圖1云存儲系統(tǒng)結構
(1)存儲層是云存儲最基礎的部分，它由各種各樣的存儲設備和網絡設備組成。同時，還有一個存儲管理系統(tǒng)，負責對硬件設備的集中管理、狀態(tài)監(jiān)控以及維護升級等。
(2)基礎管理層是云存儲最為核心的部分，也是最復雜的部分?；A管理層大量采用了集群管理技術和分布式存儲系統(tǒng)的成熟方法，在實現(xiàn)良好的可擴展性的同時，也滿足了可用性及性能的需求，它還負責數(shù)據(jù)加密、備份及容災等任務。
(3)應用接口層是利用云存儲資源進行應用開發(fā)的關鍵部分。云存儲供應商通過應用接口層對客戶提供統(tǒng)一的協(xié)議和編程接口，以進行應用程序的開發(fā)。通常這種協(xié)議都是基于網絡的跨平臺協(xié)議。
(4)訪問層是基于云存儲開發(fā)的應用程序的入口。任何一個授權用戶都可以通過標準的公用應用接口來登錄云存儲系統(tǒng)，共享云存儲所提供的服務。
1.2云存儲系統(tǒng)安全分析
靈活性、易于使用的服務和易于共享基礎設施是云計算的優(yōu)勢，然而數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網在各層之間進行傳輸并存儲，用戶對于敏感數(shù)據(jù)存取時，無法對風險進行直接控制。可以說，云存儲自身的特點決定了它在現(xiàn)有的技術方面存在一些安全問題，具體表現(xiàn)如下。
(1)傳統(tǒng)的安全域劃分無效。由于云存儲中服務必須是可伸縮的，對外部來講并不是透明的，因此云存儲中無法清晰地定義安全邊界及保護設備，為具體保護措施的實施增加了一定的難度。
(2)云存儲是通過網絡來傳輸數(shù)據(jù)的，其中包括網絡中的惡意攻擊等造成的服務中斷、數(shù)據(jù)破壞、信息被竊取和篡改等，對實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全存儲造成一定的影響，數(shù)據(jù)的安全通信、訪問認證與保密性也是有待解決的問題。
(3)數(shù)據(jù)存儲的安全性防護包括最終存儲數(shù)據(jù)的存放位置、數(shù)據(jù)完整性、數(shù)據(jù)間分散存放等。此外，即使數(shù)據(jù)采用加密技術，也只是在網絡上加密傳輸，數(shù)據(jù)在處理和存儲時也需要保護。
(4)數(shù)據(jù)的可靠性、可用性。數(shù)據(jù)在存儲系統(tǒng)的容錯性、可恢復性和完整性面臨一些問題，如何避免在災難(停電、地震、水災、火災等)發(fā)生時帶來的服務中斷乃至數(shù)據(jù)介質被直接破壞等問題。
(5)如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的邏輯卷管理、存儲虛擬化管理和多鏈路冗余管理將會是一個巨大的難題，也將是整個云存儲架構的性能瓶頸，而且還會帶來后期容量和性能擴展難等一系列問題。
由此可見，數(shù)據(jù)的安全性問題貫穿于整個云架構的各個層次，單獨討論云存儲在某一層中的安全性是毫無意義的?？傮w而言，對該方面的研究存在兩種思路：
①借鑒信息安全的C.I.A特性(機密性、完整性、可用性)，為某一特定應用提出專門的實現(xiàn)思路(如增強文件服務器的安全性、客戶端加密文件系統(tǒng)、 對磁盤磁帶全盤靜態(tài)加密、客戶端直接訪問磁盤的認證機制等)，即將適用于信息安全的措施(如加密技術、完整性技術)移植到存儲系統(tǒng)中;
②從存儲系統(tǒng)的體系結構入手，尋找安全高效的網絡存儲與安全管理模式。為此，本文設計了一種面向分散式分片存儲管理來解決云存儲和應用過程中的數(shù)據(jù)安全性問題。
二 、云存儲安全架構設計
根據(jù)云存儲中數(shù)據(jù)的安全性分析，從數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯Γ夹枰⑾鄳谋Ｗo措施進行層與層之間的防范。按照云存儲的層次結構，通過不同的保護策略逐層 對需要存儲的數(shù)據(jù)進行保護，從而實現(xiàn)從數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯ξ恢玫娜娣雷o。該安全架構采用信息擴散法、分散式存儲管理、數(shù)據(jù)自舉恢復等技術，分層實現(xiàn)存儲數(shù)據(jù) 在云存儲中完成應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全存儲管理和傳輸，其系統(tǒng)總體安全框架結構如圖2所示。
圖2面向分散式存儲的云存儲安全架構
2.1訪問層到應用接口層的設計
通過訪問控制與身份認證，采用加密技術SSL對用戶存儲數(shù)據(jù)進行保護，使數(shù)據(jù)在網絡傳輸中得到較為安全的保障。用戶與云存儲服務器相互認證，對雙方安全證書和身份進行鑒別，成功后用戶代理通過安全API和云通信連接進行數(shù)據(jù)存儲服務。
2.2基礎管理層設計
通過信息擴散法，數(shù)據(jù)分片后在網絡傳輸和數(shù)據(jù)存儲時具有相對的保密性和安全性。在云存儲的基礎管理層中利用IDA思想，通過分片器把存儲信息分片， 使數(shù)據(jù)變成無法被其他非認證系統(tǒng)所識別的數(shù)據(jù)片段。對于每一個單獨的數(shù)據(jù)片段來說，這些數(shù)據(jù)片段是不具有任何意義的，如果數(shù)據(jù)在網絡傳輸過程中被他人截 獲，被植入的木馬病毒掃描獲取或在存儲設備上被意外竊取，由于截取方只是獲得信息的部分數(shù)據(jù)片段，截取的信息并不具有任何實際含義，這樣就能夠保證數(shù)據(jù)分 片后不會產生保密信息泄露或擴散。此外，當這些分片后的數(shù)據(jù)放入地理位置不同的存儲器中，即便被其他用戶誤操作提取時，也能保證需要保護的信息不會被分析 出來。數(shù)據(jù)的分散式存儲機制也使存儲系統(tǒng)具備一定的容錯、容災能力，提高了信息的可用性。
分片器根據(jù)IDA算法將數(shù)據(jù)分片后，云存儲服務器將每個分片數(shù)據(jù)用一個固定不變的64位句柄對其進行標識，這些句柄也是唯一的，讀取數(shù)據(jù)時根據(jù)存儲 服務器中虛擬視圖中句柄和字節(jié)范圍來進行，在主服務器中建立一個數(shù)據(jù)列表，用來存儲系統(tǒng)中的元數(shù)據(jù)，其中包括用戶存儲的文件名、對應的句柄號和文件大小等 信息。
數(shù)據(jù)的存儲無論在內容上還是在存儲設備中都是分散的，當用戶需要對云存儲中的數(shù)據(jù)進行訪問或者操作時，分散存儲管理器(DSM)需要把分散的數(shù)據(jù)整 合起來，提供給用戶一個虛擬的視圖，這些分散數(shù)據(jù)對于用戶來說是透明的。用戶可以根據(jù)提供的視圖，對存儲的數(shù)據(jù)進行管理。此外，DSM還支持對元數(shù)據(jù)的管 理，便于用戶對數(shù)據(jù)進行創(chuàng)建、檢索和刪除等操作。
2.3存儲層設計
在存儲層設計中，為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲的安全策略，云存儲中需要滿足用戶存儲海量數(shù)據(jù)的需求，存儲系統(tǒng)規(guī)模及存儲容量都在不斷增長，與存儲相關的出錯率 將越來越高。為了確保云存儲安全系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲的高可用性和可靠性，系統(tǒng)存儲層中的設備都必須異地存放，并且互為冗余，這樣能夠提高設備容錯能力和存儲利 用率。系統(tǒng)使用Reed-Solomon碼提供任意高錯誤恢復技術，保證系統(tǒng)在發(fā)現(xiàn)問題后能夠被迅速檢測到。如果設備上的數(shù)據(jù)損壞、丟失，存儲系統(tǒng)中自動 化檢測過程會發(fā)現(xiàn)這個問題，通過檢查可用片重新計算數(shù)據(jù)片中所有的數(shù)據(jù)，根據(jù)其他存儲設備中完好的數(shù)據(jù)恢復被破壞的數(shù)據(jù)。通過這樣的數(shù)據(jù)自舉恢復，提高了 云存儲系統(tǒng)的平均無故障時間。
2.4面向分散式存儲的云存儲數(shù)據(jù)存取過程
面向分散式存儲的云存儲用戶進行數(shù)據(jù)存取的過程如圖3所示，當用戶(個人或企業(yè))存取數(shù)據(jù)時，在客戶端通過系統(tǒng)安全認證后將信息進行SSL加密，傳 送到 Internet中，通過云存儲服務器管理，用分片器將數(shù)據(jù)分片，然后再把數(shù)據(jù)片傳給分散在各地物理位置不同的存儲介質中去;當用戶讀取數(shù)據(jù)或者查詢數(shù)據(jù) 時，在云存儲服務器通過身份驗證后，用戶通過分散存儲管理器提供的虛擬視圖，完成數(shù)據(jù)的檢索或者刪除等操作，此后分散存儲管理器再通過設備上的記錄表，對 存儲層中的存儲設備進行相應的操作，最后將操作結果返回給用戶。
圖3用戶DSM存取過程
DSM主要負責將數(shù)據(jù)轉發(fā)給分片器，記錄路徑并為用戶建立虛擬視圖，具體工作過程如下：
(1)接收用戶數(shù)據(jù)的DSM請求;
(2)轉發(fā)給分片器并記錄數(shù)據(jù)存取路徑，等待分片器返還數(shù)據(jù)狀態(tài)信息;
(3)創(chuàng)建用戶虛擬視圖表。
分片器根據(jù)IDA算法進行數(shù)據(jù)分片，分片規(guī)則為每個數(shù)據(jù)片中包含的信息內容不會被泄露，其具體工作過程如下：
(1)從分散存儲管理器中提取數(shù)據(jù);
(2)根據(jù)IDA算法進行數(shù)據(jù)分片;
(3)將分片后的信息傳輸?shù)礁鞯氐拇鎯υO備中;
(4)將存儲完成后的狀態(tài)信息(成功或者錯誤)、存儲設備號、存儲位置等返回給分散存儲管理器。
存儲器主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)最終存取，并帶有定期檢測數(shù)據(jù)、自動發(fā)現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)錯誤功能，并根據(jù)其他互為冗余的存儲設備數(shù)據(jù)修復受損數(shù)據(jù)，以提高信息的可用性，其工作過程如下：
(1)存儲數(shù)據(jù)后同時在其他存儲設備中寫入校驗碼;
(2)向分片器返回數(shù)據(jù)存儲信息;
(3)定期自動檢查數(shù)據(jù)的完整性。
三、系統(tǒng)分析與驗證
用戶保存數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)首先在訪問層實現(xiàn)用戶身份認證、授權、防止非法訪問和越權訪問，并將保存數(shù)據(jù)進行加密，當數(shù)據(jù)在訪問層和應用接口層被攔截時，攔截者不會得到有效的數(shù)據(jù)信息。
數(shù)據(jù)在基礎管理層被分片后，每個信息中單獨的片段也是無效的，在數(shù)據(jù)從基礎管理層到存儲層傳輸?shù)倪^程中，假設此時數(shù)據(jù)被攔截(木馬病毒掃描獲取)，截獲者得到的只是數(shù)據(jù)片段，無法對數(shù)據(jù)的有效性加以分析。
在數(shù)據(jù)最終存放的存儲層中，分片的數(shù)據(jù)也因為其單獨被獲取后，獲取者由于沒有完整的分片數(shù)據(jù)信息，并且即使得到所有數(shù)據(jù)分片，也因其沒有數(shù)據(jù)合成的方法，最終不能得到完整的數(shù)據(jù)。此外，當數(shù)據(jù)被破壞時，存儲層中互為冗余的數(shù)據(jù)也可將其恢復，保證了數(shù)據(jù)的安全性和可用性。
可以看出，本系統(tǒng)根據(jù)云存儲的層次結構，通過相應的保護策略逐層對數(shù)據(jù)進行保護，從數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯Γ冀⒘讼鄳谋Ｗo措施進行云存儲層以及層與層 之間的防范，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的全面防護，防止了需要保密的數(shù)據(jù)泄漏后造成不必要的損失。該方法在Windows環(huán)境下通過系統(tǒng)仿真加以了認證。
總結
由于云計算的復雜性以及用戶的動態(tài)性，云存儲主要存在數(shù)據(jù)間分開存放、數(shù)據(jù)恢復、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)完整性保護等問題。本文提出的云存儲安全架構對于數(shù) 據(jù)保密性要求高、基于內容存儲的用戶，在安全性、可靠性和可用性方面具有較大的優(yōu)勢，具備一定的容災、數(shù)據(jù)恢復及容錯能力。然而，這些需要通過空間和時間 上的代價來滿足安全性需求。
因此，根據(jù)本文提出的安全架構特點，通過增強動態(tài)分析明確最佳的性能所在，優(yōu)化數(shù)據(jù)存取路徑，提高數(shù)據(jù)整體讀取性能，以實現(xiàn)更具有存儲空間效率的存儲策略，增強云存儲服務效率等，將是我們下一步要研究的重點問題。
