新算法使得熱點文件能夠得到及時響應,滿足了文件審計的緊迫性需求。與基本方法相比,該方法審計總執(zhí)行時間至少減少了 50%,有效增加了系統(tǒng)審計文件的數(shù)量,并且審計方案的達標率提高了 30%。(2)提出一種支持延遲更新的動態(tài)數(shù)據(jù)完整性驗證方案,有效提高了動態(tài)數(shù)據(jù)的更新效率。該方案利用數(shù)據(jù)更新的局部性特征,采用一種延遲更新策略實現(xiàn)了更新序列的重組和歸并,減少了大量無效更新請求。通過給文件完整性檢測結構Merkle哈希樹增加更新狀態(tài)位,使其具備了更強的表達能力,實現(xiàn)了基于更新狀態(tài)樹的并發(fā)更新,避免了大量中間節(jié)點的重復更新,節(jié)省了更新成本。此外,提供了一種數(shù)據(jù)更新保護機制,防止了審計系統(tǒng)的“誤報”,保證了審計系統(tǒng)的正確性。形式化分析及實驗結果表明,該方案有效減少了更新MHT節(jié)點數(shù),顯著提高了云存儲數(shù)據(jù)持有性審計模型的更新效率。特別的,更新1GB文件的1%內容,本文方案在最優(yōu)情況下能夠減少89%的讀寫操作,在最差情況下能夠減少49%的讀寫操作。(3)提出了一種支持失效文件快速查詢的批量審計方案,解決了批量審計易受到“失效文件”攻擊且失效文件查詢難的問題。該方案通過建立批量審計過程的關聯(lián)性,改變了二分查詢樹中右孩子節(jié)點的計算方式,只需利用中間結果對其進行驗證,減少了整個查找過程的批量審計次數(shù)。并在批量審計過程中執(zhí)行冪指測試,通過一次審計就可完成含有單個失效文件的子樹查找過程,有效縮短了子樹的查找長度,進一步減少了查找次數(shù);采用混合型查詢方法,根據(jù)歷史查詢信息設置冪指測試的深度,能夠大幅度降低“失效文件聚集”處的查詢開銷。安全分析和性能表明,該方法能夠快速完成失效文件定位,有效抵抗“失效文件”攻擊,保證了批量審計方案的可用性和效率。(4)提出了一種支持多代理的數(shù)據(jù)完整性審計方法(Multi-proxies PDP,MP-PDP),解決了單審計代理易造成單點故障且易形成性能瓶頸的問題。該方案基于循環(huán)鏈表結構實現(xiàn)了多代理節(jié)點的可擴展性管理,使用多級列表結構實現(xiàn)了審計任務的快速分發(fā),并提出基于資源使用量的任務調度機制實現(xiàn)了系統(tǒng)的負載均衡。此外,提出一種基于弱一致性任務狀態(tài)備份協(xié)議,實現(xiàn)了低成本的系統(tǒng)故障處理。實驗結果表明,該方案能夠有效減少了文件的審計執(zhí)行時間,并且可以快速增刪審計代理,有效提高了系統(tǒng)的可用性和審計性能。
【學位單位】：西北工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2016
【中圖分類】：TP333
【部分圖文】：

據(jù)更新特點提高動態(tài)數(shù)據(jù)的更新效率，降低數(shù)據(jù)更新成本，成為一個亟待解決的重要問逡逑題。逡逑（３）批量審計易失效問題。批量審計能夠有效提高文件的驗證效率，但是單個文逡逑件失效就可導致整個批量審計失敗。現(xiàn)有的方案大都著眼于批量審計的功能實現(xiàn)，較少逡逑關注批量審計失敗后的失效文件查詢問題。解決失效文件查詢問題有利于提高批量審計逡逑的效率并增強其可用性。逡逑（４）審計代理的可用性問題。公開審計方案由獨立第三方（審計代理）代替用戶逡逑執(zhí)行數(shù)據(jù)完整性驗證任務，但是現(xiàn)有的方案僅依賴單個審計代理完成上述功能。采用單逡逑審計代理不僅容易造成單點故障，并且單個審計節(jié)點的計算能力有限，審計代理將成為逡逑系統(tǒng)的性能瓶頸。因此，解決單代理的可用性成為公開審計方案必須解決的一個重要問逡逑題。逡逑１．３論文主要工作及創(chuàng)新點逡逑本文以復雜云存儲環(huán)境下數(shù)據(jù)完整性驗證為研究背景，針對上述問題從多文件的自逡逑適應審計、動態(tài)審計支持以及審計系統(tǒng)可用性和健壯性方面進行了深入研究，提出了適逡逑用于新情景、新需求的數(shù)據(jù)完整性驗證模型與算法，如圖１－１所示。邐逡逑云整證

圖２－１數(shù)據(jù)完整性審計的系統(tǒng)模型逡逑云存儲服務的數(shù)據(jù)完整性審計模型［６３］包含５個基本算法，分別是密鑰生數(shù)據(jù)塊認證標簽生成算法ＴａｇＧｅｗ，挑戰(zhàn)信息生成算法數(shù)據(jù)據(jù)生成算法Ｐｒａｏ／Ｃ？ｅ？和持有性證據(jù)驗證算法設ｒ辦。逡逑每個文件的數(shù)據(jù)完整性審計過程，一般分為３個階段：逡逑階段１．初始化階段：逡逑首先，用戶使用算法生成用于計算數(shù)據(jù)塊認證標簽的密鑰對（從ｔ，件摘要信息的加密密鑰說ｈ；然后，用戶切分整個文件為多個數(shù)據(jù)塊，并使用ｒ法生成數(shù)據(jù)塊的認證標簽集合少＝｛仍｜丨￡［１，《］｝和文件的摘要信息Ｍｍ。；最后，送審計信息（Ｍｉｎｆ。，從ｈ，／＾）給審計者，上傳（Ｍ，０）到云存儲服務器完成數(shù)據(jù)存儲階段２．存儲確認階段：逡逑首先，審計者使用Ｃｋ／／算法生成文件挑戰(zhàn)信息Ｃ，并發(fā)送給云存儲服務器；存儲服務器依據(jù)文件挑戰(zhàn)信息Ｃ調用Ｐｒｏｏ／Ｇｍ算法生成數(shù)據(jù)持有性證據(jù)信息其返回給審計者；最后，審計者使用設ｒ辦算法驗證持有性證據(jù)信息的有效性

ｗ＾ｎ－ｉ－ｘ逡逑＝邋１＿１１邐ｒ－逡逑ｎ－ｉ逡逑文件的識別率不同，被查詢數(shù)據(jù)塊個數(shù)差異明顯，如圖２－２所示。假設文件擁有的逡逑數(shù)據(jù)塊總數(shù)為１００００，損壞數(shù)據(jù)塊數(shù)目為１００，當９９％時，ｃ２４４８，即如果要以９９％逡逑的概率識別出文件的損壞信息，需要驗證的數(shù)據(jù)塊總數(shù)至少４４８個；當ｉ？／？邋２邋９０％時，ｃ逡逑２邋２２７，即如果要以９０％的概率識別出文件的損壞信息，需要驗證的數(shù)據(jù)塊總數(shù)至少２２７逡逑個。假設文件擁有的數(shù)據(jù)塊總數(shù)為６０００，損壞數(shù)據(jù)塊數(shù)目為１００，當Ｍ邋２邋９９％時，ｃ邋２邋２６８，逡逑即如果要以９９％的概率識別出文件的損壞信息，需要驗證的數(shù)據(jù)塊總數(shù)至少２６８個；當逡逑９０％時，０邋１３６，即如果要以９０％的概率識別出文件的損壞信息，需要驗證的數(shù)據(jù)逡逑塊總數(shù)至少１３６個。因此，在滿足用戶安全需求下，采用合適識別率審計文件可以顯著逡逑減少待驗證數(shù)據(jù)塊的個數(shù)

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