專利名稱：基于一種完整性校驗(yàn)的安全元數(shù)據(jù)管理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
基于一種完整性校驗(yàn)的安全元數(shù)據(jù)管理方法屬于存儲(chǔ)安全領(lǐng)域，尤其涉及其中的 完整性校驗(yàn)和安全元數(shù)據(jù)管理領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)今社會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和共享的需求在逐漸加大，分布式和 網(wǎng)絡(luò)化的技術(shù)也得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但是隨著數(shù)據(jù)在物理級(jí)別上脫離了用戶，導(dǎo)致 了數(shù)據(jù)可能在網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)中遭受泄露以及篡改的機(jī)會(huì)增加，因此如何讓用戶放心地將數(shù)據(jù)共 享，同時(shí)也能保證數(shù)據(jù)的機(jī)密性和完整性顯得愈加重要。數(shù)據(jù)的機(jī)密性值的是數(shù)據(jù)對(duì)于沒(méi)有訪問(wèn)權(quán)限的用戶(也可以稱為非法用戶)將是 未知的，沒(méi)有訪問(wèn)權(quán)限的用戶無(wú)法從數(shù)據(jù)中獲取關(guān)于其想得到的信息。一般保護(hù)數(shù)據(jù)的機(jī) 密性的方法主要是利用廣泛應(yīng)用的加密算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，具有訪問(wèn)權(quán)限的用戶擁有密 鑰，并能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)。數(shù)據(jù)的完整性校驗(yàn)指的是，數(shù)據(jù)在傳輸和存儲(chǔ)過(guò)程中，確保信息不被非法篡改或 者是數(shù)據(jù)的非法篡改能被合法用戶迅速發(fā)現(xiàn)，為用戶提供的一種完整性保護(hù)的方法。現(xiàn)今 的數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn)的方法是在存儲(chǔ)或者是傳輸數(shù)據(jù)前，利用哈希算法對(duì)數(shù)據(jù)計(jì)算哈希值， 并進(jìn)行保存，當(dāng)用戶需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)，利用相同的哈希算法重新計(jì)算該數(shù)據(jù)的哈希值， 并與之前保存的哈希值進(jìn)行對(duì)比，若相等，則說(shuō)明數(shù)據(jù)是完整的，若不相等，則說(shuō)明數(shù)據(jù)被 非法篡改或者在存儲(chǔ)的過(guò)程中丟失了部分?jǐn)?shù)據(jù)。但是由于數(shù)據(jù)的哈希值也有可能成為攻擊 的目標(biāo)，因此本發(fā)明采取了更完善的完整性校驗(yàn)，不僅包括了數(shù)據(jù)的完整性校驗(yàn)，同時(shí)也包 括了數(shù)據(jù)哈希值的完整性校驗(yàn)?；谝环N完整性校驗(yàn)的安全元數(shù)據(jù)管理方法是指在網(wǎng)絡(luò)共享系統(tǒng)中，為保證安 全元數(shù)據(jù)的機(jī)密性和完整性，以及用戶能夠?qū)ξ募M(jìn)行高效訪問(wèn)所提出的管理方法。傳統(tǒng) 的安全元數(shù)據(jù)管理方法主要有以下三種第一種是管理文件級(jí)的哈希值，即使用哈希算法 對(duì)整個(gè)文件計(jì)算哈希值并進(jìn)行保存，當(dāng)用戶訪問(wèn)該文件時(shí)，則對(duì)該文件重新計(jì)算哈希值，并 與之前保存的哈希值進(jìn)行對(duì)比，以此判斷文件的完整性，這種方法的缺點(diǎn)是由于哈希值是 文件級(jí)的，當(dāng)用戶對(duì)該文件某個(gè)部分進(jìn)行修改或者讀取該文件的某個(gè)部分時(shí)，為了保證用 戶讀取到的數(shù)據(jù)是完整的，因此需要進(jìn)行完整性校驗(yàn)，用戶則需要重新計(jì)算整個(gè)文件的哈 希值，并與之前保存的哈希值進(jìn)行比較，判斷該文件是否完整，這樣做計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)太大；第二 種是管理文件塊級(jí)的哈希值，具體的操作過(guò)程為將一個(gè)文件劃分為許多大小固定的文件 塊，并使用哈希算法計(jì)算每個(gè)文件塊的哈希值來(lái)保證文件塊的完整性，同時(shí)為了保證每個(gè) 文件塊哈希值的完整性，需要將每個(gè)文件塊的哈希值進(jìn)行拼接合并，并對(duì)拼接合并后的結(jié) 果再求哈希值進(jìn)行保存，這種方法的缺點(diǎn)是當(dāng)用戶需要對(duì)某個(gè)文件塊進(jìn)行改動(dòng)或者讀取 某個(gè)文件塊時(shí)，為了保證用戶讀取到的該文件塊是完整的，用戶需要重新計(jì)算所有文件塊 的哈希值，然后將計(jì)算而得的哈希值進(jìn)行拼接合并后再計(jì)算哈希，判斷求出的哈希值是否 與之前保存的一致，這樣做開(kāi)銷(xiāo)較大，并且哈希值沒(méi)有得到有效管理；第三種做法是使用文
5件塊級(jí)的哈希值和簡(jiǎn)單的Merkle哈希樹(shù)，具體的做法是首先計(jì)算每個(gè)文件塊的哈希值， 然后構(gòu)建Merkle哈希樹(shù)；具體的構(gòu)建方法如下，首先保證Merkle哈希樹(shù)的葉子節(jié)點(diǎn)同文件 塊數(shù)目相等，并形成葉子節(jié)點(diǎn)到文件塊的一一映射，在每個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)存放相應(yīng)文件塊的哈 希值，然后根據(jù)該樹(shù)的叉數(shù)，從葉子節(jié)點(diǎn)開(kāi)始逐層向上分別計(jì)算內(nèi)部節(jié)點(diǎn)(即除根節(jié)點(diǎn)之 外的非葉子節(jié)點(diǎn))的所有兒子節(jié)點(diǎn)內(nèi)容拼接后的哈希值，并存放在該節(jié)點(diǎn)中，最后直至根 節(jié)點(diǎn)，對(duì)存放在根節(jié)點(diǎn)中的哈希值進(jìn)行簽名，這樣最終保證了每個(gè)文件塊哈希值的完整性， 這種做法雖然可以有效管理文件塊的哈希值，但是可能造成Merkle哈希樹(shù)高度過(guò)大，使得 每次完整性校驗(yàn)都需要對(duì)葉子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行訪問(wèn)，這樣將不僅需要很多次的1/0，而且開(kāi)銷(xiāo)較 大，除此之外，Merkle哈希樹(shù)的完整性也沒(méi)有得到很好的保護(hù)。本發(fā)明提出了基于一種完整性校驗(yàn)的安全元數(shù)據(jù)管理方法，該方法通過(guò)文件塊自 加密技術(shù)計(jì)算，通過(guò)哈希值生成密鑰對(duì)文件塊進(jìn)行加密，從而提高了存儲(chǔ)的效率；采用了 4層的64叉堆哈希樹(shù)結(jié)構(gòu)，保證了哈希值的完整性，提高了文件塊哈希值的更新和驗(yàn)證效 率，并且降低了用戶訪問(wèn)哈希樹(shù)所需要的I/O量；最后通過(guò)構(gòu)建根哈希虛擬鏈表，保證了根 哈希的完整性，同時(shí)在一定程度上支持了用戶的并發(fā)訪問(wèn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種對(duì)安全元數(shù)據(jù)進(jìn)行有效便捷管理的方法，能夠保證安 全元數(shù)據(jù)的完整性，同時(shí)用戶能夠?qū)Π踩獢?shù)據(jù)信息進(jìn)行方便和高效的訪問(wèn)和更新，并且 支持多用戶對(duì)一個(gè)文件進(jìn)行并發(fā)訪問(wèn)。本發(fā)明的重點(diǎn)是文件塊級(jí)別的自加密技術(shù)，64叉堆 哈希樹(shù)的設(shè)計(jì)及根哈希虛擬鏈表的設(shè)計(jì)。本發(fā)明的特征在于是在客戶端和一個(gè)安全元數(shù)據(jù)管理服務(wù)器組成的系統(tǒng)中，依 次按以下步驟實(shí)現(xiàn)的步驟(1)客戶端用自加密方法生成文件塊級(jí)的安全元數(shù)據(jù)信息，步驟為步驟(1.1)按需要地把文件F分為固定大小為S的文件塊集合F= (f1;f2，...， fn，. . .，fN)，N表示文件塊數(shù)，當(dāng)文件F不是固定大小S的整數(shù)倍，則將最后一個(gè)文件塊填充 到大小為S的值，步驟(1. 2)用安全散列算法SHAl對(duì)所述文件塊fi計(jì)算其哈希值hashphashi = SHAl (f》，其中 i = 1,2,. . .，n，. . .，N，得到文件塊的哈希值集合 Qiash1, hash2，. . .，hashN)，步驟(1. 3)利用步驟(1. 2)得到的哈希值Iiashi生成加密密鑰，用keyi表示，keyi =hash」I Offseti,其中=Offseti表示文件塊&在所述文件中的偏移量，占用12B的存儲(chǔ) 空間，文件塊&的哈希值hashi占用20B的存儲(chǔ)空間，“Μ"為拼接合并符號(hào)，則加密密 鑰keyi占用的存儲(chǔ)空間為32B，步驟(1. 4)對(duì)所述文件塊&按下式加密Ci = E(fi; key》，其中E表示AES加密 算法，文件塊A和密鑰keyi是輸入?yún)?shù)，Ci表示對(duì)文件塊&進(jìn)行加密所得到的密文；步驟(2)在所述安全元數(shù)據(jù)管理服務(wù)器構(gòu)造所述文件F內(nèi)所有文件塊哈希值集 合Qiash1, hash2, ... , hashN)的64叉堆哈希樹(shù)，步驟如下步驟(2. 1)定義64叉堆哈希樹(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)和根節(jié)點(diǎn)的兒子數(shù)目都是 64，每個(gè)節(jié)點(diǎn)所存放的內(nèi)容是bHash| IcHash，所述的每個(gè)節(jié)點(diǎn)是指根節(jié)點(diǎn)或者內(nèi)部節(jié)點(diǎn)或 者葉子節(jié)點(diǎn)，其中，bHash是該節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)文件塊的哈希值，節(jié)點(diǎn)i的序號(hào)對(duì)應(yīng)于文件塊i的序號(hào)，以保證該節(jié)點(diǎn)i所對(duì)應(yīng)文件塊&的數(shù)據(jù)完整性，其中i = (1，2，. . .，n，. . . ,N),cHash 是該節(jié)點(diǎn)i的所有兒子節(jié)點(diǎn)的內(nèi)容，包括每個(gè)兒子節(jié)點(diǎn)中存儲(chǔ)的bHash和cHash在拼接后 計(jì)算得到的哈希值，以保證該節(jié)點(diǎn)i的所有兒子節(jié)點(diǎn)內(nèi)容的完整性，即保證每個(gè)兒子節(jié)點(diǎn) 中的bHash和cHash的完整性，“| | “為拼接合并符號(hào)，步驟(2. 2)構(gòu)造所述64叉堆哈希樹(shù)，初始化各節(jié)點(diǎn)i的內(nèi)容，步驟(2.2.1):64叉堆哈希樹(shù)節(jié)點(diǎn)集合如下 (node°，node] ’…,nodelM，nodef,…,node; ,..·)，其中node 』為根節(jié)點(diǎn)，表示根節(jié)點(diǎn)只有——個(gè)， notfe丨1是《oofei1的第1個(gè)兒子，《0論丨4是《0論丨°的第64個(gè)兒子，Wflfe12表示為《ο論丨1的第1個(gè)兒 子，以此類(lèi)推，"ocfe/表示所述64叉堆哈希樹(shù)中第j層的第i個(gè)節(jié)點(diǎn)，則對(duì)于該64叉堆 哈希樹(shù)，第0層的節(jié)點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)，數(shù)目為1，第1層的節(jié)點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)的兒子，其數(shù)目為64， 第2層節(jié)點(diǎn)為第1層相關(guān)節(jié)點(diǎn)的兒子，其數(shù)目為642，第3層的節(jié)點(diǎn)為第2層相關(guān)節(jié)點(diǎn)的 兒子，其數(shù)目為643，以此類(lèi)推，則對(duì)于所述非葉子節(jié)點(diǎn)《 Α/ ，其所有兒子節(jié)點(diǎn)集合為 (node('XM+]，nodeJ^\)xM+2 ,··.，node二)，步驟(2. 2. 2)初始化各節(jié)點(diǎn)的哈希值bHash 將步驟(1. 2)得到的 文件塊哈希值集合Oiash1, hash2, ... , hashN)和64叉堆哈希樹(shù)的節(jié)點(diǎn)集合
(^0辦丨力(^4,...,”(^心，”0￡^,...,”0辦丨，...)形成--對(duì)應(yīng)，具體方法如下對(duì)于根節(jié)占
node0,所對(duì)應(yīng)的文件塊的哈希值為Iiash1，記為noi/ef — bHash = hash,，node]所對(duì)應(yīng) 的文件塊f2的哈希值為hash2，記為node! bHash = hash2，對(duì)于第j層的第i個(gè)節(jié)點(diǎn)
W一所對(duì)應(yīng)文件塊fn的哈希值為hashn，其中η需要滿足的條件為《 = g(64廣，記為 nodeI —> bHash = hashn，步驟(2. 2. 3)初始化各節(jié)點(diǎn)的哈希值cHash 從葉子節(jié)點(diǎn)開(kāi)始逐層向上直至根節(jié) 點(diǎn)，對(duì)于葉子節(jié)點(diǎn)而言，利用線性同余法生成隨機(jī)數(shù)，將該隨機(jī)數(shù)賦值于— CifoA，對(duì) 于非葉子節(jié)點(diǎn)而言，對(duì)其所有的兒子節(jié)點(diǎn)內(nèi)容的哈希值，包括bHash和cHash，進(jìn)行拼 接后計(jì)算哈希值，表示為bHash) ||…|| ( otfe,= — cHash))，并將結(jié)果賦 值于 cHash, ^nodel1 — cHash轟示，，步驟(2. 3)按照以下步驟隨機(jī)訪問(wèn)數(shù)據(jù)塊，步驟(2. 3. 1)判斷所述隨機(jī)訪問(wèn)是否越界，步驟(2. 3. 1. 1)文件F的大小為filesize，當(dāng)用戶訪問(wèn)偏移量為offset，大小為 size的數(shù)據(jù)塊，若offset+size > filesize，則訪問(wèn)越界，用戶只能訪問(wèn)偏移量為offset, 大小為(filesize-offset)的數(shù)據(jù)塊，如果offset+size彡filesize，則用戶正常訪問(wèn)目標(biāo) 數(shù)據(jù)塊，步驟(2.3. 1.2)找出包含步驟(2.3. 1. 1)中的目標(biāo)數(shù)據(jù)塊f在步驟(1. 1)中生
成的文件塊集合中的文件塊子集合(fsta,t，fstart+1,· · ·，U，其中，fsta,t為起始文件塊，fend
為終止文件塊，通過(guò)計(jì)算可以得到，^^ = [，j ,end= °ffset^size，步驟(2. 3. 2)進(jìn)行文件塊子集合的哈希值的完整性校驗(yàn)，步驟如下步驟(2. 3. 2. 1)找出步驟(2. 3. 1. 2)中包含所述的目標(biāo)數(shù)據(jù)塊f的文件塊子集合(fStot，fstart+l' ...，feffld)所對(duì)應(yīng)的64叉堆哈希樹(shù)的各節(jié)點(diǎn)，步驟(2. 3. 2. 2)找出步驟(2. 3. 2. 1)中所述64叉堆哈希樹(shù)各節(jié)點(diǎn)各自父親節(jié)點(diǎn) 直至根節(jié)點(diǎn)的路徑，對(duì)該路徑經(jīng)過(guò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，無(wú)論內(nèi)部節(jié)點(diǎn)和根節(jié)點(diǎn)，用SHAl算法計(jì)算 所述路徑內(nèi)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有兒子節(jié)點(diǎn)的內(nèi)容拼接后而成的哈希值，看與該節(jié)點(diǎn)中保存的 cHash是否相等，若相等，說(shuō)明文件塊子集合的哈希值是完整的，若不相等，則說(shuō)明文件塊子 集合的哈希值被非法篡改，步驟(2. 3. 2. 3)對(duì)文件塊進(jìn)行完整性校驗(yàn)，步驟如下用戶重新計(jì)算文件塊子集 合的哈希值，用SHAl算法逐個(gè)計(jì)算該文件塊子集合中的每個(gè)文件塊的哈希值，再找出于該 文件塊子集合所對(duì)應(yīng)的那些所述64叉堆哈希樹(shù)的節(jié)點(diǎn)，判斷重新計(jì)算得出的哈希值是否 與這些節(jié)點(diǎn)中的bHash相等，如果相等，說(shuō)明文件塊子集合的內(nèi)容是完整的，沒(méi)有經(jīng)過(guò)非法 篡改，如果不相等，則說(shuō)明文件塊子集合的內(nèi)容不完整；步驟(3)按以下步驟更新文件數(shù)據(jù)塊步驟(3.1)進(jìn)行完整性校驗(yàn)，包括相關(guān)文件塊的哈希值的完整性校驗(yàn)以及 該文件塊內(nèi)容的完整性校驗(yàn)判斷(offset+size)和文件大小filesize的關(guān)系，如 果offset+size > filesize,則fend不存在，因此只需要驗(yàn)證文件塊fstart的完整性以 及的哈希值的完整性，后者的驗(yàn)證方法如步驟(2. 3. 2. 2)所述，如果offset+size 彡filesize,則需要驗(yàn)證起始文件塊fstot和終止文件塊fmd的完整性，以及這兩個(gè)文件塊 的哈希值的完整性，后者的驗(yàn)證方法如步驟(2. 3. 2. 2)所述，步驟(3. 2)重新計(jì)算被更新數(shù)據(jù)塊的哈希值當(dāng)數(shù)據(jù)塊更新完畢，需要利用哈希 算法SHAl算法對(duì)更新的部分進(jìn)行重新計(jì)算哈希值，并使用重新計(jì)算得到的哈希值生成加 密密鑰，并使用所述AES加密算法對(duì)更新后的文件塊進(jìn)行加密處理，步驟(3.3)把步驟(4.2)重新計(jì)算得到的哈希值賦值于bHash，并逐層向上找到 它們的父親節(jié)點(diǎn)直至根節(jié)點(diǎn)的路徑，找到該路徑上的相關(guān)節(jié)點(diǎn)，重新計(jì)算該節(jié)點(diǎn)的所有兒 子節(jié)點(diǎn)的內(nèi)容所拼接合并后的哈希值，賦值于該節(jié)點(diǎn)的cHash ；步驟(4)一個(gè)文件的所有文件塊的哈希值由多棵64叉堆哈希樹(shù)來(lái)維護(hù)的情況 下，當(dāng)發(fā)生并發(fā)訪問(wèn)時(shí)，要按照以下步驟構(gòu)造一個(gè)根哈希虛擬鏈表，以此來(lái)支持并發(fā)訪問(wèn)， 步驟如下步驟(4. 1)構(gòu)造根哈希虛擬鏈表步驟(4. 1. 1)將同屬于一個(gè)文件的多棵64叉堆哈希樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)鄰接，構(gòu)成根節(jié) 點(diǎn)之間的索引，每個(gè)根節(jié)點(diǎn)除包含了哈希樹(shù)的根哈希值，步驟(4. 1. 2)根哈希虛擬鏈表為(rhi; rh2，. . .，rhn)，其中rh表示第i棵64叉 堆哈希樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)所存儲(chǔ)的根哈希值，步驟(4. 1. 3)當(dāng)存在對(duì)根哈希虛擬鏈表進(jìn)行并發(fā)訪問(wèn)的時(shí)，首先檢查rhi值是否 處于順序鄰接的位置，對(duì)于尾節(jié)點(diǎn)rhn，查看其索引是否指向自己，步驟(4. 1.4)當(dāng)多個(gè)進(jìn)程不同時(shí)修改屬于同一棵64叉堆哈希樹(shù)的文件塊，就允 許這些操作并發(fā)執(zhí)行。本發(fā)明的效果如下i.采用了文件塊自加密技術(shù)，避免了一般情況下需要存儲(chǔ)加密密鑰和哈希值的情 況，通過(guò)使用文件塊的哈希值生成密鑰，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)只需要存儲(chǔ)文件塊的哈希值就可以保
8證文件塊的機(jī)密性和完整性的要求，提高了存儲(chǔ)的效率；ii.使用了 64叉堆數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)管理文件塊的哈希值，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)中存儲(chǔ)文件塊哈希 值以及該節(jié)點(diǎn)的所有兒子節(jié)點(diǎn)文件塊哈希值拼接后所計(jì)算的哈希值，這樣的設(shè)計(jì)縮短了文 件塊被修改時(shí)，64叉堆哈希樹(shù)需要更新和驗(yàn)證的路徑，同時(shí)由于文件塊的加密密鑰是由相 應(yīng)的文件塊的哈希值生成，因此這些密鑰的完整性也在64叉堆哈希樹(shù)中得到了保護(hù)；iii.實(shí)現(xiàn)了根哈希的虛擬鏈表技術(shù)。由于一個(gè)文件的完整性信息可能由多棵64 叉堆進(jìn)行維護(hù)，使用根哈希的虛擬鏈表技術(shù)保證了根哈希的完整性，同時(shí)在支持了用戶并 發(fā)訪問(wèn)的需求。


圖1.文件分割成文件塊示意圖。圖2.文件塊自加密過(guò)程示意圖。圖3. 64叉堆哈希樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖其中bHash為該節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)文件塊的哈希值， cHash為該節(jié)點(diǎn)的所有兒子節(jié)點(diǎn)內(nèi)容拼接合并后計(jì)算的哈希值。圖4.當(dāng)隨機(jī)訪問(wèn)文件塊時(shí)，64叉堆的完整性校驗(yàn)其中bHash為該節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)文 件塊的哈希值，cHash為該節(jié)點(diǎn)的所有兒子節(jié)點(diǎn)內(nèi)容拼接合并后計(jì)算的哈希值。圖5.根哈希虛擬鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖。圖6.并發(fā)訪問(wèn)的流程示意圖。圖7.具體方法流程圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的核心是在安全元數(shù)據(jù)管理服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)了對(duì)文件安全元數(shù)據(jù)的管理，其 實(shí)現(xiàn)主要是由以下幾個(gè)部分，管理操作主要由每個(gè)部分的相應(yīng)模塊構(gòu)成 客戶端申請(qǐng)對(duì)文件的訪問(wèn)，并在文件加密的過(guò)程中主要負(fù)責(zé)計(jì)算文件塊的哈 希值，以及對(duì)文件塊進(jìn)行加密操作；A.文件分塊模塊負(fù)責(zé)對(duì)文件進(jìn)行分塊操作，具體操作如圖1所示。針對(duì)一個(gè)文件，將其劃分為多個(gè)固定大小的文件塊；B.自加密模塊負(fù)責(zé)對(duì)文件塊進(jìn)行自加密操作，具體操作如圖2所示。在模塊中所使用的加密算法為對(duì)稱塊加密算法AES，其中AES算法是美國(guó)國(guó)家技 術(shù)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)在2000年所確定的高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)，由于AES算法是塊加密算法，如果需要加 密的塊超過(guò)AES算法加密的基本單元，則需要使用分組加密模式。AES算法包含了多種不同 的分組加密模式，這些分組加密模式可以讓使用者根據(jù)其對(duì)性能和安全性的綜合考慮而選 擇使用。在模塊中，首先采用SHAl算法對(duì)每個(gè)文件塊計(jì)算哈希值，并將文件塊的哈希值和 其所在的偏移值進(jìn)行拼接合并，構(gòu)成密鑰；然后利用該密鑰，使用AES算法以及用戶所選擇 的分組模式，對(duì)文件塊進(jìn)行加密，加密后，將每個(gè)文件塊的哈希值發(fā)給安全元數(shù)據(jù)管理服務(wù) 器；C.完整性校驗(yàn)?zāi)K驗(yàn)證所請(qǐng)求訪問(wèn)的數(shù)據(jù)塊的完整性；當(dāng)客戶端向安全元數(shù)據(jù) 管理服務(wù)器申請(qǐng)?jiān)L問(wèn)某個(gè)文件中偏移為offset、大小為size的數(shù)據(jù)塊，安全元數(shù)據(jù)管理服 務(wù)器通過(guò)步驟2. 3. 2驗(yàn)證包含該數(shù)據(jù)塊的最小文件塊子集合的哈希值的完整后，將會(huì)返回給用戶端包含該數(shù)據(jù)塊的最小文件塊子集合中的每個(gè)文件塊的哈希值，客戶端運(yùn)行此模塊 重新計(jì)算這些文件塊的哈希值，判斷是否與得到的哈希值相同，若相同，則說(shuō)明所請(qǐng)求訪問(wèn) 的數(shù)據(jù)塊是完整的，否則，則說(shuō)明所請(qǐng)求訪問(wèn)的數(shù)據(jù)塊的完整性受到破壞；·網(wǎng)絡(luò)以密文形式傳輸用戶的請(qǐng)求和安全元數(shù)據(jù)信息； 安全元數(shù)據(jù)管理服務(wù)器接受文件的安全元數(shù)據(jù)信息，構(gòu)建并維護(hù)64叉堆哈希 樹(shù)；當(dāng)用戶申請(qǐng)對(duì)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行訪問(wèn)，安全服務(wù)器確定了包含該數(shù)據(jù)塊的最小文件塊子集合， 然后對(duì)該子集合中的文件塊的哈希值進(jìn)行完整性校驗(yàn)；A.元數(shù)據(jù)初始模塊從客戶端接收文件塊集合的哈希值，并初始化64叉堆哈希樹(shù) 結(jié)構(gòu)，64叉堆哈希樹(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖3所示；1.定義64叉堆哈希樹(shù)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)64叉堆哈希樹(shù)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的內(nèi)容包括bHash和cHash ；其中，bHash指的是該節(jié) 點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的文件塊的哈希值，該哈希值是使用SHAl算法對(duì)文件塊進(jìn)行計(jì)算而得，占用的存 儲(chǔ)空間為20B ；cHash指的是該節(jié)點(diǎn)的所有兒子節(jié)點(diǎn)的內(nèi)容拼接合并后所計(jì)算而得的哈希值，占 用的存儲(chǔ)空間為20B;2.從客戶端接收文件塊的哈希值，并根據(jù)步驟2. 2，依據(jù)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)初始化 64叉堆哈希樹(shù)；B.哈希值完整性校驗(yàn)?zāi)K針對(duì)用戶申請(qǐng)?jiān)L問(wèn)的數(shù)據(jù)塊，對(duì)它所相關(guān)的文件塊的 哈希值進(jìn)行完整性校驗(yàn)，如圖4所示，該模塊的主要功能有以下兩個(gè)1.哈希值的完整性校驗(yàn)得到用戶的訪問(wèn)申請(qǐng)后，通過(guò)用戶申請(qǐng)?jiān)L問(wèn)的數(shù)據(jù)塊計(jì) 算得出包含該數(shù)據(jù)塊的最小文件塊子集合，得出最小文件塊子集合中每個(gè)文件塊所對(duì)應(yīng)的 64叉堆節(jié)點(diǎn)，并求出從這些節(jié)點(diǎn)的父親節(jié)點(diǎn)到根節(jié)點(diǎn)的路徑，以及該路徑經(jīng)過(guò)的相關(guān)節(jié)點(diǎn)； 對(duì)于這些相關(guān)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有兒子內(nèi)容拼接而得的哈希值，判斷是否與存 儲(chǔ)在該節(jié)點(diǎn)的cHash相同，若相同，則說(shuō)明該文件塊子集合的哈希值是完整的，否則向安全 元數(shù)據(jù)管理服務(wù)器報(bào)錯(cuò)；C.安全元數(shù)據(jù)更新模塊對(duì)64叉堆哈希樹(shù)進(jìn)行更新；當(dāng)用戶對(duì)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行更新 后，對(duì)于包含該數(shù)據(jù)塊的最小文件塊子集合中的文件塊，其哈希值由于數(shù)據(jù)塊內(nèi)容的更新 而得到改變；該模塊的具體做法是對(duì)于被用戶更新的數(shù)據(jù)塊，得出包含該數(shù)據(jù)塊的最小 文件塊子集合，得出最小文件塊子集合中每個(gè)文件塊所對(duì)應(yīng)的64叉堆哈希樹(shù)節(jié)點(diǎn)，并求出 從這些節(jié)點(diǎn)的父親節(jié)點(diǎn)到根節(jié)點(diǎn)的路徑，以及該路徑經(jīng)過(guò)的相關(guān)節(jié)點(diǎn)；對(duì)于這些相關(guān)節(jié)點(diǎn)， 將該節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)文件塊的哈希值賦值于bHash，并逐一計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有兒子內(nèi)容拼接 合并后的哈希值，并賦值于該節(jié)點(diǎn)的cHash ；D.根哈希完整性校驗(yàn)?zāi)K驗(yàn)證根哈希值的完整性，其中根哈希虛擬鏈表的數(shù)據(jù) 結(jié)構(gòu)如圖5所示。驗(yàn)證根哈希的完整性需要檢查相應(yīng)的根哈希的索引，具體步驟如下1.該根節(jié)點(diǎn)是根哈希鏈表的最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，檢查該節(jié)點(diǎn)的索引是否指向自己；2.當(dāng)該根節(jié)點(diǎn)是根哈希鏈表的中間節(jié)點(diǎn)也時(shí)，檢查該節(jié)點(diǎn)的前一個(gè)根節(jié)點(diǎn)IV1 的索引是否指向rhi ；E.并發(fā)訪問(wèn)模塊支持多用戶對(duì)同屬于一個(gè)文件的不同64叉堆哈希樹(shù)所維護(hù)的 文件塊進(jìn)行訪問(wèn)，如圖6所示。當(dāng)用戶Useri申請(qǐng)?jiān)L問(wèn)偏移量為offset，大小為size的數(shù)據(jù)塊，該模塊的處理過(guò)程主要如下1.根據(jù)用戶申請(qǐng)?jiān)L問(wèn)的數(shù)據(jù)塊的偏移量和大小，計(jì)算得到維護(hù)該數(shù)據(jù)塊的64叉 堆哈希樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)；2.查看以這些根節(jié)點(diǎn)為根的64叉堆哈希樹(shù)是否正在被其他用戶使用，如果正在 使用，則用戶的訪問(wèn)請(qǐng)求進(jìn)入等待隊(duì)列；如果未在使用，則調(diào)用根哈希完整性校驗(yàn)?zāi)K對(duì)根 節(jié)點(diǎn)的哈希值的進(jìn)行完整性校驗(yàn)，然后再調(diào)用節(jié)點(diǎn)完整性校驗(yàn)?zāi)K；3.訪問(wèn)完畢，將這些64叉堆哈希樹(shù)交由等待隊(duì)列中的下一個(gè)用戶，并處理其訪問(wèn) 請(qǐng)求；F.錯(cuò)誤處理模塊定義了一些錯(cuò)誤的信息編號(hào)，表1列舉了一些常見(jiàn)的錯(cuò)誤表1常見(jiàn)錯(cuò)誤的錯(cuò)誤代碼以及解釋錯(cuò)誤代碼錯(cuò)誤解釋ERR_MALL0C開(kāi)辟空間錯(cuò)誤ERR_HASH_NOT_MATCH 完整性校驗(yàn)錯(cuò)誤錯(cuò)誤處理模塊收集上述模塊所反饋的錯(cuò)誤信息，并傳達(dá)給客戶端和服務(wù)器以作進(jìn) 一步的處理。其具體方法的流程圖如圖7所示，操作步驟如下>步驟1 自加密技術(shù)生成文件塊級(jí)安全元數(shù)據(jù)信息，具體的步驟有今步驟1. 1 根據(jù)需求將文件分為固定粒度的文件塊。將文件F分為固定大小為S 的文件塊集合，倘若文件F不是S的整數(shù)倍，則將分割后剩下的最后一個(gè)文件塊進(jìn)行填充使 其大小為S，最后可得到文件塊集合(f1; f2, . . . fn)；今步驟1. 2 使用SHAl算法對(duì)文件塊集合中的每個(gè)文件塊計(jì)算其哈希值，其中 SHAl算法是由美國(guó)國(guó)家安全局設(shè)計(jì)，并由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院發(fā)布的一種安全散 列算法，是一種被廣泛應(yīng)用的哈希算法，它的用處是將冗長(zhǎng)的文件壓縮成為一段獨(dú)特的數(shù) 字信息(一般稱為哈希值)，保證原來(lái)文件的合法性和安全性。使用SHAl算法，對(duì)以上文 件塊集合中每個(gè)固定大小為S的文件塊計(jì)算哈希值。令hash表示文件塊&經(jīng)過(guò)SHAl算 法計(jì)算而得的哈希值，則可以表示為hashi = SHAl (f\)，最后可以得到哈希值集合(hash” hash2, ... , hashn)，其中每個(gè)哈希值占用的存儲(chǔ)空間為20B ；今步驟1. 3 利用哈希值生成加密密鑰；令Offseti表示文件塊&在文件中的偏 移量，其中Offseti占用的存儲(chǔ)空間為12B，令keyi表示對(duì)文件塊&進(jìn)行加密的密鑰；通過(guò) Offseti和has、生成keYi的方法如下:keYi = Kashi | | Offseti,其中“| | “為拼接合并符 號(hào)，表示keyi是由hashi和Offseti的內(nèi)容拼接合并而成，則Iceyi所占用的存儲(chǔ)空間大小= 20B(hashi所占用的存儲(chǔ)空間)+12B (Offseti所占用的存儲(chǔ)空間)=32B ；今步驟1. 4 利用生成的密鑰，并使用AES加密算法對(duì)文件塊加密，其中AES算法是 美國(guó)國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)在2000年所確定的高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)，是一種廣泛應(yīng)用的保護(hù)數(shù)據(jù) 安全的加密算法。令Ci表示前面得到的keyi對(duì)文件塊&進(jìn)行加密所得到的密文，則有Ci =E (fi; key》，其中文件塊&和密鑰keyi為輸入?yún)?shù)，Ci為輸出結(jié)果，所使用的加密算法E 為AES加密算法，；>步驟2 對(duì)于給定的一個(gè)文件，維護(hù)該文件所有文件塊哈希值的64叉堆哈希樹(shù)的 構(gòu)建，以及當(dāng)用戶對(duì)該文件進(jìn)行訪問(wèn)和更新的處理時(shí)，64叉堆哈希樹(shù)的一些處理操作，具體的步驟如下今步驟2. 1 定義64叉堆哈希樹(shù)的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。一棵64叉堆樹(shù)的主要由葉子節(jié) 點(diǎn)，內(nèi)部節(jié)點(diǎn)和根節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，其中內(nèi)部節(jié)點(diǎn)和根節(jié)點(diǎn)的兒子數(shù)目都是64。在步驟1. 1中劃分 而成的文件塊都和該文件的64叉堆哈希樹(shù)的節(jié)點(diǎn)形成一一對(duì)應(yīng)，在64叉堆哈希樹(shù)中，每個(gè) 節(jié)點(diǎn)存放兩部分內(nèi)容第一部分是該節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)文件塊的哈希值，記為bHash，bHash的作 用是為了保證該節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)文件塊的完整性；第二部分則存儲(chǔ)了該節(jié)點(diǎn)的所有兒子節(jié)點(diǎn)存 放內(nèi)容拼接后所計(jì)算的哈希值，記為cHash，cHash的作用是為了保證該節(jié)點(diǎn)的所有兒子節(jié) 點(diǎn)內(nèi)容的完整性；可以得出，在64叉堆哈希樹(shù)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)中存儲(chǔ)的內(nèi)容為bHash和cHash 所拼接合并后的值，即bHash I I cHash，構(gòu)建64叉堆哈希樹(shù)以及初始化其節(jié)點(diǎn)內(nèi)容的步驟如 下；今步驟2. 2 64叉堆哈希樹(shù)的構(gòu)建和節(jié)點(diǎn)內(nèi)容的初始化。V 步驟 2. 2. 1 節(jié)點(diǎn)的定義定義(node ,node\,node\,._.,nodel64,nodef ,...,node:,...、
為64叉堆哈希樹(shù)的節(jié)點(diǎn)集合，其中表示的是哈希樹(shù)中第j層的第i個(gè)節(jié)點(diǎn)，則可以 得知如論1()是根節(jié)點(diǎn)，(《0論11,...,^ ^4)是《0論1°的所有兒子節(jié)點(diǎn)，依次類(lèi)推，則在64叉堆哈希 樹(shù)中，第0層的節(jié)點(diǎn)數(shù)為1，第1層的節(jié)點(diǎn)數(shù)為64，第2層的節(jié)點(diǎn)數(shù)為64X64 = 4096，第3 層的節(jié)點(diǎn)數(shù)為64X64X64 = 262144。對(duì)于非葉子節(jié)點(diǎn)如，它的所有兒子節(jié)點(diǎn)集合為 (node^)x6M，ηο β[;_\>Μ+2,…’nodeJ二丨)；V步驟2. 2. 2 初始化節(jié)點(diǎn)的內(nèi)容bHash ；將步驟1. 2得到的哈希值集合 Qiash1, hash2, ... , hashn)與上面步驟2. 2. 1中定義的64叉堆哈希樹(shù)的節(jié)點(diǎn)集合
(node , node]，node\ ,···, nodelM,nodef ,.·., node丨,.·.)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的 bHash 建立--對(duì)應(yīng)關(guān)系，例
如將Iiash1與根節(jié)點(diǎn)nocfei1的bHash對(duì)應(yīng)，記為noc^0 — bHash = hash,，然后將hash2與節(jié)點(diǎn) "Otfe11的bHash對(duì)應(yīng)，記為node! — bHash = Hash1，通過(guò)這種方法類(lèi)推，將hashn和節(jié)點(diǎn)
的bHash對(duì)應(yīng)，記為％& ^ bHash = hash (當(dāng)滿足^(64Z + = w時(shí))，通過(guò)這種方法初始
化64叉堆哈希樹(shù)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的bHash內(nèi)容。對(duì)于noflfe/ -> bHash = Hashn，稱hashn為節(jié)點(diǎn) m&Z所對(duì)應(yīng)的文件塊哈希值，由于hashn是由文件塊fn經(jīng)過(guò)哈希算法計(jì)算而得，稱fn為 noife/所對(duì)應(yīng)的文件塊，稱為fn所對(duì)應(yīng)的64叉堆哈希樹(shù)節(jié)點(diǎn)；V步驟2. 2. 3 初始化節(jié)點(diǎn)的內(nèi)容cHash 對(duì)哈希樹(shù)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行考慮，當(dāng)其 為葉子節(jié)點(diǎn)時(shí)，則使用隨機(jī)數(shù)生成算法(例如線性同余法)生成隨機(jī)數(shù)，并將生成的隨 機(jī)數(shù)賦值于皿^cHash，當(dāng)其為非葉子節(jié)點(diǎn)時(shí)，則可以計(jì)算得到它的兒子節(jié)點(diǎn)集合為 {node[XbM,nodelXM+2,...,node^)，將所有兒子節(jié)點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行拼接合并，再通過(guò)SHAl算法 求其哈希值，然后將結(jié)果賦值于皿^cHash，即 node/ — cHash = SHA\{{nodeJJ\yM+x — bHash) || …|| (node^4 -> cHash))；今步驟2. 3 對(duì)文件數(shù)據(jù)塊的隨機(jī)訪問(wèn)。V步驟2. 3. 1 判斷訪問(wèn)在大小為filesize的文件F中，當(dāng)用戶訪問(wèn)偏移量為 offset，大小為size的數(shù)據(jù)塊f ；如果offset+size > filesize，則訪問(wèn)越界，用戶只能訪 問(wèn)偏移量為 offset，大小為(filesize-offset)的數(shù)據(jù)塊；如果 offset+size < filesize, 則用戶可以正常訪問(wèn)目標(biāo)數(shù)據(jù)塊。在步驟1. 1中生成的文件塊集合中，求出包含數(shù)據(jù)塊f的最小的文件塊子集合，即找出子集合(fstmt，fstart+i' . . .，U，滿足數(shù)據(jù)塊f包含于(fstot， fstart+i' ...，feffld)，同時(shí)任何包含數(shù)據(jù)塊f的文件塊子集合都包含(fstart，fstart+1，…，femd)，
通過(guò)計(jì)算可以得到，加0V步驟2. 3. 2 哈希值的完整性校驗(yàn)找出包含數(shù)據(jù)塊f的最小文件塊子集合 (fstart, fstart+1, . . .，femd)所對(duì)應(yīng)的64叉堆哈希樹(shù)節(jié)點(diǎn)，并找出它們所在父親節(jié)點(diǎn)直至根節(jié) 點(diǎn)的路徑，對(duì)該路徑經(jīng)過(guò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，包括內(nèi)部節(jié)點(diǎn)和根節(jié)點(diǎn)，用哈希算法計(jì)算將它的兒子 節(jié)點(diǎn)的內(nèi)容所拼接合并而成后的哈希值，看與該節(jié)點(diǎn)中保存的cHash是否相等，如果相等， 說(shuō)明文件塊子集合的哈希值是完整的，用戶可以進(jìn)行步驟2. 3.3 ；如果不相等，則說(shuō)明文件 塊子集合的哈希值被非法篡改；V步驟2. 3. 3 文件塊的完整性校驗(yàn)在驗(yàn)證了文件塊子集合哈希值的完整性后， 用戶重新計(jì)算文件塊子集合的哈希值，然后找出該文件塊子集合所對(duì)應(yīng)的64叉堆哈希樹(shù) 的節(jié)點(diǎn)，并與保存在該節(jié)點(diǎn)中的bHash進(jìn)行對(duì)比，如果相等，說(shuō)明文件塊子集合的內(nèi)容是完 整的，沒(méi)有經(jīng)過(guò)非法篡改，如果不相等，則說(shuō)明文件塊子集合的內(nèi)容不完整；今步驟2. 4 對(duì)文件數(shù)據(jù)塊的更新；對(duì)數(shù)據(jù)塊的更新主要包括對(duì)數(shù)據(jù)塊原來(lái)的內(nèi) 容進(jìn)行修改，或者是在插入或者刪除數(shù)據(jù)塊的某段內(nèi)容，具體的步驟如下V步驟2. 4. 1 進(jìn)行完整性校驗(yàn)在大小為fiIesize的文件F中，當(dāng)用戶需要更新 偏移量為offset，大小為size的數(shù)據(jù)塊f。具體的操作過(guò)程如下通過(guò)步驟2. 3. 1可得， 包含數(shù)據(jù)塊f的最小的文件塊子集合為(fst t，fstot+1，…，f-)，考慮到在更新的過(guò)程中， 數(shù)據(jù)塊中間部分的內(nèi)容將會(huì)被更新，其完整性信息(即哈希值)也將被更新，因此只需要 對(duì)包含數(shù)據(jù)塊最小的文件塊子集合的起始文件塊和終止文件塊進(jìn)行完整性校驗(yàn)，即僅需要 判斷文件塊fstart和fend的完整性。判斷(offset+size)和文件大小filesize的關(guān)系，如 果offset+size > filesize,則fend不存在，因此只需要驗(yàn)證文件塊fstart的完整性；如果 offset+size ( filesize，則需要驗(yàn)證文件塊fstot和文件塊fend的完整性以及其哈希值的 完整性，具體的步驟同步驟2. 3所述；V步驟2. 4. 2 重新計(jì)算數(shù)據(jù)塊的哈希值當(dāng)數(shù)據(jù)塊更新完畢，需要利用哈希算法 對(duì)更新的部分進(jìn)行重新計(jì)算哈希值，并使用重新計(jì)算得到的哈希值生成加密密鑰，并使用 AES加密算法對(duì)更新后的文件塊進(jìn)行加密處理；V步驟2. 4. 3 對(duì)64叉堆的相關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行更新根據(jù)步驟2. 2. 2找到更新后的數(shù) 據(jù)塊所對(duì)應(yīng)的64叉堆哈希樹(shù)的相關(guān)節(jié)點(diǎn)，并對(duì)存放在這些節(jié)點(diǎn)中內(nèi)容，即bHash和cHash 進(jìn)行更新，具體更新操作如下將步驟2. 4. 2重新計(jì)算得到的哈希值賦值于bHash，并逐層 向上找到它們的父親節(jié)點(diǎn)直至根節(jié)點(diǎn)的路徑，找到該路徑上的相關(guān)節(jié)點(diǎn)，重新計(jì)算該節(jié)點(diǎn) 的所有兒子節(jié)點(diǎn)的內(nèi)容所拼接合并后的哈希值，賦值于該節(jié)點(diǎn)的cHash ；>步驟3 根哈希虛擬鏈表，以及對(duì)并發(fā)訪問(wèn)的支持。一個(gè)文件的所有文件塊的哈 希值可能由多棵64叉堆哈希樹(shù)來(lái)維護(hù)，為了提供更高層次的完整性保護(hù)，因此需要保證每 棵哈希樹(shù)根節(jié)點(diǎn)的完整性，具體的步驟如下今步驟3. 1 根哈希虛擬鏈表的構(gòu)建。將同屬于一個(gè)文件的多棵64叉堆哈希樹(shù)的 根節(jié)點(diǎn)鄰接，每個(gè)根節(jié)點(diǎn)除包含所在哈希樹(shù)的根哈希值之外，還包含一個(gè)索引。定義根哈希 虛擬鏈表為(rhi; rh2, · · · ， rhn)，其中rh,表示第i棵64叉堆哈希樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)所存儲(chǔ)的根
13哈希值，鏈表中除最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)外，每個(gè)根節(jié)點(diǎn)的索引都指向與其鄰接的下一節(jié)點(diǎn)(也就 是說(shuō)rhi指向rhi+1)；而最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)的索引則指向自己(也就是說(shuō)舊指向rhn)，由 于這些哈希樹(shù)的根哈希節(jié)點(diǎn)是順序存儲(chǔ)，沒(méi)有任何指針，因此它并不是一個(gè)真正的鏈表；今步驟3.2 對(duì)根哈希虛擬鏈表的訪問(wèn)。當(dāng)對(duì)根哈希虛擬鏈表進(jìn)行訪問(wèn)的時(shí)候，首 先檢查該節(jié)點(diǎn)是否處于合法位置，對(duì)于尾節(jié)點(diǎn)，查看其索引是否指向自己，對(duì)于非尾節(jié)點(diǎn)， 檢查其索引是否指向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。今步驟3. 3:對(duì)并發(fā)訪問(wèn)的支持。由于一個(gè)文件可以劃分為不同的部分，每一部分 的數(shù)據(jù)完整性信息(即相關(guān)文件塊的哈希值)都劃歸一棵單獨(dú)的64叉堆哈希樹(shù)進(jìn)行維護(hù)。 這樣一來(lái)，只要多個(gè)進(jìn)程不同時(shí)修改屬于同一棵64叉堆哈希樹(shù)的文件塊，就可以允許這些 操作并發(fā)執(zhí)行。
權(quán)利要求
基于一種完整性校驗(yàn)的安全元數(shù)據(jù)管理方法，其特征在于是在客戶端和一個(gè)安全元數(shù)據(jù)管理服務(wù)器組成的系統(tǒng)中，依次按以下步驟實(shí)現(xiàn)的步驟(1)客戶端用自加密方法生成文件塊級(jí)的安全元數(shù)據(jù)信息，步驟為步驟(1.1)按需要地把文件F分為固定大小為S的文件塊集合F＝(f1，f2，...，fn，...，fN)，N表示文件塊數(shù)，當(dāng)文件F不是固定大小S的整數(shù)倍，則將最后一個(gè)文件塊填充到大小為S的值，步驟(1.2)用安全散列算法SHA1對(duì)所述文件塊fi計(jì)算其哈希值hashi，hashi＝SHA1(fi)，其中i＝1，2，...，n，...，N，得到文件塊的哈希值集合(hash1，hash2，...，hashN)，步驟(1.3)利用步驟(1.2)得到的哈希值hashi生成加密密鑰，用keyi表示，keyi＝hashi||offseti，其中offseti表示文件塊fi在所述文件中的偏移量，占用12B的存儲(chǔ)空間，文件塊fi的哈希值hashi占用20B的存儲(chǔ)空間，″||″為拼接合并符號(hào)，則加密密鑰keyi占用的存儲(chǔ)空間為32B，步驟(1.4)對(duì)所述文件塊fi按下式加密ci＝E(fi，keyi)，其中E表示AES加密算法，文件塊fi和密鑰keyi是輸入?yún)?shù)，ci表示對(duì)文件塊fi進(jìn)行加密所得到的密文；步驟(2)在所述安全元數(shù)據(jù)管理服務(wù)器構(gòu)造所述文件F內(nèi)所有文件塊哈希值集合(hash1，hash2，...，hashN)的64叉堆哈希樹(shù)，步驟如下步驟(2.1)定義64叉堆哈希樹(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)和根節(jié)點(diǎn)的兒子數(shù)目都是64，每個(gè)節(jié)點(diǎn)所存放的內(nèi)容是bHash||cHash，所述的每個(gè)節(jié)點(diǎn)是指根節(jié)點(diǎn)或者內(nèi)部節(jié)點(diǎn)或者葉子節(jié)點(diǎn)，其中，bHash是該節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)文件塊的哈希值，節(jié)點(diǎn)i的序號(hào)對(duì)應(yīng)于文件塊i的序號(hào)，以保證該節(jié)點(diǎn)i所對(duì)應(yīng)文件塊fi的數(shù)據(jù)完整性，其中i＝(1，2，...，n，...，N)，cHash是該節(jié)點(diǎn)i的所有兒子節(jié)點(diǎn)的內(nèi)容，包括每個(gè)兒子節(jié)點(diǎn)中存儲(chǔ)的bHash和cHash在拼接后計(jì)算得到的哈希值，以保證該節(jié)點(diǎn)i的所有兒子節(jié)點(diǎn)內(nèi)容的完整性，即保證每個(gè)兒子節(jié)點(diǎn)中的bHash和cHash的完整性，″||″為拼接合并符號(hào)，步驟(2.2)構(gòu)造所述64叉堆哈希樹(shù)，初始化各節(jié)點(diǎn)i的內(nèi)容，步驟(2.2.1)64叉堆哈希樹(shù)的節(jié)點(diǎn)集合如下其中為根節(jié)點(diǎn)，表示根節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)，是的第1個(gè)兒子，是的第64個(gè)兒子，表示為的第1個(gè)兒子，以此類(lèi)推，表示所述64叉堆哈希樹(shù)中第j層的第i個(gè)節(jié)點(diǎn)，則對(duì)于該64叉堆哈希樹(shù)，第0層的節(jié)點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)，數(shù)目為1，第1層的節(jié)點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)的兒子，其數(shù)目為64，第2層節(jié)點(diǎn)為第1層相關(guān)節(jié)點(diǎn)的兒子，其數(shù)目為642，第3層的節(jié)點(diǎn)為第2層相關(guān)節(jié)點(diǎn)的兒子，其數(shù)目為643，以此類(lèi)推，則對(duì)于所述非葉子節(jié)點(diǎn)其所有兒子節(jié)點(diǎn)集合為步驟(2.2.2)初始化各節(jié)點(diǎn)的哈希值bHash將步驟(1.2)得到的文件塊哈希值集合(hash1，hash2，...，hashN)和64叉堆哈希樹(shù)的節(jié)點(diǎn)集合形成一一對(duì)應(yīng)，具體方法如下對(duì)于根節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的文件塊f1的哈希值為hash1，記為所對(duì)應(yīng)的文件塊f2的哈希值為hash2，記為對(duì)于第j層的第i個(gè)節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)文件塊fn的哈希值為hashn，其中n需要滿足的條件為記為步驟(2.2.3)初始化各節(jié)點(diǎn)的哈希值cHash從葉子節(jié)點(diǎn)開(kāi)始逐層向上直至根節(jié)點(diǎn)，對(duì)于葉子節(jié)點(diǎn)而言，利用線性同余法生成隨機(jī)數(shù)，將該隨機(jī)數(shù)賦值于對(duì)于非葉子節(jié)點(diǎn)而言，對(duì)其所有的兒子節(jié)點(diǎn)內(nèi)容的哈希值，包括bHash和cHash，進(jìn)行拼接后計(jì)算哈希值，表示為并將結(jié)果賦值于cHash，用表示，，步驟(2.3)按照以下步驟隨機(jī)訪問(wèn)數(shù)據(jù)塊，步驟(2.3.1)判斷所述隨機(jī)訪問(wèn)是否越界，步驟(2.3.1.1)文件F的大小為filesize，當(dāng)用戶訪問(wèn)偏移量為offset，大小為size的數(shù)據(jù)塊，若offset+size＞filesize，則訪問(wèn)越界，用戶只能訪問(wèn)偏移量為offset，大小為(filesize offset)的數(shù)據(jù)塊，如果offset+size≤filesize，則用戶正常訪問(wèn)目標(biāo)數(shù)據(jù)塊，步驟(2.3.1.2)找出包含步驟(2.3.1.1)中的目標(biāo)數(shù)據(jù)塊f在步驟(1.1)中生成的文件塊集合中的文件塊子集合(fstart，fstart+1，...，femd)，其中，fstart為起始文件塊，fend為終止文件塊，通過(guò)計(jì)算可以得到，步驟(2.3.2)進(jìn)行文件塊子集合的哈希值的完整性校驗(yàn)，步驟如下步驟(2.3.2.1)找出步驟(2.3.1.2)中包含所述的目標(biāo)數(shù)據(jù)塊f的文件塊子集合(fstart，fstart+1，...，femd)所對(duì)應(yīng)的64叉堆哈希樹(shù)的各節(jié)點(diǎn)，步驟(2.3.2.2)找出步驟(2.3.2.1)中所述64叉堆哈希樹(shù)各節(jié)點(diǎn)各自父親直至根節(jié)點(diǎn)的路徑，對(duì)該路徑經(jīng)過(guò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，無(wú)論內(nèi)部節(jié)點(diǎn)和根節(jié)點(diǎn)，用SHA1算法計(jì)算所述路徑內(nèi)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有兒子節(jié)點(diǎn)的內(nèi)容拼接后而成的哈希值，看與該節(jié)點(diǎn)中保存的cHash是否相等，若相等，說(shuō)明文件塊子集合的哈希值是完整的，若不相等，則說(shuō)明文件塊子集合的哈希值被非法篡改，步驟(2.3.2.3)對(duì)文件塊進(jìn)行完整性校驗(yàn)，步驟如下用戶重新計(jì)算文件塊子集合的哈希值，用SHA1算法逐個(gè)計(jì)算該文件塊子集合中的每個(gè)文件塊的哈希值，再找出于該文件塊子集合所對(duì)應(yīng)的那些所述64叉堆哈希樹(shù)的節(jié)點(diǎn)，判斷重新計(jì)算得出的哈希值是否與這些節(jié)點(diǎn)中的bHash相等，如果相等，說(shuō)明文件塊子集合的內(nèi)容是完整的，沒(méi)有經(jīng)過(guò)非法篡改，如果不相等，則說(shuō)明文件塊子集合的內(nèi)容不完整；步驟(3)按以下步驟更新文件數(shù)據(jù)塊步驟(3.1)進(jìn)行完整性校驗(yàn)，包括相關(guān)文件塊的哈希值的完整性校驗(yàn)以及該文件塊內(nèi)容的完整性校驗(yàn)判斷(offset+size)和文件大小filesize的關(guān)系，如果offset+size＞filesize，則fend不存在，因此只需要驗(yàn)證文件塊fstart的完整性以及fstart的哈希值的完整性，后者的驗(yàn)證方法如步驟(2.3.2.2)所述，如果offset+size≤filesize，則需要驗(yàn)證起始文件塊fstart和終止文件塊fend的完整性，以及這兩個(gè)文件塊的哈希值的完整性，后者的驗(yàn)證方法如步驟(2.3.2.2)所述，步驟(3.2)重新計(jì)算被更新數(shù)據(jù)塊的哈希值當(dāng)數(shù)據(jù)塊更新完畢，需要利用哈希算法SHA1算法對(duì)更新的部分進(jìn)行重新計(jì)算哈希值，并使用重新計(jì)算得到的哈希值生成加密密鑰，并使用所述AES加密算法對(duì)更新后的文件塊進(jìn)行加密處理，步驟(3.3)把步驟(4.2)重新計(jì)算得到的哈希值賦值于bHash，并逐層向上找到它們的父親直至根的路徑，找到該路徑上的相關(guān)節(jié)點(diǎn)，重新計(jì)算該節(jié)點(diǎn)的所有兒子節(jié)點(diǎn)的內(nèi)容所拼接合并后的哈希值，賦值于該節(jié)點(diǎn)的cHash；步驟(4)一個(gè)文件的所有文件塊的哈希值由多棵64叉堆哈希樹(shù)來(lái)維護(hù)的情況下，當(dāng)發(fā)生并發(fā)訪問(wèn)時(shí)，要按照以下步驟構(gòu)造一個(gè)根哈希虛擬鏈表，以此來(lái)支持并發(fā)訪問(wèn)，步驟如下步驟(4.1)構(gòu)造根哈希虛擬鏈表步驟(4.1.1)將同屬于一個(gè)文件的多棵64叉堆哈希樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)鄰接，構(gòu)成根節(jié)點(diǎn)之間的索引，每個(gè)根節(jié)點(diǎn)除包含了哈希樹(shù)的根哈希值，步驟(4.1.2)根哈希虛擬鏈表為(rh1，rh2，...，rhn)，其中rhi表示第i棵64叉堆哈希樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)所存儲(chǔ)的根哈希值，步驟(4.1.3)當(dāng)存在對(duì)根哈希虛擬鏈表進(jìn)行并發(fā)訪問(wèn)的時(shí)，首先檢查rhi值是否處于順序鄰接的位置，對(duì)于尾節(jié)點(diǎn)rhn，查看其索引是否指向自己，步驟(4.1.4)當(dāng)多個(gè)進(jìn)程不同時(shí)修改屬于同一棵64叉堆哈希樹(shù)的文件塊，就允許這些操作并發(fā)執(zhí)行。FSA00000344944400021.tif,FSA00000344944400022.tif,FSA00000344944400023.tif,FSA00000344944400024.tif,FSA00000344944400025.tif,FSA00000344944400026.tif,FSA00000344944400027.tif,FSA00000344944400028.tif,FSA00000344944400029.tif,FSA000003449444000210.tif,FSA000003449444000211.tif,FSA000003449444000212.tif,FSA000003449444000213.tif,FSA000003449444000214.tif,FSA000003449444000215.tif,FSA000003449444000216.tif,FSA000003449444000217.tif,FSA000003449444000218.tif,FSA000003449444000219.tif,FSA000003449444000220.tif,FSA000003449444000221.tif,FSA000003449444000222.tif,FSA00000344944400031.tif,FSA00000344944400032.tif
全文摘要
基于一種完整性校驗(yàn)的元數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)管理方法屬于存儲(chǔ)安全領(lǐng)域，其特征在于在客戶端，采用了文件數(shù)據(jù)的自加密技術(shù)，對(duì)文件數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，提高了存儲(chǔ)的效率；在安全元數(shù)據(jù)管理服務(wù)器端，采用64叉堆哈希樹(shù)來(lái)維護(hù)文件塊的哈希值，提供了文件數(shù)據(jù)塊哈希值的完整性保護(hù)，并實(shí)現(xiàn)了用戶對(duì)文件的訪問(wèn)驗(yàn)證和數(shù)據(jù)更新的高效性，同時(shí)采用了根哈希虛擬鏈表技術(shù)，保證了同屬于一個(gè)文件的多棵64叉堆哈希樹(shù)的根哈希的完整性，在一定程度上支持用戶對(duì)該文件的并發(fā)訪問(wèn)。
文檔編號(hào)G06F17/30GK101976322SQ20101054326
公開(kāi)日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月11日
發(fā)明者沈志榮, 舒繼武, 薛巍, 薛矛 申請(qǐng)人:清華大學(xué)