云存储数据加密：保障数据安全

2023-11-18 理论教育版权反馈

【摘要】：IaaS层数据的机密性、完整性和可用性三个方面是用户对于存储数据关注的核心安全问题，也是云存储安全技术的研究重点。比如SalesForce采用SSL 3.0和TLS 1.0保证数据的传输安全，SSL和TLS在传输层对数据进行加密，防止数据被截取和窃听。全同态加密机制可使用户的数据在其整个生命周期都处于加密状态，减少了数据泄露的概率。

对于存储在第三方云平台上的数据在存储设备上以及传输过程中都会变得透明化，要保证数据安全，最基本的措施是使用公钥对云中数据进行加密，接收者使用私钥对加密的内容进行解密。

在多数情况下，云用户希望云服务提供商能为用户数据进行加密，以确保他们的数据无论存储在哪里都会受到保护。同时，云服务提供商也有责任保护云用户数据的安全性。

云计算中的数据所处的状态可以划分静态存储状态、传输状态和处理状态。在这三种状态中，数据都面临着泄露的风险。针对这三种状态，云服务提供商可以分别提供相应的解决方案。

1.静态数据存储

静态的数据表示存在于存储服务中没有必要进行处理的数据，通常以文字、图片和影音文件等形式存储在云平台中。该类静态数据不需要参与运算，仅仅利用云的存储功能。用户对此类数据的关注点是数据的完整性和可用性。因而静态数据能够用密码学加密技术进行保护。

静态数据的加密方案可以使用传统的数据加密方式，但不同的云服务提供商会提供不同的解决方案。比如Amazon的简单存储服务（S3）并不加密用户数据，但是用户可以在上传数据之前自行加密数据。S3会在用户存储数据的时候自动生成一个MD5散列，不需要使用外部工具为数据生成MD5校验，这样可以有效地保证数据的完整性。微软的云存储系统则会辨识用户数据的敏感度，然后再根据数据敏感度划分数据，对比较敏感的数据进行加密。

IaaS层数据的机密性、完整性和可用性三个方面是用户对于存储数据关注的核心安全问题，也是云存储安全技术的研究重点。数据的可用性主要是通过冗余备份的方式来保证；数据的完整性主要通过访问管理和数据校验等方式进行保证；数据的私密性主要是通过身份验证、访问管理和静态数据加密来保证。静态数据加密可以使用云服务供应商或者第三方软件工具进行。

在PaaS层加密静态数据一般会较复杂，需要提供商提供的或专门定制的设备。在SaaS层加密静态数据是云用户无法直接实施的，需要向云服务提供商提出加密请求。

对于PaaS和SaaS模式中基于云的应用程序所使用的静态数据，在许多情况下是不加密的，因为加密数据将导致索引和查询方面的问题。

2.数据加密传输

数据传输安全问题是指如何确保数据在传输过程中的机密性和完整性。为保证数据在传输过程中的安全性，通常采用的方法有两种：①通过传输层安全性实现，主要是使用加密网络通信信道，如使用虚拟专用网络在用户和数据中心节点之间提供安全通道，从而确保传输的数据是安全的；②通过数据层安全性实现，即不对通信信道进行加密，而是对所交换的数据进行加密。在分布式系统中，第二种方法效率更高，很容易实现对公共网络上分发的数据进行加密。

在云环境中数据传输安全问题可分为用户与云平台数据传输时的安全问题和云平台内部数据传输的安全问题。

在使用公有云时，无论使用IaaS、PaaS或SaaS，都需要考虑对数据的传输是否已经部署了恰当的加密方式。数据在通过网络传输到云端处理过程中，可以采用能保证数据完整性的传输协议，如安全套接层（SSL）、安全传输层协议（TLS）、点对点隧道协议（PPTP）或虚拟专用网（VPN）等。尽管采用加密数据和使用非安全传输协议的方法也可以达到保密的目的，但无法保证数据的完整性。(www.chuimin.cn)

比如SalesForce采用SSL 3.0和TLS 1.0保证数据的传输安全，SSL和TLS在传输层对数据进行加密，防止数据被截取和窃听。SSL和TLS一般用于用户与云系统之间的安全数据通信，或者是不同云系统之间的数据迁移，而云系统内部的安全数据传输方式目前还没有一个比较理想的解决方案。

3.数据加密处理

在云计算环境中，确保数据机密性的方法之一就是将所有数据在传送到云端前进行加密。然而，该方法面临的一个重要问题就是加密限制了数据的使用。除了存储和检索数据，信息系统需要执行更复杂的操作。对加密后的数据而言，高效执行上述操作目前基本上是不可能的。

可喜的是，密码学家已引入一些新技术来解决与处理加密相关的问题，这使得它可以做到在操作时加密数据。这样的操作将会被云服务提供商作为一种服务提供给用户使用，而不需要用户先对加密数据进行解密，然后再进行计算。

（1）同态加密参考文献[2]首次提出同态加密的概念。采用此方法加密的数据可以直接进行计算。同态加密系统具有部分同态和全同态两种类型。

部分同态是指密码系统只使用加法或乘法对明文进行计算，如RSA算法。部分同态加密系统的主要优点是，它比全同态加密系统更有效。

全同态加密^[3]是指允许密码系统使用加法和乘法对明文进行计算。在不受信任的环境中，全同态加密是完美的技术。全同态加密机制可使用户的数据在其整个生命周期都处于加密状态，减少了数据泄露的概率。

全同态加密是密码学上一大进步，虽然在理论上解决了处理加密数据的难题，但是在实际使用中还有许多问题没有解决，需要进一步研究与发展。比如待解决的问题之一是海量计算需求。参考文献[3]指出，如果在一个简单的明文搜索中应用同态加密技术，将使得运算量增加上万亿倍。

（2）可检索的加密尽管传统的加密技术可以确保存储在云中数据的保密性和完整性，但是具有一定的局限性，如无法搜索存储过程中的加密数据。云用户搜索自己存储在云端的数据有两种基本解决方案。方案一是下载全部数据，然后在客户端将其解密，但该解决方案具有较高的通信复杂性；方案二是在客户端保留可搜索的索引，但随着时间的推移，索引数据可能会变得过于庞大。

如果具备可检索的加密技术，云用户可以使用可搜索的加密进行编码搜索查询，并将其发送给云服务提供商。云服务提供商将执行此加密的搜索查询，并返回与搜索查询匹配的信息，而无须了解被搜索的数据是什么。

可检索的加密技术主要有对称检索加密和非对称加密检索两类。每一种方法都有其特定的应用场景。例如，当用户所检索数据的创建者就是其本人时，可以使用对称加密检索。此时，用户需要发送一个包含某关键字的令牌，服务提供者将返回包含此关键字的加密文档。此外，云服务提供商对数据一无所知，除非他知道该令牌；当用户所检索数据的创建者不是其本人时，可以使用非对称加密检索技术。

云存储数据加密：保障数据安全

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