基于属性加密的访问控制机制研究.pdf

学位论文版权使用授权书 l!ii笪#l四#罩#；#咀#i 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：褫哼 签字日期：汐l f 年中月f j 日 导师签名： 签字日期：沙髟年虹月f 岁日 中图分类号：t p 3 0 9 2 u d c ：0 0 4 4 6 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 基于属性加密的访问控制机制研究 r e s e a r c ho na c c e s sc o n t r o lm e c h a n i s m sw i t ha t t r i b u t eb a s e d 1 e n c r y p t m n 作者姓名：曾振宇 导师姓名：李勇 学位类别：工学 学科专业：通信与信息系统 学号：1 1 1 2 0 1 8 4 职称：副教授 学位级别：硕士 研究方向：云计算安全 北京交通大学北尿父逋大字 2 0 1 4 年3 月 致谢 在各位老师，同学，家人的帮助和支持下，我最终完成了这篇论文，在此， 真心向每位在我论文写作期间给予我帮助和关心的人道谢。 本论文的工作是在我的导师李勇副教授的悉心指导下完成的，李老师严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响，研究生三年期间，李老师 在学术研究上给予我细心的指导，培养了我良好的科研方法和习惯；在论文写作 期间，李老师对我论文中的不足提出了很多良好的建议，在此衷心感谢李老师对 我的关心和指导。 张振江副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助，在此向张振江老师表示衷心的谢意。 刘云教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，对我论文的完 善起着宝贵作用，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，孙芬芬、杨磊等同学对我论文中的实验仿真 研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够有良好的经济条件在学校 专心完成我的学业。 中文摘要 摘要：云计算中由于云服务提供商( c l o u ds e r v i c ep r o v i d e r ，c s p ) 不再完全可信， 传统的访问控制方案在云环境中已不再适用。基于密文策略的属性加密 ( c i p h e r t e x t p o l i c ya t t r i b u t e b a s e de n c r y p t i o n ，c p a b e ) 目前主要应用在云计算 环境下的密文访问控制方案。但该类方案在属性撤销时，数据拥有者( d a t ao w n e r ， d o ) 需要生成密文重加密信息，并对相关密文重加密；由于密文重加密，具有权 限的用户的旧密钥也不能解密密文，d o 需要生成密钥升级信息并发送给用户进行 升级；这些操作都会导致d o 计算量增加。同时，用户会被其他用户的属性撤销 所影响，这会增加用户的计算负担。在多次属性撤销的时间段内，可能没有或只 有少量次数的文件更新，在文件不更新就不需要重加密的前提下，可以认为这样 做会白白增加属性权威( a t t r i b u t e a u t h o r i t y ，a a l 和c s p 的计算量和通信消耗。 为了减小d o 和用户的计算量，本文提出一种解密外包的方法，将解密密钥 分为两部分，其中一部分存放在用户端，另一部分存储于云服务提供商，属性撤 销时只对存储于云端的密钥进行更新，用户端密钥无需升级，使得属性撤销操作 不会对没被撤销属性的用户产生影响，减小了用户的计算量；由于c s p 进行了部 分解密工作，使得用户的解密计算量与属性个数无关，减少了用户的解密负担； 并且，文件的重加密信息是由a a 生成，发送给c s p 代为执行，这可以减小d o 的计算量。 针对存在不必要的密文或密钥更新的问题，本文提出一种用来判断属性撤销 的协议，通过属性权威和d o 之间的通信，d o 在更新上传数据之前，判断是否有 属性撤销。若有属性撤销，则d o 使用新的密钥对数据加密，并且a a 生成密文重 加密信息和密钥更新信息，发送给c s p ，c s p 收到后为相关密文重加密，并为相 关用户更新存储在c s p 上的密钥：若无属性撤销，则d o 仍然使用之前的密钥为 数据加密再上传，其他单位或个人无需做任何工作。该协议减少了a a 的生成密 文密钥更新信息的次数，减少c s p 对密钥和密文更新的次数，减少了c s p 和属性 权威的计算量和通信量。分析表明该方案和协议可以减小用户、d o 、c s p 和a a 的计算量和通信量，并且可抵抗选择明文攻击。 关键词：云计算；访问控制；外包解密；属性加密 分类号：t p 3 0 9 2 j b 塞交通太堂亟堂僮途塞旦墨至g ! a bs t r a c t a b s t r a c t ：d u et oc l o u ds e r v i c ep r o v i d e r t r a d i t i o n a la c c e s sc o n t r o li sn o ts u i t a b l e i sn o tc r e d i b l ei nc l o u dc o m p u t i n g ， f o rc l o u d c o m p u t i n g e n v i r o n m e n t c i p h e r t e x t - p o l i c ya t t r i b u t e - b a s e de n c r y p t i o ni sm a i n l yu s e di nc r y p t o g r a p h i ca c c e s s c o n t r o lm e c h i n i s m si nc l o u de n v i r o n m e n tn o w b u td a t ao w n e rn e e dt op r o d u c e r e - e n c r y p t i o ni n f o r m a t i o nf o rc i p h e r t e x ta n dr e e n c r y p ti tw h e na t t r i b u t er e v o c a t i o n h a p p e n ；l e g a lu s e r sc a n td e c r y p tc i p h e r t e x tb e c a u s ec i p h e r t e x th a sb e e nr e - e n c r y p t e d ， s od a t ao w n e rn e e dt op r o d u c eu p d a t ek e y sa n ds e n dt h e mt ol e g a lu s e r s ；a l lo ft h e s e w i l li n c r e a s ed a t ao w n e r sc o m p u t a t i o no v e r h e a d m e a n w h i l e ，u s e r sw i l lb ei n f l u e n c e d b yo t h e ru s e r s a t t r i b u t er e v o c a t i o n ，t h i sw i l li n c r e a s eu s e r sc o m p u t a t i o no v e r h e a d i ti s p o s s i b l et h a td o d o e s n to rs e l d o mu p d a t et h ed a t aw h e na t t r i b u t ea u t h o r i t yr e v o k e s a t t r i b u t em a n yt i m e s i tw i l li n c r e a s ec s pa n da t t r i b u t ea u t h o r i t y sc o m p u t a t i o n o v e r h e a di nt h ea s s u m p t i o nt h a tt h e r ei sn on e e dt or e e n c r y p ti ft h e r ei sn of i l e s u p d a t i n g i no r d e rt or e d u c et h ec o m p u t a t i o no v e r h e a df o rd a t ao w n e r sa n du s e r s ，w ep r o p o s e an e wm e t h o dt h a tt h ed e c r y p t i o nk e yi sd i v i d e di n t ot w op a r t s o n ep a r ti si nu s e r s s i d e ， t h eo t h e rp a r ts t o r e si nc s ps i d e o n l yt h ek e ys t o r e di nc s pn e e dt ob eu p d a t e d ，u s e r s d o n tn e e dt ou p d a t et h e i rk e y , a l lu s e r sw i l ln o tb ei n f l u e n c e db ya t t r i b u t er e v o c a t i o n ， t h i sc a nr e d u c eu s e r s c o m p u t a t i o no v e r h e a d ；a n dt h ed e c r y p t i o nc o m p u t a t i o no v e r h e a d o fu s e r sh a sn o t h i n gt od ow i t ha t t r i b u t ea m o u n tb e c a u s ec s pu n d e a a k e sp a r to f d e c r y p t i o no p e r m i o n s ；t h er e e n c r y p t i o no fc i p h e r t e x ti s e x e c u t e db yc s p , t h i sc a n r e d u c ed o sc o m p u t a t i o no v e r h e a d i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mt h a tu n n e c e s s a r yc i p h e r t e x tu p d a t i n go rk e yu p d a t i n g e x i s ti nt h es y s t e m ，w ep r o p o s eap r o t o c o l ，t h a tc a nj u d g ei ft h e r ei sa t t r i b u t er e v o c a t i o n b e f o r e d a t ao w n e rs e n dn e wd a t at oc s pb yc o m m u n i c a t i o nb e t w e e na t t r i b u t e a u t h o r i t y ( a a ) i fa t t r i b u t er e v o c a t i o nh a p p e n s ，d oe n c r y p t st h ed a t ab yn e wk e ya n d p r o d u c ec i p h e r t e x tr e e n c r y p t i o ni n f o r m a t i o na n dk e yu p d a t i n gi n f o r m a t i o na n ds e n d t h e mt oc s ec s pu s e st h e s ei n f o r m a t i o nt ou p d a t et h e s ec i p h e r t e x t sa n dk e y ss t o r e do n c l o u d i fn oa t t r i b u t er e v o c a t i o nh a p p e n s ，d oe n c r y p t st h ed a t ab yp r e v i o u sk e y , o t h e r s h a sn o t h i n gt od o t h ep r o t o c o lc a nr e d u c et h et i m et h a ta ap r o d u c et h eu p d a t i n g i n f o r m a t i o no fc i p h e r t e x ta n dk e y , a n dt h et i m e so fc s pu p d a t et h ec i p h e r t e x ta n dk e y s t o r e do ni tb yc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nd oa n da a t h e r e f o r e ，t h ec o m p u t a t i o na n d c o m m u n i c a t i o no v e r h e a do fa aa n dc s pc a nb er e d u c e d o u ra n a l y s i ss h o w st h a tt h e s c h e m ea n dp r o t o c o lc a nr e d u c et h ec o m p u t a t i o na n dc o m m u n i c a t i o no v e r h e a df o ru s e r s ， d a t ao w n e r s ，c s pa n da t t r i b u t ea u t h o r i t y , a n di ti ss e c u r ea g a i n s tc h o s e np l a i n t e x t a t t a c k s ( c p a ) k e y w o r i ) s ：c l o u d c o m p u t i n g ；a c c e s sc o n t r o l ；o u t s o u r c e dd e c r y p t i o n ； a t t r i b u t e - b a s e de n c r y p t i o n c l a s s n o ：t p 3 0 9 2 目录 中文摘要i i i a b s t r a c t i v 1引言1 1 1研究背景及意义1 1 2国内外研究现状4 1 3论文组织和结构6 2 相关基础知识8 2 1访问控制机制8 2 1 1 自主访问控制9 2 1 2 强制访问控制1 1 2 1 3 基于角色的访问控制1 2 2 1 4 云计算中的访问控制机制1 3 2 2相关数学基础15 2 2 1 群相关知识15 2 2 2 单向陷门函数1 6 2 2 3 双线性映射17 2 2 4 拉格朗日插值定理17 2 3 相关密码学基础l7 2 3 1 密码学相关概念1 7 2 3 2 判定性双线性假设。1 9 2 3 3 访问结构树19 2 3 4 线性密钥共享机制19 2 4 本章小结2 0 3 云计算下的访问控制方案设计2 l 3 1系统模型框架和安全模型定义2 1 3 1 1 系统模型和框架2 1 3 1 2 安全模型定义2 5 3 2 方案设计2 6 3 2 1 方案概述2 6 3 2 2 访问控制方案的具体构造2 7 3 2 3 属性撤销2 8 3 2 4 安全性分析一2 8 3 3 数据拥有者和云服务提供商之间的协议2 9 3 3 1 协议目的3 0 3 3 2 协议设计3 0 3 4本章小结3 2 4访问控制方案分析及实验3 3 4 1性能分析3 3 4 1 1 访问控制方案性能分析3 3 4 1 2 协议性能分析3 6 4 2仿真实验分析3 8 4 3本章小结4 2 5 结论一4 4 5 1主要结论4 4 5 2 未来展望及待解决的问题4 5 参考文献4 6 作者简历4 9 独创性声明5 0 学位论文数据集51 1 引言 1 1 研究背景及意义 云计算是近年来计算机领域的一个热门话题，其将任务运行在大量的分布式 计算机上，而非本地计算机或远程服务器中。云计算拥有几乎无限的计算能力 和存储空间，这使得企业能够将资源切换到需要的应用上，根据需求访问计算 机和存储系统。就像是发电从单台发电机的模式转向了电厂集中供电的模式。 它意味着计算能力也可以作为一种商品进行流通，就像煤气、水电一样，取 用方便，费用低廉i l 】。 云计算不是一种新发明的技术，而是将一些已经存在的技术，比如分布式计 算，并行计算，网络存储，负载均衡，虚拟化等技术发展融合的产物。 云计算所提供的服务可分为三种类型：基础设施即服务( i n f r a s t r u c t u r ei sa s e r v i c e ，i a a s ) ，平台l ol l 务( p l a t f o r m a sas e r v i c e ，p a a s ) ，软件i ii i 务( s o f t w a r e a sas e r v i c e ，s a a s ) 1 2 1 。 i a a s 是基础设施i i i i 务，它向用户按需提供计算，存储，网络通信等硬件设 备，用户可以在上面存储数据，运行代码。 p a a s 是平台i i i i 务，即提供一个平台，将应用设计、应用开发、应用测试和 应用托管等服务提供给客户。客户不需要购买硬件和软件，利用p a a s 平台，用 户只需上传代码和数据，就能够创建、测试和部署应用和服务。 s a a s 是软件即服务，它是一种通过i n t e r n e t 提供软件的模式，服务提供商 将应用部署在自己的服务器上，客户根据自己的实际需要，通过互联网向服 务提供商购买并获得所需的软件服务，并根据服务的多少和时间长短支付费 用。 由于用户不再对数据和环境拥有完全的控制权。云计算将部署模式分为三种： 公有云，私有云和混合云p j 。 公有云是云服务提供商向公共提供的云计算服务，按使用情况收取一定费用， 因为用户数据保存在云上，用户的隐私可能泄漏，数据安全得不到保证。私有云 是企业或组织自己构建的云计算系统，由于用户的数据存储在自己内部管理的设 备上，用户的数据安全可以得到保护，但伸缩性较差。混合云混合了公有云和私 有云，企业可以把敏感数据保存在私有云中，而其它的数据放在公有云内，当私 有云超负荷运行时，可以购买使用公有云服务，部署混合云需要公有云和私有云 具有统一接口标准，以保证服务无缝对接。 云计算是一个具有庞大计算能力和存储能力的实体。通过虚拟化技术将各个 计算资源和存储资源等融合为一个整体，在外界看来就像一个计算，存储资源的 “池子”，人们通过按使用的资源多少来付费，从而可以不必购买相应的服务器等硬 件资源，可以节省很多费用，从而将这些资本投入到其核心业务中去，提高前期 盈利能力，而且由于云计算拥有很大的规模，其平均运行维护成本相对较低，所 以，可以给用户带来很大的经济效益。 由于是按使用资源多少进行收费，云计算具有很好的弹性，可以按照企业的 需要进行快速的扩大或缩小。并且使用便利，用户只要通过互联网，就可以访问 使用大量的资源。 云存储是在云计算概念上延伸和发展出来的一个新的概念，是指通过集群应 用、网格技术或分布式文件系统等功能，将网络中大量各种不同类型的存储设备 通过应用软件集合起来协同工作，共同对外提供数据【4 j 。 目前，云计算发展十分迅速，谷歌，微软，苹果，亚马逊等许多国际大型i t 公司已纷纷建立起自己的云计算服务。亚马逊2 0 0 6 年推出了“亚马逊弹性计算云” ( a m a z o ne l a s t i cc o m p u t ec l o u d ，e c 2 ) ；2 0 0 8 年，微软新推出“云计算”计划名为 w i n d o w sa z u r e ；2 0 0 9 年，谷歌推出了自己的云计算平台a p pe n g i n e 。云计算已经 在数据存储，计算支持等方面得到了广泛的应用。 云计算虽然能为中小企业带来很大的经济效益，但是由于目前一些安全方面 关键技术及标准尚未建立，其尚存在很多安全漏洞，如图1 - 1 所示i s 的云计算安全 和隐私问题成为一些公司关注的重要问题，研究云计算环境下的安全与隐私保护 技术是保证云计算得以广泛利用的关键。 云计算中最重要的一个安全问题是数据和环境脱离了用户的完全控制。由于 数据或代码在云计算提供商上面存储和运行，则该云计算提供商就能够对其上面 的数据或应用进行访问，由于存在内部人员失职，黑客攻击和系统故障等多种风 险，云计算服务厂商不能够充分确保客户的数据正在被合法的使用。比如，云服 务提供商没有将用户的数据资料贩卖给别人，没有分析统计用户的使用习惯以及 用户经常联系的对象，用户的数据被正确的存储在指定的地理位置，不需要的数 据已被彻底删除等。 数据隔离问题，由于云计算中资源是以虚拟，租用的方式提供给客户，多个 用户使用的虚拟资源实际可能来自同一个物理资源，所以能否确保用户的数据和 其他用户的数据有效的隔离开，是保证用户安全的关键。 图1 - 1 云计算安全问题 f i g u r e1 1c l o u dc o m p u t i n gs e c u r i t yi s s u e s 云计算中多层服务模式引发的安全问题，云计算提供商所提供云计算服务可 能使用了别的云计算提供商提供的服务，因此，用户所使用的云服务可能包含了 多个云计算厂商，这提高了安全保护的复杂性。 当前云计算安全不仅要考虑保护用户的数据安全和隐私，还要支持更广义的 安全定义，如支持让用户分析查看个人数据的使用情况以及展开对个人数据违法 操作的调查等。而这些服务可能会需要使用云计算服务商的数据中心甚至其他用 户的私人数据，这会带来很大的安全问题。 另外，还存在数据恢复和长期生存性问题。当云计算厂商发生灾害时，用户 的数据丢失程度会如何，能否快速恢复用户丢失的数据。当云计算厂商倒闭或被 收购时，其客户的数据将会面临什么样的问题，客户该如何安全的拿回自己的数 据。 云计算可能会变成一个全球性的现象，它要求云服务可以在任何时间任何地 点都可用，这可能会导致多个司法管理辖区不同的保护要求和实施机制的问题。 访问控制是一种保护存储在云上数据的有效方法，该方法阻止非法用户对云 上数据的操作，只有合法的用户才能对相应的数据进行访问，该方法可以对用户 存储在云上数据提供安全和隐私保护。 然而传统的访问控制方法在云中已不再适用。因为在云中，云服务提供商 ( c l o u ds e r v i c ep r o v i d e r ，c s p ) 不再可信，其可能单独或勾结某非法用户，来非 法访问用户的数据。为了保护数据的安全，d o 在上传数据之前，需要对数据进行 加密，只有拥有权限的用户，才能得到相应的解密密钥。 然而，这种加密的访问控制方式，会带来很大的管理负担。比如要撤销某个 用户的权限时，会需要d o 对涉及到的密文进行重加密，重加密之后的文件不能 再被之间的密钥解密，所以其他受到影响的用户需要升级密钥才能解密，这使得 每个用户之间不再独立，一个用户被撤销权，会影响到其他的用户。若权限撤销 频繁的话，d o 作为一个个人而非组织，其计算负担会很大，并且需要时时在线。 因此，云环境下基于密文的访问控制是一个具有挑战性的难题。 1 2 国内外研究现状 由于外包服务器是不可信的第三方，数据拥有者的数据不仅要对服务器保密， 其解密密钥也不再和服务器共享，数据拥有者必须先将数据加密，然后再上传给 服务器。因为既要对非授权用户保密，又要对服务提供商保密，这样数据解密工 作就不能在服务器上进行。 为了防止非授权用户访问数据，就必须要采用访问控制策略。该访问控制策 略不仅要支持细粒度的访问控制，而且还要支持权限动态更新和可扩展性。目前 许多访问控制机制都依赖于完全可信的服务器，由于无法相信云服务提供商忠实 地按数据拥有者定义的访问控制策略进行操作，所以在云计算模式下，通常关注 非传统访问控制手段的方法，现在得到最多关注的是基于密码学方法实现的访问 控制策略。比如基于对称密钥密码学的访问控制方案【6 】【7 】；基于密文文件系统的访 问控制方案【8 1 1 9 1 0 】；基于公钥密码学的访问控制方案，包括基于属性加密的访问控 制方案和基于代理重加密的访问控制方案等。 论文【l l 】提出了一个使用单个密钥加密文件的方法，在这种环境下，被授权的 用户能够拥有查看所有文件的能力，但d o 需要参与查询的执行以过滤c s p 提供 的查询结果；论文1 1 2 】提出了一种保护x m l 文件的方法，该方法通过使用选择性加 密的办法解决了d o 需要加入查询执行的问题；但是上面的二种方法在访问策略 升级时，需要对文件重加密并发送给c s p ，并且，若d o 没有对文件进行本地存 储，还需要从c s p 端对文件进行下载和解密。v i m e r c a t i 6 j 提出了一种使用对称密 钥加密的访问控制方法，其为需要上传的文件设置二层加密，通过这种方法来实 现授权策略，第一层加密由d o 来完成，用以实现初始的保护，第二层加密由c s p 来实现以反映策略的调整。w a n g l7 j 也提出了一种对称密钥加密的访问控制方法， 该方法为每个文件块使用不同的密钥进行加密，该方案采用密钥派生的办法，使 得d o 只需要维护很少的的秘密。 在文件远程存储的环境下，终端用户不能对远程文件系统进行控制，然而远 程服务器不保障数据的完整性并只提供脆弱的访问控制，g o h l 8 提出了一种密文文 件系统s i r i u s ，在不对网络服务器或文件系统做任何改变的情况下，该系统可以 保障网络文件系统的安全性；k a l l a h a l l a 【9 j 提出一种名为p l u m s 的密文文件系统，该 系统能够让个人用户对访问其文件的用户进行直接管理，并且该方案区分读的访 问控制和写的访问控制；e r e l l l o l 提出了一种名为c r u s t 的密文文件系统，该系统 完全不使用公钥加密操作，而使用更加有效的对称加密来提高系统的性能。 当前，云计算中的访问控制方法中比较流行的是基于属性的访问控制方法， 属性加密机制极大地丰富了加密策略的灵活性和用户权限的可描述性，从以往的 一对一加解密模式扩展成一对多模式。此外，它还具有以下四个特点【1 3 】：高效性， 加解密代价和密文长度仅与相应属性个数相关，而与系统中用户的数量无关；动 态性，用户能否解密一个密文仅取决于他的属性是否满足密文的策略，而与他是 否在密文生成前加入这个系统无关；灵活性，具体表现为加密策略可支持复杂的 访问结构，如门限、布尔表达式；隐私性，加密者并不需要知道解密者的身份信 息。包括密文策略基于属性的加密( c i p h e r t e x t - p o l i c ya t t r i b u t e b a s e de n c r y p t i o n c p a b e ) 方法【1 4 】【1 5 】，以及密钥策略基于属性的加密( k p a b e ) 16 1 。c p a b e 被认 为是可用于云环境下访问控制的一种方法。该方法为每个具有权限的用户都赋予 一定的属性，根据该属性，来生成每个用户各自的解密密钥。d o 先将数据明文用 对称密钥加密，然后将该密钥用公钥加密方法加密，且在公钥加密的过程中，其 中包含一个访问结构t 。若某用户想要解密密文，其属性必须满足该访问结构t ， 才能解密。d o 通过设定访问结构t ，来实施其访问控制策略。k p a b e 和c p a b e 正好相反，k p a b e 中，每一个文件对应一系列属性，而用户的密钥中包含了一个 访问结构t 。o s t r o v s k y | 1 7 】通过加入标签，实现了用户的直接撤销，但c p a b e 方 案在属性撤销时，仍然需要d o 进行重加密；论文列其在撤销用户权限时，需要 对相关密文重加密，并产生代理重加密密钥；论文i l 圳中，属性权威( a t t r i b u t e a u t h o r i t y ，a a ) 需要定时给各个用户产生升级密钥，各用户需按时升级密钥，这 会带来计算量的增加，并且此方案不能实现实时的属性撤销；论文【2 0 】【2 l j 提出了一 些解密外包的方法，由云服务提供商对密文进行部分解密或重加密操作，但没有 给出属性撤销的方法。 论文【2 2 】【2 3 1 中的属性来自多个权威，每个权威之间相互独立，各自管理相关的 属性，用户可能同时拥有来自几个权威赋予的属性，该方案适用于多个管理组织。 在一些情况下，单个属性权威的访问控制系统不能满足实际应用对不同机构协作 的需求，比如，对于病人电子病历，医院可以授权合法的医生进行查阅，一些相 关研究院也可以为一些研究院授权，以科研的目的对电子病历进行查阅，那么， 在这种情况下，一个权威就可能不再适用；同时，单个属性权威容易受到集中攻 击；属性权威管理系统中所有属性，需要为用户授予或撤销属性，并发送相关密 钥，工作量大，成为系统的性能瓶颈。多权威的访问控制系统可由一个中心权威 ( c e r t i f i c a t ea u t h o r i t y ，c a ) 和多个分管不同属性的属性权威( a t t r i b u t ea u t h o r i t y , a a ) 组成，这些属性权威之间相互独立，彼此不知道对方的存在，一个用户可能同时 拥有来自多个属性权威的属性。在考虑安全性时，需要考虑属性权威被收买，或 不同用户间合谋，利用不同的密钥来合成一个密钥以解密这些用户原本都不能解 密的文件，这是多属性权威属性密码系统的研究难点。c h a s e 等人【2 4 】采用用户全 局唯一标识( g l o b a l l yu n i q u ei d e n t i f i e r ，g u i d ) 的方法，通过多个中心权威来防止单 个权威被收买的问题，防止了用户间的合谋。为避免依赖c a 从而带来的安全脆弱 性，l e w k o 等人【2 5 j 首先考虑了“分中心 的场景，在这样一个场景中，不再存在c a ， 用户可以根据实际情况来选择相信某些a a ，并用这些a a 颁发的属性来进行加 密或使用他们所颁发的密钥。 由l b r a i m i 2 6 】设计了一个半可信第三方仲裁者，通过该方法实现用户属性的直 接撤销。论文【2 1 7 】提出一种加入仲裁者的方法，其不需要更新合法用户的密钥，并 且减少了权威的计算量，但是仲裁者必须时时在线。y u l 2 副在基于代理重加密技术 基础上引入了半可信代理，但其在性能上有重大缺陷且代理必须保持在线。 但是，以上的这些方法在进行属性撤销时，用户和d o 的的计算量会很大， 并且没有被撤销属性的用户也需要升级密钥当其他用户属性被撤销。为解决此问 题，本文将提出一种解密外包的方法，该方法可以减小用户和d o 的计算量，并 且每个用户之间独立，任何一个用户不会被其他用户的属性撤销所影响。 1 3 论文组织和结构 本文的主要工作和内容结构安排如下： 第一章引言部分，主要介绍研究背景，包括云计算和云存储概念的介绍，云 计算的出现所带来的一系列安全问题以及目前提出的一些解决办法。分析了目前 传统访问控制方法在云计算中的问题以及本文研究的目的与意义，总结了国内外 主要研究现状。 第二章介绍本文用到的一些基本概念，包括传统访问控制模型的介绍，云计 算中访问控制方法的介绍，以及一些与本文相关的基本数学知识和基础的密码学 相关的概念。 第三章设计了一个云计算下的高效访问控制方案以及一个协议。该高效访问 控制方案包括该方案的框架，组成部分以及各组成部分的功能；除此之外，还给 出了与该框架配套的一个算法，并详细介绍了该方案的工作流程，并证明该方案 的安全性。本章另外还设计了一个与该方案配套的简单协议，该方案在没有此协 议的情况下，仍然可以正常工作，但加上该协议，可以提高该方案的效率。 第四章主要对上一章提出的方案和协议进行理论上的分析，并进行试验仿真 以验证该理论是否为真。试验仿真中，通过对每项运算所消耗时间的统计，并与 另外一个方案2 3 1 进行对比，分析本方案在计算量和通信量上的优势。 第五章是本文的总结和研究展望。 2 相关基础知识 2 1 访问控制机制 访问控制是一种保护相关对象的安全服务，其限制只有满足一定条件的对象 才能对某资源进行某种操作，限制的对象可以是人，也可以是某程序。访问控制 有三个基本要素：主体、客体和控制策略。主体是可以对其他对象施加动作的主 动实体，如用户、进程等；客体是接受其他对象访问的被动对象，比如文件、共 享内存等；控制策略是一系列限制条件的集合，其规定哪些主体可以对哪些客体 进行什么样的操作。 访问控制是保护文件安全的一种服务，其必须和其他的一些安全服务联合起 来，才能保护文件的安全，如图2 11 2 9 】所示： 安全管理员i = = 二爿 用户 认证访问控制 = ：基准监视器 图2 1 访问控制和其他的安全服务 f i g u r e2 - 1a c c e s sc o n t r o la n do t h e rs e c u r i t ys e r v i c e s 其中，在访问控制之前，必须先要经过身份认证这一关，因为权限是和身份 挂钩的，只有在确认来访者的身份以后，才可以根据其身份来确定其所拥有的权 限。 传统的访问控制模型可以分为3 种：自主访问控制 ( d i s c r e t i o n a r ya c c e s sc o n t r o l ，d a c ) ，强制访问控制( m a n d a t o r ya c c e s sc o n t r o l ， m a c ) 以及基于角色的访问控制( r o l e b a s e da c c e s sc o n t r o l ，r b a c ) ，下面将分别 讲述这三种访问控制模型。 2 1 1自主访问控制 自主访问控制模型中，访问控制策略的实现是通过查看访问控制矩阵，来判 断用户是否对某信息具有访问权限，具有什么样的权限。一个用户其每发出一次 访问请求，系统都会按照访问控制策略对其进行检查，若策略允许该用户访问， 则成功，+ 否则访问被拒绝。 自主访问控制一般以访问控制矩阵为基础，由引用监控器来实现，访问控制 矩阵由三元组( s ，o ，a ) 组成，其中： s 代表所有主体的集合每行对应每个主体。 o 代表所有客体的集合每列对应每个客体。 a 是访问矩阵，矩阵元素a s ，o 】是主体s 在0 上实施的操作，客体以及在其上 实施的操作类型取决应用系统本身的特点。如表2 1 所示，该表就是一个访问控制 矩阵。 表2 1 访问控制矩阵 t a b l e2 1a c c e s sc o n t r o lm a t r i x 文件lz f 学2文件3 小明拥有者写读 小李写拥有者 小赵写拥有者 在上表中，小明等人就是访问控制矩阵中的主体，各个文件就是控制矩阵中 的客体，读、写、拥有者代表对应的主体可以对该客体进行的操作。 在大型系统中，访问控制矩阵将会非常大，并且矩阵内部很多项都会是空的。 因此，访问控制矩阵很少以矩阵的形式来实施，在真实系统中，一般会采用如下 几种方法来实现访问控制矩阵。 1 ) 访问控制列表 访问控制列表( a c c e s sc o n t r o ll i s t s ) 是一种用来实现访问控制矩阵的很流行 的方法，如图2 2 所示，从该图可以看出，其相比访问控制矩阵表2 1 ，其所占的 单元格要少，过滤了空白的单元格。 访问控制列表的优点：通过该访问控制列表，很容易判断当前的某一个主体 授权哪些客体什么样的权限，比如图2 2 中，很容易判断哪些用户对文件1 拥有什 么样的操作权限，只要遍历该文件对应的那一行就行；并且很容易撤销对一个主 体的所有操作权限，只要把该主体那一行全部置空就行。 访问控制列表的缺点：但另一方面，要判断某一个客体的所有访问权限则比 较困难，在图2 2 中，可以看出，要判断小明拥有哪些访问权限并不容易，需要遍 历整个访问控制列表；同样，若是需要撤销某个客体的所有权限，也必须遍历整 个访问控制列表，将该客体的每个单元格置空，才能实现。 i ，。文件l 毒用意l 用户2 | | 拥有者写 ? j 陵囊熬荛：i i ：田由t - - 二羼赛2 7j i 用户3 拥赢眷：|i 写。二o写 ，。蠢j j 一j 、 l 蠹纛鏊! 粼j 蠢i 鼙囊 嚣妻照基娥i 0 、i 二。 一二ii |用白1 l。 巨- i璺蓼：哆j ， 7量_ 文件1 文件2文件3 蠹j 拥有者；写读 p 孙、i i 囊曩 _ 囊 嚣嚣“蝴蝴域。勰 曼i 麓_ | _ ： j ? 慧 2 1 2强制访问控制 图2 - 3 能力列表 f i g u r e2 - 3c a p a b i l i t yl i s t 强制访问控制策略实现访问控制的方法是为系统中每个主体和客体划分等 级，系统中每一个用户和文件都被分到一个安全等级，文件的安全等级反应了该 文件中包含信息的敏感程度，用户的安全等级反应了该用户值得信任的程度。 若一个用户希望访问某文件，则该用户的安全等级必须和被访问的文件的安 全等级相匹配，特别是需要准守以下两个原则： 向下读( r e a dd o w n ) ：一个用户的安全等级必须高于或等于被访问的文件的安 全等级。 向上写( w r i t eu p ) ：一个文件，只有比其安全等级高的用户才能访问。 满足这两个条件的访问控制策略可以阻止信息从高等级流向低等级，信息只 能平级流动或向上流动，若希望保护数据的安全性，可以采取这种向下读，向上 写的方法。 若是希望保护数据的完整性，则需要采取另一种相反的原则： 向下写( w r i t ed o w n ) ：用户所写的信息只能被安全等级低于他的用户多读取。 向上读( r e a du p ) ：用户只能读取安全等级比自己高的信息。 m a c 通过为用户和数据划分安全等级，实现了信息的单向流通，其中最著名 的是b e l l l a p a d u l a 模型和b i b a 模型【3 0 】：b e l l l a p a d u l a 模型具有只允许向下读、向 上写的特点，可以有效地防止机密信息向下级泄露；b i b a 模型则具有向上读、向 下写的特点，可以有效地保护数据的完整性。 1 ) l a t t i c e 模型 在l a t t i c e s 模型中，每个资源和用户都服从于一个安全类别。这些安全类别我 们