計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)、云存儲(chǔ)中數(shù)據(jù)完整性的驗(yàn)證；篡改、損壞數(shù)據(jù)的恢復(fù)

背景技術(shù)：

隨著云技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)和個(gè)人愈來(lái)愈傾向于將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云端；由此也帶來(lái)了數(shù)據(jù)的安全問(wèn)題，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云端，脫離了數(shù)據(jù)所有者的控制，或因云服務(wù)商系統(tǒng)不穩(wěn)定、云空間被惡意攻擊，將造成數(shù)據(jù)丟失和損壞。用戶在不知情的情況下，將因?yàn)閿?shù)據(jù)不完整而造成各種損失；那么如何確定云端數(shù)據(jù)是否完整呢？數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)空間內(nèi)被破壞后，數(shù)據(jù)不再完整，如何根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)精確恢復(fù)被修改的部分呢？

當(dāng)前云存儲(chǔ)系統(tǒng)使用副本和糾刪碼兩種方法對(duì)用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行冗余存儲(chǔ)來(lái)保證系統(tǒng)的可靠性，但是修復(fù)時(shí)都需要傳輸整個(gè)文件，占用大量網(wǎng)絡(luò)資源，給分布式系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心增加了巨大的壓力，造成的網(wǎng)絡(luò)擁堵也嚴(yán)重降低了用戶對(duì)數(shù)據(jù)讀取性能。

數(shù)據(jù)在上傳到云存儲(chǔ)中心之前進(jìn)行編碼，可以有效的檢查到數(shù)據(jù)是否被篡改或者丟失，采用從編碼的方式能有效的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的完整性證明。但是用戶在得到數(shù)據(jù)已經(jīng)被篡改后，能否恢復(fù)才是首要關(guān)心的問(wèn)題單獨(dú)采用編碼，不能有效的定位數(shù)據(jù)損壞的地方，更不能實(shí)現(xiàn)恢復(fù)，所以，數(shù)據(jù)編碼后，采用哈希算法，計(jì)算數(shù)據(jù)的塊的哈希值對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行定位，當(dāng)數(shù)據(jù)塊損壞的數(shù)量沒(méi)有達(dá)到額定值的時(shí)候，就可以利用其它數(shù)據(jù)塊進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，本發(fā)明提出了云存儲(chǔ)中一種數(shù)據(jù)篡改的驗(yàn)證和恢復(fù)算法。

為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了以下技術(shù)方案：

提出一種云存儲(chǔ)空間內(nèi)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證和篡改數(shù)據(jù)的恢復(fù)方法，可以對(duì)云端數(shù)據(jù)進(jìn)行持有性驗(yàn)證，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)被篡改，可以要求服務(wù)器定位篡改數(shù)據(jù)并監(jiān)督服務(wù)器完成數(shù)據(jù)恢復(fù)，并支持?jǐn)?shù)據(jù)的修改；本方法主要包括四部分，分別是數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)驗(yàn)證、數(shù)據(jù)恢復(fù)、數(shù)據(jù)修改，首先利用編碼技術(shù)保持?jǐn)?shù)據(jù)篡改在一定比例下能夠進(jìn)行恢復(fù)，然后計(jì)算數(shù)據(jù)的持有性標(biāo)簽，后續(xù)對(duì)持有性標(biāo)簽計(jì)算確定持有性，然后在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)。支持?jǐn)?shù)據(jù)屬主自主修改數(shù)據(jù)。具體實(shí)施步驟如下：

步驟1：數(shù)據(jù)編碼。

步驟2：哈希計(jì)算生成持有性標(biāo)簽。

步驟3：數(shù)據(jù)驗(yàn)證。

步驟4：數(shù)據(jù)恢復(fù)。

步驟5：數(shù)據(jù)修改。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明所示的數(shù)據(jù)恢復(fù)方法，恢復(fù)能力強(qiáng)、準(zhǔn)確度高；

2、計(jì)算開銷小，支持?jǐn)?shù)據(jù)損壞比例較高的數(shù)據(jù)恢復(fù)。

具體實(shí)施方式

本方法主要包括數(shù)據(jù)編碼、哈希計(jì)算生成持有性標(biāo)簽、數(shù)據(jù)完整性驗(yàn)證、數(shù)據(jù)恢復(fù)、數(shù)據(jù)更新幾個(gè)模塊。

步驟1：數(shù)據(jù)編碼

首先，定義一個(gè)k階的可逆的矩陣G，作為編碼矩陣：

矩陣中，任意g不為0，并且任意兩個(gè)g值不相等，且n>k；由此可知在矩陣中k列組成的矩陣是可逆的。所以，矩陣G可以表示為：G＝(G₁，G₂，...，G_n)

將待上傳到云端的數(shù)據(jù)F分為塊，F(xiàn)＝(F₁，F(xiàn)₂，...，F(xiàn)_k)，然后從編碼矩陣G中選取k列對(duì)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，設(shè)碼元為C，則有：

F_iG_i＝C_i

然后將碼元塊與編碼矩陣組成碼塊(Block)，即：Block_i＝(C_i，G_i)，由于G是可逆的，所以在解碼時(shí)有F_i＝C_iG_i^-1，首先從任意數(shù)量的碼塊中選取k個(gè)碼塊，選取碼元子集組成譯碼元Q，然后按照對(duì)應(yīng)的書序即可還原數(shù)據(jù)塊F_i。

步驟2：哈希計(jì)算生成持有性標(biāo)簽

由于編碼不能定位數(shù)據(jù)，所以計(jì)算各個(gè)碼塊的哈希值

采用AES算法，哈希碼塊，生成數(shù)據(jù)的持有性標(biāo)簽；隨機(jī)選擇三個(gè)密鑰K₁，K₂，K₃，設(shè)置挑戰(zhàn)次數(shù)為t，每次挑戰(zhàn)的數(shù)據(jù)塊數(shù)量s，s＝k+ε，ε=-lnδ，δ是譯碼的失敗概率，為每次應(yīng)答計(jì)算驗(yàn)證標(biāo)簽，兵將編碼后的數(shù)據(jù)塊、哈希值、加密驗(yàn)證標(biāo)簽存儲(chǔ)于服務(wù)器，計(jì)算方法如下：

(1)從AES算法中選取f函數(shù)和h函數(shù)計(jì)算第i個(gè)碼塊預(yù)處理密鑰和索引預(yù)處理密鑰：

(2)使用索引預(yù)處理密鑰和偽隨機(jī)函數(shù)計(jì)算數(shù)據(jù)塊的索引I_j：

I_j∈[1，2，...，t]；1≤j≤k

(3)計(jì)算第i次待加密標(biāo)簽tag_i，并使用AES對(duì)齊加密：

tag_i＝Hash(PK_i，Block(I_j)，Hash(Block(I_j)))

將數(shù)據(jù)塊上傳到云服務(wù)器，保存哈希值。

步驟3：數(shù)據(jù)驗(yàn)證

挑戰(zhàn)時(shí)，用戶向服務(wù)器發(fā)送生成的PK_i和CK_i，服務(wù)器利用這兩個(gè)值計(jì)算得帶待加密的標(biāo)簽tag_i，并將存儲(chǔ)的tag_i‘發(fā)送給用戶，用戶利用服務(wù)器返回的標(biāo)簽譯碼，如果解密成功則認(rèn)為驗(yàn)證成功，否則驗(yàn)證失敗。具體算法如下：

(1)用戶計(jì)算并將值發(fā)送個(gè)服務(wù)器

(2)服務(wù)器計(jì)算tag_i＝Hash(PK_i，Block(I_j)，Hash(Block(I_j)))，并將結(jié)果tag_i和存儲(chǔ)的tag_i‘發(fā)送給用戶。

(3)用戶計(jì)算(tag_i‘，AES(i，tag_i)，如果結(jié)果為0，則說(shuō)明解密成功，認(rèn)為數(shù)據(jù)塊沒(méi)有損壞，如果不是，則數(shù)據(jù)塊已經(jīng)被篡改。

步驟4：數(shù)據(jù)恢復(fù)

當(dāng)用戶驗(yàn)證失敗，服務(wù)器將通過(guò)本地驗(yàn)證的數(shù)據(jù)塊的塊號(hào)i對(duì)應(yīng)的Hash值發(fā)送給用戶，用戶再次驗(yàn)證作出應(yīng)答。驗(yàn)證過(guò)程中用戶將從服務(wù)器得到的數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的Hash值進(jìn)行異或并統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證完整的碼塊，若統(tǒng)計(jì)正確的數(shù)量小于k，則認(rèn)為數(shù)據(jù)無(wú)法恢復(fù)，否則將索引號(hào)和編碼矩陣發(fā)送給服務(wù)器；服務(wù)器利用從用戶接收到的索引數(shù)據(jù)塊進(jìn)行譯碼并再次編碼，將計(jì)算編碼后碼元的Hash值發(fā)送給用戶，如果協(xié)助校驗(yàn)正確則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，否則數(shù)據(jù)恢復(fù)失敗。

數(shù)據(jù)修復(fù)過(guò)程中服務(wù)器隨機(jī)產(chǎn)生新的隨機(jī)矩陣G，并編碼C_n+i＝FG_n+i(其中1≤i≤n)，將G_j與C_j組成新數(shù)據(jù)塊Block_j＝(C_j，G_j)(j>n+1)代替被篡改數(shù)據(jù)，并重新計(jì)算數(shù)據(jù)塊的Hash值更新對(duì)應(yīng)碼塊的哈希值(Sf_i)。具體算法設(shè)計(jì)如下：

(1)計(jì)算B_i＝(Hash(Block_i)，Sf_i)，并將B_i存儲(chǔ)到校驗(yàn)集中，從校驗(yàn)集中抽取k+1個(gè)不同的數(shù)據(jù)塊，并將k個(gè)碼塊有序子集組成譯碼元Q和譯碼矩陣P，計(jì)算：D＝QP^-1，驗(yàn)證DG_k+1＝C_k+1，如果相等，計(jì)算

將VS值發(fā)送給用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)塊恢復(fù)，用來(lái)代替受損的數(shù)據(jù)塊。并更新塊Hash值，重新計(jì)算挑戰(zhàn)一應(yīng)答標(biāo)簽并更新服務(wù)器中的驗(yàn)證標(biāo)簽。

步驟5：數(shù)據(jù)修改

數(shù)據(jù)的修改主要包括插入和刪除操作。

數(shù)據(jù)插入算法如下：

用戶插入待更新的數(shù)據(jù)并計(jì)算插入數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和插人數(shù)據(jù)位置，如果插入數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不為k的整數(shù)倍，則填充數(shù)據(jù)0使得數(shù)據(jù)長(zhǎng)為k的整數(shù)倍；然后對(duì)存在數(shù)據(jù)插入的行進(jìn)行編碼：

{C_ij}_l×n＝{d_ij}_l×kG

重新驗(yàn)證標(biāo)簽與恢復(fù)校驗(yàn)碼，并更新Hash值，再將{C_ij}_l×n插入第i行，并更新驗(yàn)證標(biāo)簽與Hash值。

數(shù)據(jù)刪除算法：

刪除第i行數(shù)據(jù)并計(jì)算刪除數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，若刪除數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為k的整數(shù)倍，則從第1個(gè)元素開始，直接刪除該數(shù)據(jù)，如果長(zhǎng)度不為k的整數(shù)倍，則將刪除數(shù)據(jù)用0代替，并計(jì)算：

{C_ij}_l×n＝{d_ij}_1×kG

然后更新Hash值并重新計(jì)算驗(yàn)證標(biāo)簽和恢復(fù)校驗(yàn)碼塊，如果用戶直接刪除第i行數(shù)據(jù)，那么服務(wù)器也將所有碼塊中的第k+i個(gè)元素刪除，否則更新第k+i個(gè)元素值和新的Hash值和驗(yàn)證標(biāo)簽。