云存储的数据安全与加密技术

苏尼尔·库马尔、贾扬特·谢卡尔和贾廷德·保罗·辛格

1 引言

如今，我们正处在一个技术对日常生活和商业活动起着至关重要的时代。新技术总是为我们带来更大的便利与轻松。云计算是一种在互联网上进行的基于网络计算的富有成效且不断发展的技术。如今，它已成为一个广为人知的流行术语。云计算是一种模式，可帮助软件开发者部署自己的应用程序，客户端可以使用软件、硬件或平台作为服务。云计算为我们提供了可靠、安全、容错且可扩展的计算服务。这些服务是全球学术或IT行业用户选择云计算的主要吸引力所在。通过互联网，世界各地的任何人都可以按使用付费模式获取云计算服务，即根据实际消耗的服务量进行付费。关于云计算，在互联网上可以找到大量定义，但最被广泛接受的是由国家标准与技术研究院（NIST）实验室提出的定义。云计算可被定义为一种技术，能够实现对一组可配置的计算网络资源或服务的无处不在的访问，这些资源或服务可以轻松地被供应和释放，仅需最少的管理努力或与服务提供商的交互 [1]。云计算以虚拟化技术为动力，该技术在过去仅用于大型机系统，其中主机计算机需要运行一个称为管理程序的应用程序，以创建虚拟机，从而非常真实地模拟计算机硬件，使其能够运行从操作系统到用户特定应用程序在内的任何程序 [2]。云计算存储特性吸引了用户和企业，使其能够在第三方数据中心利用多种能力来存储和处理数据。

当云用户将数据迁移至云端时，能够获得极大的便利，且无需操心硬件和软件管理的复杂性。云数据库被分为关系型/SQL和非关系型/NoSQL两类。云数据服务产品的先驱包括IBM DB2、Microsoft Azure SQL数据库、Amazon Simple以及弹性计算云（EC2），这些服务提供了海量存储空间以及自定义计算资源的便利。云计算模型消除了对本地机器的依赖性以实现数据保护。云用户在数据的保密性、完整性与可用性（CIA）服务方面完全依赖于其服务提供商。从云安全的角度来看，云安全一直是优质服务的关键特征，而云用户无疑面临着各种安全威胁。首先，由于在通过互联网使用云服务时用户对数据失去控制，传统的数据安全保护加密技术无法直接应用。因此，必须在不了解全部数据精确信息的情况下，对云上的数据存储进行适当的认证。存储在云上的数据通常由所有者进行更新，包括插入、修改、删除或重新排序。因此，如何在数据动态更新的前提下确保存储安全是一项巨大的挑战。这一特性使得传统的完整性保障技术失效，亟需更优的解决方案。由于云计算的应用由多个连续采用分布式架构的数据中心驱动，因此有必要为云存储开发一种高效的安全技术。

2 云存储系统

使用云存储系统，用户可以轻松地将个人或官方数据（图像、文本、视频或音频）存储在分布式的云服务器上，并可通过互联网随时随地访问这些数据。服务提供商必须保证云数据的可用性、安全性和完整性。由于组织或个人用户的数据会被复制到多个不同站点，以最大限度地减少来自黑客的数据安全威胁，因此高效且优化的云数据安全技术在云计算中起着至关重要的作用。研究人员已开发出多种安全技术，以提供强大且安全的云存储，并确保保护云用户的重要数据。由于用户经常通过移动设备、笔记本电脑等不同设备从不同位置频繁访问或更新其数据，因此在各个方面都必须保障云数据的安全。因此，云存储不仅是一个第三方仓库，还存在诸多问题，例如防止未经授权的数据访问、篡改以及数据损坏，这些问题可能源于服务器安全的不足。研究人员提出了许多解决方案，以使云存储变得可信，让用户能够放心使用云存储服务并存储其数据。

3 相关工作

在[3]中，作者提出了一种有效的方法，利用哈希索引层次结构和同态可验证响应来说明存储数据的完整性。他们借助可证明数据持有概念，支持在云环境中实现良好的服务和数据迁移。

在[4]中，作者提出了一种架构，采用结合了Diffie‐Hellman密钥交换和针对控制器及服务器实例各部分认证步骤的密钥交换方法。他们建议使用RSA算法进行数据加密，可在不安全介质上提供强安全性。在他们的方法中，将用户数据分割后进行加密，再发送到服务器实例进行计算。

在[5]中，作者强调了各种云数据安全问题，并给出了使用椭圆曲线 P‐192在C语言中实现数字签名安全技术的方法。

在[6]，IBM发现了一种加密技术以提升云数据安全。他们还提供了垃圾邮件过滤功能。

在[7]中，他们提出了一种使用剩余数系统（RNS）的同态加密系统，称为HORNS。在该系统中，他们将密钥分割为多个源以执行独立计算，从而提高效率和安全性。

在[8]中，作者提出了一种基于包含字母值的二叉树图的认证和加密技术。他们给出了一种算法，该算法根据字母在二叉树中的位置将其转换为二进制值，然后添加一些冗余位，并将转换后的值发送给接收方。

这种方法存在许多局限性。首先，它仅支持字母，不支持数字或特殊字符。其次，在添加冗余位后并未对数据进行压缩，因为数据会变得冗长。因此，在本文中，我们通过提出一种改进的算法技术，消除了所有限制。

4 提出的方法论

我们提出了一种机制，该机制使用二叉树，其中每个节点包含一个字母、数字和特殊字符，每条链接具有二进制值0或1。

图1描述了一棵包含数字、特殊字符和字母值的二叉树。根据它们在二叉树中的位置，a的值为0，a的右子树节点是c，其值为01，而a的左子节点是b，其值为00。同样，e的位置为001，树中的其他元素以对的形式显示在表1中。

4.1 安全数据计算

输入需要存储在云服务器上的文本：

示例1 ：对于abcd输入数据（图2）。

示例2 ：假设我们的输入文本是a@bc。
首先，我们根据图1分配二进制值。
a@ b c → 0 00001 00 01
其次，混合奇偶位置字符。
a b @ c → 0 00 00001 01
然后，为了安全，在每个比特后添加一些比特，如1111（四个1）。
01111 001111 00001111 011111
在最后一步中，应用压缩技术并将其发送到云服务器进行存储。

发送端加密算法

步骤I 构造一棵具有字母数字值的树，如图1所示。
步骤II 输入某些值。
步骤III 根据输入数据的奇偶位置排列输入。
步骤IV 其中，奇数位置输入将首先配对，然后偶数位置输入将被配对。
步骤V 为给定输入分配二进制值（0或1）。
步骤VI 在每个输入的值之后添加一些冗余位。
步骤VII 压缩输入数据并发送到云服务器进行存储。

7 结论

我们开发了一种数据安全与加密技术，以保障云用户的安全。我们提出的机制独特且简单，但由于数字增加了访问数据时的安全性，黑客难以破解。未来，我们将提供该技术的云实现，使云用户的数据更加安全，云环境更加可信。