个人云存储中基于客户端的透明加密方案

个人云存储中基于客户端的透明加密方案

李雪林，肖达，郑世慧5

（北京邮电大学计算机学院，北京 100876）

摘要：云存储的出现为互联网数据提供了一种新的存储方式，但是目前云存储环境易受到黑客攻击。现有的针对文件的加密算法不能同时满足安全性和密文同步高效性。本文提出一种基于客户端的透明加密方案，加密过程及密钥分配管理对用户透明。方案的核心部分在于增量加密算法，算法可以使密文按增量变化。因此密文在客户端和服务端高效同步。作者实现了基于客户端的透明加密系统，测试结果表明，相比普通AES加密算法，文件同步时间平均减少了75%。

关键词：云存储；增量加密；文件同步 中图分类号：TP309 15

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Client-Based Transparent Encryption Scheme in Personal

Cloud Storage

LI Xuelin, XIAO Da, ZHENG Shihui

(School of Computer Science,Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing

100876)

Abstract: The emergence of cloud storage provides a new way of storing Internet data, but the current cloud storage environment is vulnerable to hackers. The ordinary encryption algorithm can't satisfy the security and cipher synchronization efficiency at the same time. This paper proposes a client-based transparent encryption scheme, making the encryption process and key distribution management transparent to users. The core part of the scheme is incremental encryption algorithm, which make the cipher text change by increment.Then the cipher can synchronize between the client and the server efficiently. The authors implemented a client-based transparent encryption system, the test results show that com-pared with the ordinary AES encryption algorithm, the file synchronization time reduces 75% averagely. Key words: cloud storage ; incremental encryption; file synchronization

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0 引言

随着互联网数据规模指数级的增长，云存储提供了一种新的存储方式，但是由于黑客行为，及云存储运营商出于商业利益有可能会对用户数据进行篡改、删除、非法访问。保护数据的机密性成为一个急需研究的课题。 35

目前已经出现了云存储数据机密性相关研究，Jinhui Yao等提出了一个基于三方的TSS方案[1]，其中客户端供用户查看数据，存储服务提供商存储数据并加密数据，密钥管理服务提供商提供密钥存储，但是该方案把加密放在服务器，增加了服务器负担。Yan Huang[2]和CoClo[3]分别提出了针对在线编辑应用的加密方案，但这两种方案只适用于web应用。在安全的存储系统中，密钥管理也是重要组成部分，杨建新[4]提出了一种基于Ext2文件系统，40

用文件扩展属性存储密钥的方法。

[5-7]根据之前存储系统的安全研究，基金项目：国家自然科学基金资助项目（61202082）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（2012RC0218）；北京邮电大学青年科研创新计划专项人才培育项目（2012RC0219） 作者简介：李雪林（1989-），男，硕士，主要研究方向：云存储，云安全

通信联系人：肖达（1981-），男，博士，北京邮电大学讲师，基金项目负责人，主要研究方向：大规模存储系统，分布式系统. E-mail: xiaoda99@http://doc.guandang.net

本文提出一种基于客户端的透明加密方案，并在个人云存储应用Cyberbox上实现了基于客户端的透明加密系统。在本系统中，加解密过程在客户端完成，用户不必关心密钥的分配和管理，以及具体的加解密过程。相比其他个人云存储系统，我们系统采用增量加密算法，使45

密文变化取决于明文修改增量，提高密文同步效率。基于客户端的透明加密系统还采用了层级加密的思想，加密文件的主密钥也被加密，并作为文件属性保存在云存储服务器。这样，整个系统中既保证了用户数据的机密性，又提高了文件同步的高效性。

在现行网络环境中，通过实验测试，文件同步时间为系统主要时间时，采用本系统增量加密算法，相比普通AES，同步时间平均减少了75%。 50

1 方案设计

1.1 方案模型

基于客户端的透明加密方案实现的系统包括了三个部分：用户（数据持有者），存储服务器（存储用户数据密文），客户端（加密解密用户数据），见图1。客户端是可信方，在这里对文件进行分块、加解密。由于随机密钥的生成、存储和用户口令都是在客户端进行的，

55 所以只要保证了客户端的安全性就保证了整个系统的安全性。服务器端是半可信的，它处在不安全的网络环境中。

图1 基于客户端的透明加密系统模型

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1.2 增量加密

增量加密算法在普通AES机密算法基础上进行改进，为了对比两者的差别，这里有必要简要说明普通AES加密。

普通AES加密对文件按照16字节分块，最后一块如果不够16字节则用空白字符补齐，然后使用对称密钥对16字节分块加密。问题在于用户修改文件后，一个分块的改变通常都

65 会影响到所有后续分块的边界。例如，在文件的头部插入、删除、修改数据，会导致后面所有分块边界和原文件分块边界不同。这种分块的不稳定性，造成了原密文文件和新密文文件之间有很大的差异。如图2所示，只对原文件分块P1修改，就会导致原文件和新文件分块完全不同，相对应的密文分块也完全不同，所以同步密文文件时，增加了不必要的同步时间。

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图2 定长分块时原文件和新文件差异

我们的增量加密算法不是直接对整个文件进行16字节定长分块加密，而是根据内容使用Rabin指纹[8-10]对文件变长分块，接着对每个变长分块再进行16字节定长分块加密。文件修改后，新文件分块和原文件分块的差别在于修改处，因此新密文分块和原密文分块的差异也仅在相应的分块处，如图3所示，对原文件分块P2修改后，新文件中只有对应分块P2’75

改变，其他分块并没有改变。所以同步密文文件时，就可以按照密文增量进行同步，缩短了同步时间。

图3 变长分块时原文件和新文件差异

变长分块基于滑动窗口的思想，密文文件中每个分块的长度不同，只有知道密文长度才

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能在密文文件中读取密文分块；对每个密文分块解密后，还需根据分块的明文长度进行截取操作，才能得到明文分块。因此我们需要记录分块元数据，包括分块数，每个分块明文长度和密文长度。为了使云存储系统按照密文增量同步，密文中加入了元数据，这些开销是必须的。

文件变长分块平均长度，会对增量加密时间和密文长度产生影响。当平均分块长度较大

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时，产生的分块元数据较少，但是原密文和新密文的差异较大；当平均分块长度较小时，原密文和新密文之间的差异较小，但是产生了更多的分块元数据。

有了变长分块的方法，这时可以采用普通AES加密算法对这些变长分块加密。接下来主要讨论文件的具体加密解密过程。

加密文件

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当同步文件f到云存储服务器时，客户端为了对它加密，首先对文件变长分块，得到原明文分块集合 P1,P2...Pn 。对长度不是16整数倍的明文分块，在末尾补上空白字符使其长度为16的整数倍，产生临时明文分块集合 P1',P2'...Pn' 。为了在解密时还原出原明文分块集合，所以需要记 …… 此处隐藏：7239字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……