201523

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1 ,51(23) Computer Engineering and Applications 计 算 机 工 程 与 应 用 公 有 云 中 针 对 服 务 提 供 商 的 用 户 隐 私 保 护 龙 凤, 文 中 华, 汪 泉, 王 进 宗 LONG Feng, WEN Zhonghua, WANG Quan, WANG Jinzong 湘 潭 大 学 信 息 工 程 学 院, 湖 南 湘 潭 College of Information Engineering, Xiangtan University, Xiangtan, Hunan , China LONG Feng, WEN Zhonghua, WANG Quan, et al. User privacy protection against providers in public cloud computing. Computer Engineering and Applications, 2015, 51(23): Abstract:Protection of user privacy has always been important issues affecting cloud computing promotion. Currently, researches on user privacy protection for cloud service providers are rare and designed for specific areas and there is not a more common scenario. This seriously hampers the users trust in the cloud service provider and cloud computing services. To resolve this problem, this paper begins with an analysis of the characteristics of information disclosure in a cloud environment, and puts forward an idea of making a cloud layer or module mutual isolated and restricted about user privacy protection, based on the features of cloud computing services and module. Based on this, it concludes with a set of full privacy protection for PaaS and SaaS-based layer separation. Let different cloud service providers provide PaaS layer and SaaS layer services separately, and let cloud service providers limit the other disclosure of user privacy according to the corresponding specification when they provide service. Then it makes a detailed security analysis of the programme and utilizes an example to explain the role in user privacy protection. The cloud computing is implemented in the framework of the program in general and can pass for all kinds of SaaS services, with strong theoretical and applied value. Key words:public clouds; cloud computing; cloud security; Software as a Service(SaaS); privacy protection 摘 要 : 用 户 隐 私 保 护 一 直 是 影 响 云 计 算 推 广 的 重 要 问 题 当 前, 针 对 云 服 务 提 供 商 的 用 户 隐 私 保 护 研 究 还 只 局 限 于 少 数 特 定 领 域, 没 有 一 个 较 为 通 用 的 方 案 这 严 重 阻 碍 了 用 户 对 云 服 务 提 供 商 及 云 计 算 服 务 模 式 的 信 任 为 解 决 这 一 问 题, 首 先 分 析 了 云 环 境 中 信 息 泄 露 的 特 点, 并 根 据 云 计 算 服 务 及 模 型 的 特 点, 引 出 了 一 个 让 云 服 务 各 层 或 各 模 块 相 互 分 离 相 互 制 约 的 用 户 隐 私 保 护 思 路 随 后 沿 用 该 思 路, 提 出 了 一 套 基 于 PaaS 层 和 SaaS 层 分 离 的 完 整 隐 私 保 护 方 案, 让 PaaS 层 和 SaaS 层 服 务 有 不 同 的 云 服 务 商 分 别 提 供, 并 让 云 服 务 商 在 提 供 服 务 的 同 时, 根 据 相 应 规 范 限 制 对 方 泄 露 用 户 隐 私 最 后, 对 该 方 案 进 行 了 详 细 的 安 全 性 分 析 论 证, 并 采 用 一 个 实 际 例 子 说 明 了 该 方 案 在 保 护 用 户 隐 私 中 的 作 用 该 方 案 能 在 一 般 的 云 计 算 架 构 中 实 行, 可 通 用 于 各 类 SaaS 服 务 中, 具 有 较 强 的 理 论 和 应 用 价 值 关 键 词 : 公 有 云 ; 云 计 算 ; 云 安 全 ; 软 件 即 服 务 (SaaS); 隐 私 保 护 文 献 标 志 码 :A 中 图 分 类 号 :TP301 doi: /j.issn 引 言 在 云 计 算 中, 隐 私 保 护 一 直 是 人 们 热 切 关 注 的 问 [1-3] 题, 也 是 阻 碍 云 计 算 技 术 应 用 和 推 广 的 重 要 因 素 在 传 统 的 云 计 算 解 决 方 案 中, 云 服 务 提 供 商 包 办 用 户 的 数 [4] 据 处 理 和 数 据 存 储 业 务 由 于 云 计 算 模 式 下 用 户 数 据 存 储 在 云 中, 并 在 云 中 进 行 计 算 处 理, 用 户 的 数 据 必 然 地 会 暴 露 给 应 用 提 供 商 或 平 台 提 供 商 这 使 得 云 服 务 提 供 商 可 以 在 几 乎 不 付 出 代 价 不 承 担 风 险 的 情 况 下 就 [5-7] 能 方 便 地 随 时 地 获 取 用 户 数 据 因 此, 针 对 于 云 计 算 服 务 提 供 商, 用 户 隐 私 保 护 完 全 依 赖 于 服 务 提 供 商 的 基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 (No ,No ,No ) 作 者 简 介 : 龙 凤 (1989 ), 女, 硕 士 研 究 生, 研 究 领 域 为 云 计 算 智 能 规 划 ; 文 中 华 (1966 ), 男, 博 士, 教 授, 研 究 领 域 为 智 能 规 划 图 论 及 算 法 ; 汪 泉 (1989 ), 男, 硕 士 研 究 生, 研 究 领 域 为 智 能 规 划 云 计 算 ; 王 进 宗 (1987 ), 男, 硕 士 研 究 生, 研 究 领 域 为 云 计 算 智 能 规 划 @qq.com 收 稿 日 期 : 修 回 日 期 : 文 章 编 号 : (2015) CNKI 网 络 优 先 出 版 : ,

2 龙 凤, 文 中 华, 汪 泉, 等 : 公 有 云 中 针 对 服 务 提 供 商 的 用 户 隐 私 保 护 2015,51(23) 107 自 律, 这 使 得 许 多 用 户 对 云 不 放 心 当 前 的 云 计 算 安 全 研 究 中, 针 对 服 务 提 供 商 的 用 户 隐 私 保 护 还 很 少, 而 且 都 是 针 对 特 定 领 域, 不 具 有 通 用 性 文 献 [8] 提 出 了 一 种 保 护 用 户 隐 私 的 加 密 认 证 方 案, 能 够 实 现 对 用 户 数 据 的 保 护 但 在 该 方 案 中, 除 了 数 据 传 递 以 外, 云 端 没 有 对 数 据 的 处 理 能 力, 因 而 只 能 应 用 于 产 业 链 协 作 中 数 据 交 换 等 特 定 领 域 [9-10] 利 用 改 进 的 隐 式 分 割 机 制, 能 够 很 好 地 保 护 用 户 数 据 不 被 云 服 务 商 窃 取 或 泄 露 但 其 云 端 同 样 只 能 拥 有 对 数 据 的 存 储 能 力, 而 没 有 对 数 据 的 处 理 能 力, 只 能 适 用 于 云 存 储 等 服 务 对 于 其 他 类 型 的 云 服 务, 则 缺 乏 完 整 的 隐 私 保 护 能 力 通 过 可 计 算 加 密 算 法 可 以 很 好 地 实 现 用 户 数 据 对 [11-12] 云 计 算 提 供 者 的 隐 私, 拥 有 很 高 的 安 全 性 但 是, 可 计 算 加 密 算 法 在 具 体 使 用 中 限 制 很 多, 会 降 低 软 件 的 数 [13-14] 据 处 理 能 力, 并 对 软 件 性 能 产 生 较 大 影 响 另 外, 可 计 算 加 密 算 法 是 在 基 本 计 算 层 面 : 加 减 乘 除 检 索 进 行 处 理, 要 求 相 关 处 理 软 件 作 出 较 大 的 改 变 ; 而 且 使 用 加 密 时 和 不 使 用 加 密 时, 软 件 的 处 理 会 有 较 大 的 不 同 这 些 都 限 制 了 可 计 算 加 密 算 法 的 应 用 领 域 将 应 用 程 序 (SaaS 层 ) 和 操 作 系 统 (PaaS 层 ) 的 运 行 空 间 进 行 隔 离 并 利 用 虚 拟 机 监 控 器 (IaaS 层 ) 进 行 监 控, 可 以 防 止 操 作 系 统 通 过 读 取 和 分 析 运 行 中 的 应 用 程 序 [15] 而 窃 取 用 户 隐 私 但 该 方 法 目 前 主 要 用 于 防 止 入 侵 者 通 过 入 侵 操 作 系 统 窃 取 用 户 隐 私, 以 及 用 于 防 止 分 析 操 作 系 统 中 残 留 的 用 户 数 据 等 来 窃 取 用 户 隐 私, 而 且 虚 拟 机 及 应 用 程 序 必 须 是 可 信 的, 并 不 能 直 接 用 于 防 止 云 服 务 提 供 商 窃 取 用 户 隐 私 本 文 通 过 分 析 云 计 算 各 层 特 点 和 关 系, 借 鉴 已 有 的 隐 私 保 护 方 案, 提 出 了 一 种 基 于 各 层 相 互 分 离 相 互 限 制 的 云 计 算 服 务 模 型 该 模 型 能 够 很 好 地 防 止 云 计 算 服 务 提 供 商 对 用 户 隐 私 的 获 取 及 泄 露 通 过 采 用 分 离 模 型, 让 云 服 务 的 各 组 成 模 块 或 各 层 ( 比 如 平 台 层 和 应 用 层 ) 由 不 同 的 提 供 者 提 供, 并 施 加 适 当 的 规 范, 较 好 地 解 决 了 用 户 数 据 对 云 计 算 服 务 提 供 者 的 隐 私 保 护 问 题 该 模 型 适 应 面 广, 能 应 用 于 各 类 云 服 务 中 ; 实 施 灵 活, 可 以 根 据 用 户 对 数 据 的 安 全 性 要 求 设 置 不 同 的 安 全 方 案 2 公 有 云 计 算 的 在 隐 私 保 护 上 的 特 殊 性 在 传 统 的 计 算 模 式 和 IT 架 构 中, 信 息 由 其 拥 有 者 控 制 在 理 想 情 况 下, 能 够 完 全 防 止 无 关 用 户 获 取 信 息 由 于 计 算 机 网 络 的 开 放 性, 人 们 通 过 网 络 传 递 信 息 时 无 法 防 止 其 他 人 对 信 息 的 获 取, 从 而 带 来 了 不 安 全 性 通 过 密 码 学 的 引 入, 能 够 在 网 络 等 环 境 中 阻 止 其 他 人 对 信 息 的 理 解 即 使 他 人 获 取 了 数 据, 只 要 数 据 是 经 过 加 密 的, 一 般 认 为 信 息 还 是 不 会 被 泄 露 这 使 得, 理 论 上 能 够 在 网 络 环 境 中 保 护 信 息 的 安 全 在 实 际 中, 通 过 成 熟 的 安 全 方 案 完 善 的 管 理 措 施, 能 够 尽 可 能 地 防 止 信 息 被 获 取 理 解 及 传 播, 能 够 较 好 地 保 护 信 息 安 全 在 公 有 云 计 算 环 境 中, 云 服 务 的 提 供 者 比 用 户 拥 有 更 好 的 信 息 管 理 能 力, 能 够 更 好 地 保 护 信 息 安 全 但 问 题 的 关 键 在 于 : 云 计 算 模 式 中, 是 云 的 提 供 者 在 控 制 信 息 为 了 使 云 服 务 得 以 提 供, 在 许 多 情 况 下, 需 要 服 务 的 提 供 者 获 取 并 理 解 用 户 信 息 这 使 得 用 户 很 难 防 止 服 务 提 供 商 对 信 息 的 泄 露, 只 能 指 望 服 务 商 的 信 誉 和 自 律 对 于 重 要 的 信 息, 用 户 还 是 无 法 信 任 云 服 务 提 供 商, 云 服 务 提 供 商 也 无 法 消 除 用 户 的 担 心 云 计 算 中 针 对 服 务 提 供 商 的 用 户 隐 私 保 护, 已 经 有 了 一 些 方 案, 其 中 一 些 能 在 特 定 应 用 中 很 好 地 保 护 用 户 隐 私 但 这 些 方 案 都 是 剥 夺 了 云 端 对 数 据 的 理 解 能 力, 只 限 于 特 定 领 域, 不 具 有 普 遍 性 3 信 息 泄 露 的 条 件 分 析 信 息 泄 露 一 般 指 载 有 信 息 的 载 体 ( 以 下 用 数 据 表 示 ) 被 不 该 获 取 的 人 获 取, 在 许 多 环 境 中 要 防 止 这 一 点 并 不 容 易 通 过 密 码 学 的 引 入, 可 以 把 信 息 泄 露 分 为 数 据 明 文 的 泄 露 和 数 据 密 文 的 泄 露 这 可 以 理 解 为 把 对 信 息 的 获 取 ( 也 包 括 了 理 解 ) 分 割 成 了 对 数 据 的 获 取 ( 不 包 括 理 解 ) 和 理 解 两 部 分 获 得 明 文 则 同 时 获 取 和 理 解 数 据, 即 获 得 了 信 息 获 得 密 文 只 是 获 取 数 据, 获 得 解 密 密 钥 只 是 拥 有 了 对 数 据 的 理 解, 单 独 地 获 得 其 中 一 种 都 不 能 够 获 得 信 息 在 实 际 运 用 中, 第 三 方 获 得 数 据 可 能 较 为 容 易, 但 获 得 密 钥 较 难, 所 以 也 能 保 证 信 息 不 被 泄 露 以 上 是 防 止 信 息 泄 露 面 临 的 一 般 情 况 在 一 些 特 殊 情 况 下, 某 些 实 体 即 使 获 得 了 信 息, 仍 然 不 能 够 泄 露 信 息 比 如 运 行 在 物 理 隔 离 主 机 中 的 信 息 处 理 软 件, 它 是 能 够 获 取 并 理 解 数 据 的, 但 是 由 于 通 信 受 限 制, 并 不 能 够 泄 露 信 息 所 以, 要 泄 露 信 息 还 需 要 有 传 播 信 息 的 能 力, 只 是 平 常 所 关 注 的 对 象 往 往 与 人 相 关, 信 息 的 传 播 能 力 很 难 被 限 制 由 以 上 可 以 看 出, 要 泄 露 信 息 必 须 要 能 够 获 取 理 解 及 传 播 信 息 获 取 指 : 能 够 得 到 数 据, 即 载 有 信 息 的 载 体, 比 如 明 文 经 编 码 的 信 息 密 文 等 理 解 指 : 若 得 到 数 据 就 能 够 知 道 其 中 包 含 的 信 息, 比 如 能 够 解 密 某 密 文 传 播 指 能 够 将 信 息 传 递 给 可 能 有 威 胁 的 地 方, 比 如 将 明 文 传 递 给 不 应 该 知 道 消 息 的 第 三 方, 将 解 密 方 法 传 递 给 拥 有 密 文, 但 不 应 该 知 道 消 息 的 某 一 方 要 泄 露 信 息, 这 三 个 要 素 缺 一 不 可, 只 要 存 在 某 个 时 刻 三 个 要 素 齐 全, 就 有 可 能 泄 露 信 息 若 能 在 任 何 时 刻 任 何 地 方 都 保 证 对 这 三 个 要 素 之 一 的 剥 离, 就 能 保 证 信 息 的 安 全 比 如 对 信 息 的 访 问 控 制 即 是 对 获 取 的 剥 离, 使 无 关 用 户 无 法 接 触 信 息 ; 对 信

3 ,51(23) Computer Engineering and Applications 计 算 机 工 程 与 应 用 息 加 密 即 是 对 理 解 的 剥 离, 使 无 关 用 户 无 法 理 解 信 息 将 主 机 同 互 联 网 隔 离 即 是 对 传 播 的 剥 离, 防 止 一 些 恶 意 程 序 或 软 件 漏 洞 等 使 得 信 息 泄 露 给 无 关 用 户 险 这 些 状 况 的 改 变, 使 得 底 层 平 台 层 获 取 并 理 解 用 户 隐 私 的 代 价 将 远 远 大 于 其 获 取 用 户 隐 私 而 收 获 的 利 益, 从 而 阻 止 底 层 平 台 理 解 用 户 数 据 的 尝 试 4 云 计 算 的 服 务 架 构 特 征 及 基 于 权 限 分 立 的 隐 私 保 护 思 路 云 计 算 作 为 一 种 复 杂 的 IT 解 决 方 案, 其 结 构 可 以 划 分 为 多 个 层 次, 每 个 层 次 又 由 多 个 支 撑 部 件 构 成 在 层 次 上, 云 计 算 架 构 最 典 型 的 可 以 分 为 IaaS PaaS SaaS 三 层, 分 别 提 供 不 同 级 别 的 服 务, 而 且 可 以 由 不 同 的 服 务 商 分 别 提 供 实 际 上, 作 为 一 种 行 业 趋 势, 有 许 多 云 服 务 商 的 SaaS 服 务 就 是 架 构 在 其 他 服 务 商 的 PaaS 服 务 之 上 支 撑 云 计 算 的 各 组 件, 包 括 各 类 服 务 器 网 络 设 备 操 作 系 统 虚 拟 化 软 件 数 据 库 软 件 中 间 件 软 件 开 发 平 台 等, 往 往 也 是 由 不 同 的 厂 商 提 供 如 果 某 个 云 服 务 商 将 其 服 务 架 构 在 其 他 服 务 商 的 平 台 之 上, 那 么 就 只 能 使 用 他 人 已 提 供 的 服 务, 并 且 需 要 按 照 相 应 的 规 范 使 用, 如 此 便 屏 蔽 了 底 层 的 众 多 可 能 性 如 果 是 使 用 他 人 提 供 的 软 件, 同 样 只 能 使 用 软 件 已 提 供 的 功 能, 而 且 常 常 不 知 道, 也 不 需 要 知 道, 甚 至 没 有 精 力 知 道 太 多 的 技 术 细 节 因 为 许 多 支 持 工 具 和 服 务 由 其 他 厂 商 提 供, 云 计 算 服 务 的 提 供 者 在 给 用 户 提 供 服 务 时 并 不 能 完 全 自 由 地 控 制 用 户 数 据 实 际 上, 在 整 个 数 据 处 理 的 许 多 环 节 中, 服 务 的 提 供 者 也 不 能 获 取 或 理 解 用 户 信 息 利 用 云 计 算 的 这 一 特 征, 对 云 服 务 的 各 层 各 模 块 进 行 规 范 和 限 制, 并 要 求 相 应 部 分 由 不 同 的 厂 商 提 供, 便 有 可 能 使 得, 各 个 云 服 务 商 因 为 其 他 服 务 商 的 限 制 而 永 远 不 能 泄 露 用 户 信 息 在 云 计 算 服 务 提 供 的 整 个 过 程 中, 唯 一 需 要 获 得 并 理 解 信 息 的 是 直 接 处 理 用 户 数 据 的 软 件 这 些 软 件 由 软 件 开 发 商 提 供, 而 软 件 并 不 等 于 软 件 的 开 发 商 也 不 等 于 软 件 的 运 行 维 护 人 员 软 件 不 是 人, 软 件 对 数 据 的 传 播 能 力 能 够 较 容 易 被 剥 夺 若 利 用 云 计 算 底 层 平 台 对 软 件 的 运 行 联 网 数 据 存 储 位 置 等 进 行 限 制, 就 可 以 剥 夺 软 件 对 信 息 的 传 播 能 力, 防 止 其 泄 露 用 户 隐 私 若 软 件 在 保 存 数 据 以 及 与 用 户 通 信 时 对 数 据 进 行 加 密, 底 层 平 台 将 不 能 理 解 用 户 的 隐 私 数 据 底 层 平 台 要 想 获 得 用 户 隐 私 信 息 就 必 须 要 分 析 软 件 的 运 行 数 据 软 件 是 其 开 发 商 提 供, 底 层 平 台 并 不 知 道 软 件 的 实 现 细 节, 所 以 底 层 平 台 通 过 分 析 获 取 用 户 隐 私 难 度 很 大 而 且 代 价 很 高 若 软 件 开 发 者 再 对 运 行 数 据 进 行 复 杂 化 处 理, 并 且 对 不 同 的 用 户 采 用 不 同 的 处 理 方 法, 将 会 极 大 提 高 平 台 层 获 取 用 户 隐 私 的 代 价, 并 大 幅 缩 小 付 出 相 同 代 价 条 件 下 能 够 获 取 的 用 户 隐 私 量 另 外, 各 方 的 分 离 也 扩 大 了 服 务 商 泄 露 用 户 隐 私 所 需 要 承 担 的 风 5 PaaS 层 与 SaaS 层 分 离 的 隐 保 护 方 案 下 面 介 绍 一 种 简 单 的, 基 于 PaaS 与 SaaS 分 离 的 隐 私 保 护 方 案 该 方 案 建 立 在 普 通 的 云 计 算 架 构 基 础 之 上 方 案 涉 及 PaaS 提 供 商 (P) SaaS 提 供 商 (Sp) Sp 提 供 的 软 件 (S) 用 户 (U ) 和 需 要 保 护 的 用 户 数 据 (D) PaaS 提 供 商 P 提 供 数 据 存 储 管 理, 软 件 运 行 环 境 等 功 能 ;SaaS 提 供 商 (Sp) 提 供 的 软 件 运 行 于 PaaS 层 的 运 行 环 境 中, 为 用 户 提 供 数 据 处 理 等 功 能 ; 用 户 将 数 据 提 交 给 SaaS 层 的 软 件 (S) 进 行 数 据 处 理 为 了 保 证 用 户 数 据 对 服 务 提 供 商 P 和 Sp 的 隐 私 性, 对 涉 及 到 的 P S 等 进 行 相 应 规 范 5.1 对 P S U 的 规 范 规 范 1 P 中 保 存 的 用 户 数 据, 全 部 是 经 过 加 密 或 者 相 关 隐 私 保 护 方 案 等 处 理 过 的 密 文 规 范 2 P 保 存 并 管 理 用 户 的 相 关 信 息, 并 基 于 用 户 限 制 S 的 通 信 功 能 S 中 为 不 同 用 户 提 供 服 务 的 实 体 ( 比 如 进 程 ) 不 能 相 互 通 信 ;S 的 网 络 通 信 受 到 严 格 限 制, 一 般 地 只 能 与 对 应 的 用 户 端 通 信, 其 他 通 信 也 要 保 证 绝 不 泄 露 信 息 ( 比 如 在 P 控 制 下 进 行 更 新 软 件 更 新 密 钥 等 只 接 收 数 据 不 发 送 数 据 的 操 作 ) 规 范 3 S 在 P 中 保 存 数 据 的 存 储 空 间 由 P 根 据 用 户 分 配, 为 不 同 用 户 分 配 不 同 存 储 空 间, 为 一 个 用 户 服 务 的 软 件 运 行 实 体 不 能 访 问 为 另 一 用 户 服 务 的 软 件 运 行 实 体 所 分 配 的 存 储 空 间, 即 使 是 相 同 软 件 的 不 同 运 行 实 体 也 不 行 规 范 4 S 为 了 处 理 数 据 能 从 P 中 获 取 用 户 数 据, 并 能 利 用 P 无 法 获 知 的 方 法 和 密 钥 等 理 解 数 据 S 不 向 P 中 传 播 信 息,S 利 用 软 件 本 身 的 复 杂 性, 并 采 取 复 杂 化 方 法 防 止 P 在 S 的 运 行 中 分 析 并 理 解 用 户 数 据 规 范 5 U 拥 有 所 有 数 据, 只 与 S 进 行 数 据 交 换, 不 与 P 进 行 数 据 交 互 对 于 隐 私 数 据 进 行 加 密 处 理 5.2 数 据 交 互 过 程 采 用 以 上 规 范 后, 云 服 务 仍 然 能 够 按 照 类 似 于 一 般 的 云 服 务 方 式 提 供, 只 是 在 实 现 细 节 上 需 要 进 行 特 殊 规 定 或 更 改 云 服 务 的 数 据 交 互 过 程 如 图 1 所 示 (1) 用 户 登 录 和 软 件 运 行 ( 图 1 中 实 线 ) 1 用 户 登 录 P P 获 取 用 户 信 息 和 业 务 请 求 ; 2 P 运 行 S 将 于 用 户 的 交 互 交 给 S (2) 用 户 和 软 件 交 互 ( 图 1 中 点 线 ) 1 S 向 P 申 请 通 信 连 接 ; 2 P 根 据 不 同 的 用 户 给 S 指 定 可 通 信 点 ; 3 S 在 P 的 监 控 下 进 行 与 U 进 行 通 信, 通 信 前 均

4 龙 凤, 文 中 华, 汪 泉, 等 : 公 有 云 中 针 对 服 务 提 供 商 的 用 户 隐 私 保 护 2015,51(23) 109 图 1 对 数 据 进 行 加 密 等 处 理 (3) 数 据 保 存 ( 图 1 中 虚 线 ) 1 当 S 需 要 保 存 数 据 时, 向 P 申 请 数 据 ; 2 P 不 同 的 用 户 给 S 分 配 存 储 空 间 ; 3 S 将 加 密 后 的 数 据 存 储 到 P (4) 用 户 退 出,P 结 束 S 的 运 行 实 体, 收 回 分 配 给 S 的 权 限 2 加 密 5.3 数 据 加 密 的 密 钥 交 换 在 用 户 U 与 软 件 S 的 交 互 中, 信 息 通 过 网 络 传 递, 平 台 P 可 以 获 得 用 户 的 数 据 为 防 止 P 得 到 信 息, 用 户 U 和 软 件 S 需 要 对 数 据 进 行 加 密 由 于 S 在 P 中 运 行,S 与 U 的 通 信 也 都 在 平 台 P 的 监 控 之 下, 所 以 对 加 密 数 据 的 密 钥 必 须 做 特 殊 的 处 理 以 防 止 S 泄 露 信 息 给 P 以 下 提 供 了 一 种 密 钥 交 换 方 案 具 体 过 程 如 下 : (1)S 随 机 生 成 公 钥 加 密 用 的 密 钥 对 (2)U 使 用 软 件 时, 软 件 S 将 公 钥 Ko 发 送 给 U (3)U 利 用 Ko 加 密 数 据 并 发 送 给 S 加 密 的 数 据 中 包 含 以 后 的 数 据 交 换 将 所 使 用 的 加 密 方 式 和 密 钥 (4) 软 件 S 在 与 用 户 U 的 交 互 中 以 及 在 保 存 数 据 时, 采 用 用 户 提 供 的 加 密 方 式 和 密 钥 加 密 数 据 6 隐 私 保 护 方 案 模 型 和 安 全 性 分 析 6.1 模 型 2 1 用 户 (U ) 本 方 案 涉 的 其 他 各 实 体 及 符 号 定 义 如 下 软 件 S 的 运 行 实 体 SR 用 户 的 数 据 明 文 D 用 户 数 据 密 文 用 户 U 授 权 的 可 以 与 SR 通 信 的 外 部 访 问 点 访 问 点 A(U ) 正 在 处 理 用 户 数 据 的 SR:SR(D) 平 台 P 中 可 以 运 行 多 个 软 件 的 运 行 实 体, 记 为 :P[SR 1 SR 2 SR n ] P 中 的 数 据 存 储 单 元 PS PS 中 可 以 保 存 多 个 用 户 的 数 据 密 文 记 为 :PS[ 1 2 n ] 要 保 证 服 务 提 供 商 无 法 获 取 用 户 隐 私 就 是 要 保 证 D 不 在 P 和 SP 中 出 现 云 基 础 设 施 云 平 台 (P) 云 应 用 (S) 存 储 管 理 2 通 信 1 3 加 密 用 户 授 权 通 信 点 3 加 密 PaaS 层 与 SaaS 层 分 离 隐 保 护 方 案 中 的 数 据 交 互 过 程 2 1 过 程 : 整 个 云 计 算 方 案 的 数 据 处 理 可 以 归 纳 为 以 下 4 个 (1)U 将 数 据 D 加 密 成 再 发 送 给 P 中 的 S 处 理 : U ¾ ¾ SR P[ SR(D) ] (2)SR 将 加 密 的 数 据 发 回 给 U : SR¾ ¾ U U (D) (3)SR 将 部 分 数 据 保 存 到 PS 中 : SR¾ ¾ PS PS[ ] (4)SR 从 PS 中 读 取 部 分 数 据 : PS ¾ ¾ SR SR(D) P 要 获 取 用 户 数 据 D 只 有 两 个 渠 道 : 从 中 获 取 从 SR(D) 中 获 取 是 加 密 数 据, 而 P 没 有 解 密 密 钥 无 法 获 取 D 所 以 P 只 能 设 法 从 SR(D) 中 获 取 D SP 要 获 取 D 必 须 通 过 以 下 渠 道 :SR¾ ¾ U U (D) 无 论 是 冒 充 合 法 用 户 还 是 让 SR 直 接 发 送 数 据 : 在 U 阶 段, 由 于 U 未 经 过 P 的 认 证, 都 会 被 P 阻 止 6.2 安 全 分 析 显 然 地, 隐 私 保 护 方 案 安 全 ( 即 能 够 保 护 用 户 隐 私 ) 的 充 要 条 件 为 : 规 范 被 遵 守 的 前 提 下 系 统 安 全 ; 而 且 对 P S U 的 规 范 能 够 被 遵 守 全 性 首 先 分 析 规 范 被 遵 守 的 情 况 下 隐 私 保 护 方 案 的 安 根 据 6.1 节 中 的 模 型,4 个 数 据 处 理 过 程 都 没 有 Sp 的 参 与 其 中 过 程 (3) (4) 数 据 都 是 在 P 的 内 部 传 递, Sp 无 法 参 与 进 来, 也 就 不 可 能 从 中 获 取 用 户 的 隐 私 在 一 般 的 服 务 模 型 中 Sp 可 以 利 用 与 过 程 (2) 相 似 的 数 据 传 递 过 程 SR¾ ¾ U U (D) 获 取 用 户 隐 私, 利 用 SR 的 配 合 直 接 向 Sp 冒 充 的 假 U 发 送 明 文 D 或 者 Sp 能 够 解 密 的 密 文 但 在 分 离 隐 私 保 护 方 案 中, 在 过 程 (2) 的 U 阶 段,P 会 对 U 进 行 认 证 Sp 假 冒 的 U 因 为 没 有 用 户 帐 号 等 相 关 信 息 无 法 通 过 认 证, 数 据 发 送 会 被 P 阻 止,Sp 无 法 从 中 获 取 用 户 信 息 D 过 程 (1) 是 用 户 的 加 密 数 据 流 向 P Sp 最 多 只 能 通 过 监 听 获 得 由 于 缺 乏 相 关 解 密 密 钥, 所 以 无 法 得 到 D 由 此 可 以 得 到 结 论 1 结 论 1 规 范 被 遵 守 的 情 况 下, 分 离 方 案 能 够 将 用 户 隐 私 与 软 件 提 供 商 隔 离, 从 而 相 对 于 软 件 提 供 商 (Sp) 保 证 用 户 隐 私 的 安 全 由 6.1 节 的 模 型 分 析 可 知,P 在 S 的 运 行 中 只 有 以 下 几 处 可 能 接 触 到 用 户 隐 私 : (1)P[ SR(D) ] 中 拥 有 包 含 用 户 隐 私 在 内 的 各 种 软 件 运 行 数 据 和 正 在 处 理 的 用 户 数 据 (2) 各 个 数 据 处 理 过 程 中 的 数 据 移 动 处 于 P 的 控 制 之 下, 其 中 包 含 有 用 户 隐 私 (3) 用 户 数 据 保 存 在 P 中, 其 中 包 括 用 户 隐 私

5 ,51(23) Computer Engineering and Applications 计 算 机 工 程 与 应 用 其 中,(2)(3) 中 的 数 据 D 已 经 都 被 SR 加 密 为 P 无 法 从 其 中 提 取 用 户 的 隐 私 数 据 所 以 P 只 可 能 从 P[ SR(D) ] 中 获 取 用 户 隐 私 由 此 可 以 得 到 定 理 1 定 理 1 在 规 范 被 遵 守 的 前 提 下, 保 证 P 不 能 从 P[ SR(D) ] 即 SR(D) 中 获 取 用 户 隐 私, 即 能 保 证 用 户 隐 私 的 安 全 一 个 隐 私 保 护 方 案, 使 得 窃 取 信 息 的 代 价 远 大 于 信 息 本 身 的 价 值 时, 可 以 认 为 该 方 案 是 安 全 的 在 传 统 云 计 算 模 式 下, 用 户 将 数 据 提 交 给 云 端 后, 数 据 的 掌 控 权 就 完 全 交 到 了 云 服 务 商 手 中, 云 服 务 商 几 乎 不 费 代 价 就 可 以 获 取 大 量 用 户 隐 私, 所 以 用 户 完 全 无 法 保 证 自 身 隐 私 对 服 务 提 供 商 的 安 全 在 分 离 方 案 中, 只 有 当 P 中 的 内 部 软 件 出 现 可 以 利 用 的 漏 洞 并 被 Sp 利 用 时,Sp 才 可 能 利 用 S 获 取 用 户 隐 私 只 有 P 能 够 从 运 行 代 码 中 分 析 出 S 的 运 行 细 节, 并 开 发 出 相 应 工 具 来 获 取 足 够 多 的 细 节, 并 且 能 将 这 些 细 节 整 合 成 有 用 信 息 时,P 才 能 从 运 行 环 境 中 获 取 用 户 隐 私 这 本 身 就 是 一 个 复 杂 的 问 题, 而 且 Sp 可 以 采 取 相 关 技 术 使 之 变 得 更 加 复 杂, 另 外,Sp 还 可 以 定 期 更 新 软 件, 让 P 的 分 析 工 作 直 接 失 效 所 以, 在 规 范 被 遵 守 的 情 况 下 P 或 者 Sp 获 取 并 利 用 用 户 隐 私 的 难 度 很 大 代 价 很 高, 而 且 用 户 可 以 根 据 服 务 商 的 技 术 实 力, 用 户 规 模 以 及 自 身 隐 私 的 价 值 对 安 全 性 作 一 个 判 断 由 此, 根 据 定 理 1 可 以 得 到 结 论 2 结 论 2 规 范 被 遵 守 的 情 况 下, 分 离 方 案 能 够 相 对 于 服 务 提 供 商 保 证 用 户 隐 私 的 安 全, 并 且 用 户 可 以 对 此 进 行 判 断 和 评 估 接 下 来 分 析 规 范 被 遵 守 的 可 能 性 由 于 对 各 方 的 规 范 在 技 术 上 都 是 可 行 的, 所 以 对 于 合 格 的 服 务 提 供 商 以 及 为 自 己 负 责 的 用 户 而 言, 遵 守 规 范 并 没 有 技 术 问 题 传 统 的 云 计 算 服 务 模 式 将 用 户 数 据 处 理 的 权 力 都 交 给 了 云 服 务 提 供 商 分 离 模 式 的 云 计 算, 相 当 于 将 用 户 数 据 的 业 务 处 理 权 和 存 储 管 理 等 权 力 分 别 交 给 两 个 服 务 商 通 过 P 和 S 的 分 离, 实 现 了 P 和 S 对 用 户 数 据 处 理 权 力 的 分 离, 使 P 和 S 相 互 制 衡, 促 使 对 方 遵 守 规 范, 从 而 保 证 了 安 全 假 设 ( 规 范 会 被 遵 守 ) 的 成 立 主 要 表 现 为 以 下 几 个 方 面 (1) 在 分 离 模 型 中 P 和 Sp 不 会 愿 意 为 对 方 泄 露 隐 私 负 责, 因 此 会 努 力 防 止 对 方 泄 露 用 户 隐 私, 会 遵 守 限 制 对 方 能 力 的 规 范 (2) 通 过 分 离,P 和 Sp 呈 现 多 对 多 关 系,Sp 的 用 户 被 分 散 到 了 多 个 P 中, 减 少 了 可 获 得 的 用 户 隐 私 总 价 值 (3) 因 为 技 术 原 因, 现 实 中 P 往 往 是 行 业 巨 头, 而 Sp 可 能 只 是 一 般 的 小 公 司, 若 P 和 Sp 有 预 谋 地 合 作 泄 露 用 户 隐 私 由 于 P 和 Sp 市 场 地 位 的 不 平 等, 对 于 P 来 说, 败 露 的 可 能 性 会 很 大, 败 露 的 后 果 却 很 严 重 (4) 分 离 之 后,P 和 Sp 的 合 作 会 更 容 易 被 用 户 及 行 业 监 督 (5) 分 离 后 用 户 可 以 根 据 前 面 几 点 判 断 各 服 务 商 组 合 的 安 全 性, 自 由 选 择 对 自 己 而 言 更 安 全 服 务 商 组 合 由 以 上 分 析 可 知, 采 用 分 离 方 案 能 够 促 使 各 方 遵 守 规 范, 并 防 止 各 方 合 作 泄 露 用 户 隐 私 而 且 用 户 可 以 根 据 以 上 几 个 方 面, 判 断 服 务 提 供 商 遵 守 规 范 的 程 度 由 此 可 以 得 到 结 论 3 结 论 3 分 离 方 案 的 规 范 能 够 被 遵 守, 并 且 用 户 同 样 可 以 对 此 进 行 判 断 和 评 估 由 结 论 1 和 结 论 2 和 结 论 3 可 得, 基 于 分 离 的 隐 私 保 护 方 案, 可 以 保 证 用 户 隐 私 对 服 务 提 供 商 的 安 全, 而 且 用 户 可 以 根 据 自 身 情 况 选 择 安 全 的 服 务 商 组 合 来 保 证 隐 私 不 被 服 务 商 窃 取 7 案 例 分 析 下 面 举 例 说 明 本 方 案 在 保 护 用 户 隐 私 中 的 作 用 假 设 有 一 小 公 司 U 需 要 使 用 一 套 管 理 系 统 ; 有 两 个 公 司 S 1 和 S 2 都 提 供 了 相 关 的 SaaS 服 务 其 中 S 1 为 同 城 的 小 公 司, 其 SaaS 服 务 部 署 在 包 括 P 在 内 的 各 大 著 名 PaaS 平 台 上 ;S 2 的 SaaS 服 务 为 自 己 独 立 部 署 如 果 U 采 用 S 2 的 服 务, 包 括 U 在 内 的 S 2 的 所 有 用 户 {U 1 U 2 U n } 的 隐 私 的 总 价 值 为 C 若 S 2 是 小 公 司, 其 用 户 数 n = K( K 为 某 一 常 数 ), C 可 能 不 够 大 C = c 但 由 于 S 2 本 身 规 模 小, 对 S 2 来 说, C 仍 然 可 观 S 2 是 否 会 通 过 出 卖 用 户 隐 私 获 取 利 益 仍 然 是 值 得 怀 疑 的 若 S 2 是 一 个 较 大 的 公 司, 且 拥 有 较 好 的 信 誉 但 S 2 用 户 数 n 较 大,n = 10K( 即 大 公 司 用 户 数 是 小 公 司 用 户 数 的 10 倍 ), 所 有 用 户 的 隐 私 都 掌 握 在 S 2 手 中,S 2 能 获 取 的 用 户 隐 私 价 值 C 随 着 用 户 数 量 的 增 加 成 线 性 甚 至 更 快 的 速 度 增 长 C 10c 而 S 2 获 取 用 户 隐 私 的 代 价 却 不 会 明 显 增 长, 所 以 即 使 U 的 隐 私 价 值 对 S 2 来 说 几 乎 可 以 忽 略, 所 有 用 户 隐 私 总 价 值 C 对 S 2 而 言 仍 是 巨 大 的 诱 惑 用 户 隐 私 价 值 可 观, 服 务 商 S 2 获 取 用 户 隐 私 的 技 术 代 价 却 几 乎 可 以 忽 略, 而 且 隐 私 的 获 取 泄 露 是 独 自 操 作, 缺 乏 监 督, 风 险 小 所 以 无 论 S 2 的 公 司 规 模 及 信 誉 如 何,U 都 没 法 相 信 S 2 不 泄 露 自 身 数 据 若 PaaS 服 务 商 P 声 称 自 己 对 部 署 在 其 平 台 上 的 软 件 S 进 行 了 规 范 和 限 制, 符 合 前 文 的 规 范 由 于 P 是 著 名 的 PaaS 厂 商,P 的 行 为 受 到 了 行 业 的 监 督, 而 且 其 对 S 的 监 督 是 否 如 声 称 的 一 样, 较 容 易 被 众 多 在 其 平 台 上 开 发 部 署 软 件 的 SaaS 服 务 商 验 证, 所 以 对 U 来 说 P 的 这 种 声 称 是 可 信 的 在 P 对 S 进 行 了 限 制 的 情 况 下,S 1 想 暗 中 独 立 获

6 龙 凤, 文 中 华, 汪 泉, 等 : 公 有 云 中 针 对 服 务 提 供 商 的 用 户 隐 私 保 护 2015,51(23) 111 取 用 户 隐 私 基 本 上 就 不 可 能 了 作 为 小 公 司,S 1 的 用 户 量 n 往 往 不 大, 假 设 n = K 而 且 分 散 在 各 大 PaaS 平 台 中, 假 设 平 分 到 5 个 PaaS 平 台, 那 么 对 P 来 说, 用 户 隐 私 的 总 价 值 C 将 会 更 少, 小 于 等 于 c/5 另 外 S 1 是 直 接 面 向 用 户 的, 在 无 法 获 取 用 户 隐 私 的 情 况 下, 为 获 得 用 户 更 好 的 认 同, 必 然 会 设 法 阻 止 P 获 取 用 户 隐 私, 使 P 获 取 用 户 隐 私 的 代 价 远 大 于 其 收 益 P 跟 S 1 合 作, 将 能 够 较 容 易 获 取 U 的 隐 私, 但 S 1 是 很 小 的 公 司, 其 合 作 行 为 被 曝 光 的 风 险 很 大, 而 被 曝 光 的 代 价 对 P 来 说 是 惨 重 的,P 跟 S 1 合 作 将 会 得 不 偿 失 所 以, 若 U 采 用 S 1 部 署 在 P 的 PaaS 平 台 上 的 服 务, 完 全 可 以 相 信 S 1 和 P 不 会 泄 露 其 隐 私 8 结 束 语 本 文 分 析 了 云 计 算 中 针 对 服 务 商 的 用 户 隐 私 保 护 现 状 和 困 难 性, 以 及 隐 私 泄 露 相 关 要 素 在 此 基 础 上 引 出 了 针 对 服 务 提 供 商 的 隐 私 保 护 思 路, 并 提 出 一 套 具 体 的 隐 私 保 护 方 案 通 过 分 析 证 明, 该 方 案 能 极 大 提 高 服 务 商 获 取 用 户 信 息 的 难 度, 能 够 在 一 般 的 云 计 算 模 型 上 运 用, 并 且 可 以 根 据 实 际 需 要 灵 活 配 置, 具 有 较 强 的 应 用 价 值 关 于 针 对 服 务 提 供 商 的 用 户 隐 私 保 护, 还 有 许 多 问 题 可 以 作 进 一 步 的 研 究, 比 如 : (1) 基 于 其 他 层 次 或 组 件 分 离 的 隐 私 保 护 方 案 (2) 对 S 进 一 步 分 离 的 更 安 全 隐 私 保 护 方 案 (3) 分 离 模 式 隐 私 保 护 方 案 针 对 特 定 问 题 的 优 化 参 考 文 献 : [1] Subashini S,Kavitha V.A survey on security issues in service delivery models of cloud computing[j].journal of Network and Computer Applications,2011,34(1): [2] Armbrust M,Fox A,Griffith R,et al.above the clouds:berkeley view of cloud computing,no.ucb/ EECS [R].Berkeley,USA:University of California at Berkeley,2009. [3] Zissis D,Lekkas D.Addressing cloud computing security issues[j].future Generation Computer Systems,2012,3 (3): [4] Kaufman L.Data security in the world of cloud computing[j].ieee Security and Privacy,2009,7(4): [5] Sun Dawei,Chang Guiran,Sun Lina,et al.surveying and analyzing security,privacy and trust issues in cloud computing environments[j].procedia Engineering,2011, 15: [6] Jansen W A.Cloud hooks:security and privacy issues in cloud computing[c]//proceedings of the 44th Hawaii International Conference on System Sciences(HISCC-11), 2011:1-10. [7] Agrawal D,El Abbadi A,Wang S.Secure and privacypreserving data services in the cloud:a data centric view[j].proceedings of the VLDB Endowment,2012,8 (5): [8] 陈 静, 孙 林 夫. 基 于 SaaS 的 产 业 链 协 作 公 共 服 务 平 台 数 据 安 全 解 决 方 案 [J]. 计 算 机 集 成 与 制 造,2011,17(6): [9] Parakh A,Kak S.Online data storage using implicit security[j].information Sciences,2009,179(19): [10] 毛 剑, 李 坤, 徐 先 栋. 云 计 算 环 境 下 隐 私 保 护 方 案 [J]. 清 华 大 学 学 报 : 自 然 科 学 版,2011,51(10): [11] 黄 汝 维, 桂 小 林, 余 思, 等. 云 环 境 中 支 持 隐 私 保 护 的 可 计 算 加 密 方 法 [J]. 计 算 机 学 报,2011,34(12): [12] Liu Q,Wang G J,Wu J.An efficient privacy preserving keyword search scheme in cloud computing[c]// Proceedings of the 12th IEEE International Conference on Computational Science and Engineering (CSE 09), Vancouver,Canada,2009: [13] Smart N P,Vercauteren F.Fully homomorphic encryption with relatively small key and cipher text sizes[c]//proceedings of the 13th International Conference on Practice and Theory in Public Key Cryptography (PKC 2010),Paris,France,2010: [14] Dijk M V,Gentry C,Halevi S,et al.fully homomorphic encryption over the integers[c]//proceedings of the 29th Annual International Conference on the Theory and Applications of Cryptographic Techniques Advances in Cryptology(EUROCRYPT 2010),Riviera,2010: [15] 张 逢 喆, 陈 进, 陈 海 波, 等. 云 计 算 中 的 数 据 隐 私 性 保 护 与 自 我 销 毁 [J]. 计 算 机 研 究 与 发 展,2011(7):

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