一種基于國密算法的云數(shù)據(jù)加密方案研究

陳 莊 齊 鋒 葉成蔭

(重慶理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 重慶 400054)(cz@cqut．edu．cn)

近年來云存儲(chǔ)技術(shù)得到蓬勃發(fā)展，2016年《中國云計(jì)算白皮書》指出2015年我國云計(jì)算市場規(guī)模達(dá)到378億元，整體增速31．7%，僅在2015年國務(wù)院就出臺(tái)了3項(xiàng)與云計(jì)算相關(guān)的政策文件．目前越來越多的企業(yè)和個(gè)人將數(shù)據(jù)存放到云端，這種存儲(chǔ)方式可以有效提高數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)容量、抗故障能力、響應(yīng)速度等．

云存儲(chǔ)在不斷發(fā)展的同時(shí)安全性問題也日益突出［1］，尤其是云端數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和隱私問題，例如雅虎在2016年9月公布用戶賬號(hào)信息遭到黑客盜取，至少5億用戶的信息被泄露;Kromtech Security信息專家近期披露，疑似來自 Patient Home Monitoring的醫(yī)療數(shù)據(jù)存儲(chǔ)記錄遭到黑客破解，近47 GB的醫(yī)療數(shù)據(jù)文件在云端被公開訪問，數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)和隱私問題已經(jīng)成為云計(jì)算發(fā)展的“噩夢”．

基于本文提出了一種全新的云數(shù)據(jù)加密方案，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型采取不同的加密策略，有效地解決了云存儲(chǔ)加解密目前所面臨的技術(shù)問題．

1 相關(guān)工作

密碼技術(shù)是確保云數(shù)據(jù)安全的主導(dǎo)力量，可分為對稱加密和非對稱加密2種算法．對稱加密算法使用相同的加解密密鑰，具有運(yùn)算效率高、計(jì)算量小的優(yōu)點(diǎn)，非常適用于云存儲(chǔ)環(huán)境下的海量數(shù)據(jù)加解密，常用的對稱加密算法有AES，DES，3DES［2-3］等．非對稱加密算法使用不同的加解密密鑰，具有高安全性的優(yōu)點(diǎn)，但是算法復(fù)雜性高計(jì)算消耗時(shí)間量大，不適用大數(shù)據(jù)加解密，常用的非對稱加密算法有 RSA，ECC［4-5］等．目前國際上絕大多數(shù)的密碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)都是由美國制定和開發(fā)的，為確保我國網(wǎng)絡(luò)安全和社會(huì)公眾利益，國家商用密碼管理局先后發(fā)布了一系列密碼標(biāo)準(zhǔn)，例如SM2，SM3，SM4［6-8］等密碼算法，算法公開后國內(nèi)外學(xué)者對其安全性作了全面測試．除了傳統(tǒng)的加密算法以外，目前也出現(xiàn)了一些新的加密技術(shù)，例如在文獻(xiàn)［9］中Huang等人提出了一種同態(tài)加密算法，該算法通過矩陣和向量的運(yùn)算來加解密數(shù)據(jù)，但是其密文檢索的處理效率很低，離實(shí)際的商業(yè)應(yīng)用還有較大的差距;在文獻(xiàn)［10］中Ateniese等人提出了基于代理重加密的分布式存儲(chǔ)方案，利用半可信服務(wù)器進(jìn)行解密操作，但是無法避免惡意服務(wù)器的攻擊;在文獻(xiàn)［11］中Kamara等人提出了一種面向公有云的加密存儲(chǔ)框架，但是目前該框架還沒有具體的實(shí)施細(xì)節(jié)，仍處于理論階段．

關(guān)系型數(shù)據(jù)庫已經(jīng)無法適應(yīng)云數(shù)據(jù)的多源異構(gòu)性，為解決這一問題人們引入了非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，但是在查詢分析方面能力較弱．目前越來越多的云環(huán)境供應(yīng)商開始采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫互補(bǔ)的架構(gòu)方式，來解決在處理不同數(shù)據(jù)類型上的缺陷和不足．

云數(shù)據(jù)的多樣化存儲(chǔ)方式，決定了單一的數(shù)據(jù)加密方式很難滿足實(shí)際的應(yīng)用需求．針對以上問題本文提出了數(shù)據(jù)分類分級(jí)的加密方案，在加密算法的選擇上均采用國產(chǎn)密碼算法．針對關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)只對敏感數(shù)據(jù)進(jìn)行加密并采用多重密鑰管理機(jī)制，即可以有效地提高加解密效率，又可以定期更換主密鑰增強(qiáng)數(shù)據(jù)的安全性;針對非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)(文檔、圖片、視頻等)采取客戶端本地加密的方式，同時(shí)采用混合加密算法解決密文共享問題．

2 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，云平臺(tái)的設(shè)計(jì)采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫優(yōu)點(diǎn)互補(bǔ)的架構(gòu)方式，同時(shí)采用混合加密算法來克服單一密碼算法的缺點(diǎn)和密文共享問題，敏感明文數(shù)據(jù)的傳輸需要通過SSL加密通道，具體架構(gòu)方案如圖1所示:

圖1 云平臺(tái)加密架構(gòu)方案

2．1 客戶端加密系統(tǒng)

客戶端負(fù)責(zé)文檔、圖片等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的加解密，用戶登錄加密系統(tǒng)后選擇文件．對于需要加密但是無需共享的文件，使用國密SM4算法加密后上傳云端，私鑰本地化存儲(chǔ)．當(dāng)云數(shù)據(jù)中的敏感數(shù)據(jù)需要共享給第三方時(shí)，采取如下的加密方式:

1)客戶端

客戶端的數(shù)據(jù)加密方案如圖2所示，詳細(xì)加密步驟如下:

①利用SM3算法將信息產(chǎn)生報(bào)文摘要;

②報(bào)文摘要用發(fā)送方SM2的私鑰進(jìn)行加密，生成數(shù)字簽名;

③將數(shù)字簽名和信息使用SM4的私鑰進(jìn)行加密，生成密文;

④使用SM2接收方的公鑰對SM4的私鑰加密生成數(shù)字信封，將密文和數(shù)字信封發(fā)送給接收方．

2)共享端

共享端的數(shù)據(jù)解密方案如圖3所示，詳細(xì)解密步驟如下:

①共享端從云端下載密文和數(shù)字信封，使用SM2的私鑰對數(shù)字信封進(jìn)行解密，生成SM4的私鑰;

②使用SM4的私鑰解密密文，產(chǎn)生信息和數(shù)字簽名;

③使用SM2發(fā)送方的公鑰對數(shù)字簽名解密，得到報(bào)文摘要;同時(shí)對原始信息使用SM3再次生成報(bào)文摘要;

④對比2個(gè)報(bào)文摘要，如果相同說明數(shù)字簽名有效，原始消息沒有被篡改;如果不同說明原始消息被修改或簽名不可信賴，并產(chǎn)生告警．

2．2 數(shù)據(jù)庫加密系統(tǒng)

關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中的關(guān)系型數(shù)據(jù)，例如登錄信息、個(gè)人信息等內(nèi)容，通過SSL安全通道進(jìn)行傳輸，數(shù)據(jù)到達(dá)服務(wù)器后先經(jīng)過加密系統(tǒng)加密，加密后的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中．目前絕大多數(shù)的數(shù)據(jù)庫自帶加解密功能，但是并不支持國產(chǎn)密碼算法，同時(shí)DBA的權(quán)限過大可以獲取所有的密鑰，如果黑客獲取DBA權(quán)限那么所有的數(shù)據(jù)都將會(huì)是透明的．基于此本文設(shè)計(jì)了一種基于DBMS外層的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫加密系統(tǒng)，該加密系統(tǒng)由密鑰管理模塊、加解密引擎模塊、密鑰管理模塊構(gòu)成，具體架構(gòu)如圖4所示．密鑰管理模塊采用多級(jí)密鑰管理機(jī)制，使用國產(chǎn)密碼算法SM2的公鑰去加密表的密鑰后存儲(chǔ)于加密字典中，而SM2的私鑰存儲(chǔ)于加密系統(tǒng)中，利用表密鑰去保護(hù)數(shù)據(jù)密鑰，這種密鑰管理方式可以定期更換主密鑰而不影響以前加密的數(shù)據(jù)．加解密引擎模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫的鏈接和加密算法的選擇，數(shù)據(jù)的加解密采用國產(chǎn)密碼算法SM4，在加密粒度的選擇上采用的是基于字段的加密方法，能夠?qū)δ骋涣忻舾袛?shù)據(jù)進(jìn)行加解密，這種方式避免了數(shù)據(jù)的全表加解密，有效降低了因加解密造成的時(shí)延．加密系統(tǒng)管理模塊主要用來驗(yàn)證用戶身份的合法性，只有合法用戶才能通過該模塊訪問加密字典，修改加密定義參數(shù)．

圖4 數(shù)據(jù)庫加密系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖2 客戶端加密方案

圖3 共享端解密方案

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

客戶端加密系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫加密系統(tǒng)使用Java語言編程實(shí)現(xiàn)，選用Eclipse作為集成開發(fā)環(huán)境;數(shù)據(jù)庫使用Oracle和MongoDB，其中Oracle數(shù)據(jù)庫用來管理關(guān)系型數(shù)據(jù)，MongoDB用來存放文件和文件夾信息;云端存儲(chǔ)平臺(tái)利用hadoop搭建．

非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)采用本地加密方式，客戶端首先選擇需要加密的數(shù)據(jù)，經(jīng)過加密后的文件統(tǒng)一以WanaCry為后綴名并上傳到云端，為防止云端數(shù)據(jù)被非法修改，采用SM3報(bào)文摘要算法驗(yàn)證數(shù)據(jù)的完整性．

選取1組明文數(shù)據(jù)用于論證方案的正確性，通過對比表1和表2的相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)發(fā)現(xiàn)，共享端解密過程中得到的明文、報(bào)文摘要、SM4的私鑰都與客戶端加密時(shí)產(chǎn)生的參數(shù)完全相同．

Oracle數(shù)據(jù)庫用來管理被加密后的關(guān)系型數(shù)據(jù)，無論數(shù)據(jù)庫管理員以何種身份進(jìn)入都無法看到明文，即使數(shù)據(jù)庫遭到非法入侵也無法獲取密鑰得到明文信息，具體加密效果如圖5所示．?dāng)?shù)據(jù)庫加密系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用基于字段的加密方法，只對表中的敏感信息進(jìn)行加密，這種方式可以大幅度提高數(shù)據(jù)的加解密效率．實(shí)驗(yàn)過程中分別選取了1萬～4萬條的數(shù)據(jù)量，采取了全表加密和敏感信息加密(選取了其中的1列)的方式，通過對比分析發(fā)現(xiàn)基于字段的加密方式效率更高，具體實(shí)驗(yàn)對比效果如圖6所示．

表1 客戶端加密實(shí)驗(yàn)參數(shù)

表2 共享端解密實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖5 數(shù)據(jù)庫加密效果

圖6 加密效率對比

4 結(jié) 語

本文結(jié)合云數(shù)據(jù)多樣化存儲(chǔ)的特點(diǎn)，在借鑒傳統(tǒng)加密方案的基礎(chǔ)上，提出了基于國密算法的云數(shù)據(jù)分類分級(jí)加密方案．該方案集終端數(shù)據(jù)安全、網(wǎng)絡(luò)傳輸安全、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全技術(shù)于一體，有效地確保了云數(shù)據(jù)的完整性、保密性、可用性．