基于云计算的安全数据存储结构的研究

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摘要：分析了云存储的特点和体系结构，深入剖析了目前云数据安全存在的问题，如数据隐私安全、数据隔离安全、云计算平台的安全隐患、云计算提供商的依赖程度过高、用户数据的云安全管理问题等，提出了云数据安全解决方案，包括数据加密、数据隔离、访问控制、风险评估、统一威胁管理和建立安全云等。

关键词： 云安全； 云计算；云存储； 云安全存储结构； 安全云

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）19-4398-03

随着Internet技术和分布式计算技术的快速发展，云计算（Cloud Computing）已成为业内新兴的研究和应用领域，并得到了迅速的推广和流行。广大企业和终端用户也把数据上传并存储到云上，但如何对生成于云端的大量数据进行安全高效的保存和访问，也成为业界研究的重点[1，2]。

云存储是一种新型的网络公用数据存储架构和服务模式，具有低设备投入、低管理成本、可扩展容量等优点，已成为构建新一代数据中心的核心技术和必然趋势。对于大型云计算服务提供商来讲，云存储可以安全地存储、管理、共享和分析大量的复杂数据，是未来存储系统发展的趋势。

然而，将数据迁移至云中，会致使用户数据的安全性和可用性面临着巨大挑战。其最大的安全问题是数据拥有者不能控制数据被存放在哪里，也对数据的访问优先权没有决定权，资源分配和调度策略的掌握在云服务提供商而不是终端用户手里。云存储适应了商业化信息存储库的需要，要确保云应用的安全，就需要维护在这种不受信任处理过程中的云存储数据安全。

2008年5月，趋势科技在美国正式最早提出“云安全”这一概念[3]，推出了“云安全”技术。瑞星、江民科技、卡巴斯基、趋势、金山、SYMANTEC等也相继推出了云安全解决方案，而且中国厂商在“云安全”的技术应用上走到了世界前列。

从目前各大安全厂商推出的基于云技术的安全产品来看，云安全是云计算技术的重要分支，是基于云计算商业模式应用的安全硬件、软件、用户、机构和安全云平台的总称，是P2P技术、网格技术、云计算技术等分布式计算技术的综合应用和发展。

1 云数据存储结构

1.1 云存储的特点

与传统的存储相比，云存储利用了计算机网络技术，是将存储设备以“云”的形式组织在一起组成的复杂系统，由服务器、网络设备、存储设备、接入网、公用访问接口和应用软件等构成。云存储系统采用虚拟化技术进行存储和数据管理，资源访问按需分配，数据存储和业务访问服务通过应用软件来实现。

1.2 云存储系统的体系结构

云存储系统体系结构包括4层，即存储层、管理层、接口层和访问层，如图1所示[4，5]。

1）存储层是云存储系统的基础，由存储管理系统、存储设备和网络设备组成。存储层采用虚拟化技术对数据进行存储，并对存储硬件设备进行集中管理。

2）管理层是位于存储层之上，大量采用了集群管理技术和分布式存储技术，可以实现内容分发、数据压缩和P2P功能，并能完成数据加密、备份和容灾等任务。

3）接口层在管理层之上访问层之下，给访问层提供统一的协议和编程接口，以进行应用程序的开发，并对用户的网络接入方式、身份认证和访问权限进行管控。

4）访问层是应用程序的入口。所有授权用户都可以通过标准的公用应用接口来登录云存储系统，共享云存储所提供的服务。

2 云数据安全目前存在的问题

云数据安全存在的问题从总体上可分为三方面，一是云存储系统中数据自身的安全保护，如数据的机密性、完整性、可用性的保护等；二是提供云存储的云计算的平台安全，主要涉及到云服务提供商及其所提供的服务的安全，如云计算应用系统安全、云计算应用服务安全等；三是基于云存储的应用安全，如云计算技术在安全领域的具体应用、采用云计算技术来提升安全系统的服务效能的安全解决方案等。

2.1 云数据隐私安全

首先，存储云数据的服务器分布在世界各地，地位位置具有随意性，用户将自己的数据上传到云存储系统之后，但并不清楚自己的数据具体被存储在什么位置。用户本来就应该对自己的数据具有最优访问权，但当终端用户把自己的数据交付给云计算提供商之后，数据的优先访问权变转移到了云计算的服务提供商，而数据所有者的访问权限反而下降。因此如何保护用户对自己数据的最高访问控制权和隐私权就变得非常重要。

2.2 数据隔离安全

云计算和资源共享是通过虚拟化技术实现的，一台物理服务器上可能安装有多台虚拟机，多个用户的数据可能存储于同一台物理服务器上。在这种情况下，如果恶意用户通过不正当手段取得合法虚拟机权限，就有可能威胁到同一台物理服务器上其他虚拟机，从而非法访问其他用户的数据。因此必须对不同的用户数据进行有效隔离。

2.3 云计算平台的安全隐患

云计算平台的安全性是整个云安全的基础和重中之重。云存储系统中大量的用户业务数据、隐私信息或其他有价值信息，易引起黑客的兴趣而受到攻击。如果云存储系统遇到严重攻击，将可能面临崩溃的危险，无法提供高可靠性的服务，会导致用户数据的泄露或不可用，造成的经济损失甚至政治损失将不可估量。因此，云计算平台提供商应加固其平台，尽可阻止各种网络安全威胁，如以窃取服务或数据为目的的恶意攻击者、云计算提供商内部人员的非授权访问、合法云计算用户的滥用资源等行为。

2.4 用户数据的云安全管理问题

由于用户数据存储在云端，但用户无法知道具体的存储位置，因些很难为用户的数据安全风险评估。用户数据的安全主要取决于云计算提供商的服务或者将数据交给云计算提供商，但云计算提供商在对数据进行安全管理时，又不可能对使用云的用户进行全面而有效的监控和管理，诸多不可靠因素都会带来很多的安全管理问题。

2.5 对云计算提供商的依赖程度过高

用户将数据上传到云上之后，数据的安全几乎完全依赖于云计算提供商。如果云计算技术供应商出现破产等现象或者其提供的服务无法保证安全性，甚至导致服务中断或不稳定时，用户将面临数据存储安全等问题。因此在选择服务提供商时，应考虑其存在的风险因素。

3 云数据安全解决方案

从信息保密的角度看，云数据存储安全可以从以下几方面来考虑。

3.1 数据加密技术

由于除软件即服务（SaaS）运营商之外[6]，目前云计算运营商一般不具备隐私数据的保护能力，那么对数据隐私保护的任务就落到了用户身上。为保证云数据的机密性和完整性，无论是企业用户还是个人用户，对自己上传到云上的数据尤其是敏感数据都应进行加密。但是，加密往往会降低数据的利用率，同时还涉及到密钥管理等问题，因些用户在对数据加密时应权衡保密和效率二者的关系。

3.2 数据隔离技术

由于用户对于自己的数据到底存储在云中的什么位置一无所知，自己的数据能和其他用户的数据共存于一个虚假机上。如果能利用数据隔离技术将自己的数据与其他数据隔离开，则可以更加有效地保护数据安全。

3.3 访问权限控制

由于用户将数据传输到云端服务器之后，数据的优先访问权由用户迁移至云计算提供商，用户对自己数据的访问权难以控制。因此应限制云计算服务商的访问权限，将用户的访问权限设为最优先级，由用户决定其数据的访问控制权，这样才能保证自己的数据安全。

3.4 安全云认证

在云架构中，防止用户信息的外泄，保证数据安全，可建立安全云，用于存储有安全需求的用户的数据，最终构建成可信任云。对安全云中数据的访问，可以采用多种认证方式和访问控制方式相结合的方法。

3.5 云安全风险评估

云计算服务提供商首先制定自己的安全服务等级，建立公有云和私有云，也可建立不同级别的安全云。针对不同用户对安全的不同需求，对用户数据进行安全分级，将其数据存储于对应级别的云中，对整个云数据进行风险评估，以此为依据向用户提供相应等级的安全服务。

3.6 统一威胁管理

云安全同计算机网络安全一样，面临着黑客攻击、木马、病毒、内部人员误操作等威胁。为保证云计算的可用性、可靠性及用户信息的安全，有必要建立统一威胁管理，整合数据加密技术、VPN技术、身份认证等技术手段，建立统一威胁管理平台，解决云计算架构安全、虚拟化技术安全、分布式计算安全等问题。

4 结论

云存储是未来网络存储模式的发展趋势，其安全性成为制约云存储发展的最大障碍，是用户最关心的核心问题。为最大限度确保云数据安全，可以采取提高用户的安全意识、加固云服务提供商平台的安全、对云存储数据进行加密和访问控制、建立分级的私有云并进行安全评估等手段。可以相信，在不久的将来，云存储将成为最安全最快捷的数据存储模式。

参考文献：

[1] Feng D. Network storage key technology of research and progress[J]. Mobile Communication，2009，33（11）：35-39.

[2] 施珺，李慧，周立东. 基于云计算的安全数据存储研究[J]. 南京师范大学学报：自然科学版，2012，35（3）：138-142.

[3] CSDN网. 云计算安全最关注[EB/OL]. http：//

[4] 边根庆，高楹，邵必林. 面向分散式存储的云存储安全架构[J]. 西安交通大学学报：自然科学版，2011，45（4）：41-45.

[5] 杨振贤.基于云计算的安全数据存储研究与设计[J].信息安全与技术，2011（10）：13-15.

[6] 陈全，邓倩妮.云计算及其关键技术[J].计算机应用，2009，29（9）：56-57.