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基于组密钥服务器的加密文件系统的设计和实现模板.doc
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1、基于组密钥服务器加密文件系统设计和实现*Supported by the National Natural Science Foundation of China under Grant No. 60473101 (国家自然科学基金项目); the National Grand Fundamental Research 973 Program of China under Grant No. CB318205 (国家“九七三”关键基础研究发展计划基金项目);the Program for New Century Excellent Talents in University under Gra
2、nt No. NCET-05-0067(新世纪优异人才支持计划) 肖达+, 舒继武, 薛巍, 刘志才, 郑纬民(清华大学 计算机科学和技术系,北京 100084)(清华信息科学和技术国家试验室(筹)北京 100084)+联络人:电话:+86-10-6279-5215,E-mail: Design and Implementation of a Group Key Server-Based Cryptographic File SystemXiao Da+, Shu Ji-Wu, Xue Wei, Liu Zhi-Cai, Zheng Wei-Min(Department of Computer
3、 Science and Technology, Tsinghua University, Beijing 100084, China)(Tsinghua National Laboratory for Information Science and Technology(TNList), Beijing 100084) +Corresponding author: Phn: +86-10-6279-5215, E-mail: , Abstract:Network storage techniques facilitate data sharing but also introduce new
4、 vulnerabilities. Cryptographic file systems provide the confidentiality and integrity of file data stored on servers that are not under users direct control by cryptographic methods. The key management schemes for current shared cryptographic file systems cannot satisfy the security, flexibility an
5、d efficiency requirements simultaneously. This paper proposes a cryptographic file system called CKS-CFS. A trusted Group Key Server (GKS) is introduced to manage file encryption keys in a centralized manner and to enable the employment of flexible access control policies. The computation and storag
6、e requirement for GKS is reduced through the use of access control blocks and lockboxes so that the function of GKS can be implemented by hardware to provide strong security. The overhead of revocation is reduced by block granularity encryption and key versioning technique. We have implemented a pro
7、totype of GKS-CFS based on Lustre and evaluated its performance. Compared with other systems, the cryptographic cost in common file operations in GKS-CFS is reduced by an order of magnitude by avoiding the usage of public-key cryptography; Bonnie+ benchmark test shows that the performance of sequent
8、ial read/write and random file operations are reduced on average by 42.0% and 8.4% respectively.Key words:cryptographic file system, confidentiality, integrity, key management, tamper-resistant hardware摘 要:网络存放技术在方便数据共享同时带来了新安全隐患,加密文件系统经过密码学方法确保留放在不受用户直接控制服务器上文件数据机密性和完整性。现有针对共享加密文件系统密钥管理方法不能同时满足安全性、
9、灵活性和高效性需求。本文提出了加密文件系统GKS-CFS。引入可信组密钥服务器(GKS)集中管理文件加密密钥,GKS上能够实施灵活访问控制策略。经过使用访问控制块和锁盒子,降低了对GKS计算和存放需求,使之能够用硬件实现来增强安全性;经过文件数据分块加密和密钥版本技术,降低了权限撤销开销。我们在Lustre上实现了GKS-CFS原型系统并进行了测试。测试结果表明因为避免使用了公钥密码算法,和其它系统相比,GKS-CFS一般文件操作中密码学操作开销降低了一个数量级,次序读写和随机文件操作性能分别平均降低了42.0%和8.4%。关键词:加密文件系统;机密性;完整性;密钥管理;防损硬件1 引言网络存
10、放技术在方便数据共享和降低管理成本同时带来了新安全隐患。在网络存放环境中,数据可能存放在不受用户直接控制服务器上,传统访问控制方法已不足以确保用户数据安全性。加密文件系统(Cryptographic File System)1, 2, 3, 4, 5, 6, 7经过用户端密码学方法确保文件在网络中传输和在服务器上存放过程中机密性和完整性, 提供端到端安全性。加密文件系统能够分为两类:非共享和共享。非共享加密文件系统(如最早加密文件系统CFS1)不许可文件被多用户共享,所以不需要考虑加密密钥管理问题。但这种系统显然不能满足企业环境中多用户协同工作和数据共享需要。在共享加密文件系统中,许可文件被多
11、个用户共享,所以一个关键问题是怎样管理加密密钥,使授权用户能够轻易得到密钥从而访问文件,同时未授权用户极难得到密钥。现有共享加密文件系统中密钥管理方法关键分为两类:一类是将含有相同访问权限文件分组,组内文件共享一个密钥,并由全部者或可信第三方分发给授权用户2,6。这种方法降低了密钥数目,但缺点是当一个用户从组中退出从而不再拥有组内文件访问权限时,需要将组内全部文件用新密钥重新加密,计算开销很大。另一类方法是将文件密钥用每个含有访问权限用户公钥加密3,4,这种方法能够实现单个文件粒度共享,但只能实现以用户列表方法表示访问控制策略,不够灵活。我们认为,一个好密钥管理方案应同时满足三方面需求:一、安
12、全性,密钥存放和分发应由可信赖机制来确保;二、灵活性,能够易于实施多个访问控制策略;三、高效性,由加密带来文件访问和用户权限撤销中额外开销尽可能小。现有系统全部不能同时满足三个需求。本文设计并实现了一个新加密文件系统GKS-CFS(Group Key Server-Cryptographic File System),来实现安全、灵活和高效文件共享。该系统针对政府和企业等含有集中控制机构环境,引入一个可信组密钥服务器(Group Key Server,GKS),集中负责文件密钥生成和分发。经过使用锁盒子和访问控制块降低GKS计算和存放需求,从而有可能以硬件方法确保GKS安全性,进而确保整个系统
13、安全性,同时便于在GKS上实施灵活访问控制。提出一个高效用户权限撤销机制,采取了以文件块为粒度密钥管理策略,并结合密钥版本技术,有效降低了权限撤销开销。我们在Lustre8上实现了GKS-CFS系统原型并进行了测试。因为避免使用了公钥密码算法,和其它系统相比,GKS-CFS一般文件操作中密码学开销降低了一个数量级。Bonnie+测试结果显示,次序读写和随机文件操作性能分别降低了42.0%和8.4%2 安全模型本节介绍GKS-CFS所采取假设和安全模型。系统中有五种角色:全部者(创建文件和设置访问权限)、读者(对文件有读权限)、写者(对文件有读写权限)、文件服务器(存放文件数据)和组密钥服务器(
14、存放密钥)。全部者、读者和写者经过文件系统用户端操作文件。在GKS-CFS中,用户端是不可信,恶意用户和攻击者可能试图经过用户端访问她们无权访问文件,用户存放在用户端上私密信息(如私钥)也有可能被攻击者窃取。文件服务器也是不可信。它能够将数据泄露给非法用户、篡改数据或向用户提供不真实数据。系统中唯一可信是组密钥服务器,它负责管理用于加密文件密钥并向正当用户提供密钥。考虑到在一个实际企业应用环境中,海量数据存放需要有多个文件服务器,这些服务器可能隶属于不一样管理域,确保全部这些服务器安全是困难,相比之下,确保一个组密钥服务器安全是相对轻易,所以我们认为我们安全假设是合理。需要指出是,在GKS-C
15、FS中,全部用户需要对组密钥服务器给予绝对信任,所以不适于无集中控制机构松散耦合组织,如对等网络环境,而适合于含有集中控制机构组织,如政府、企业等。GKS-CFS经过密码学技术确保文件数据机密性和完整性。文件内容(可了解)只会被授权用户取得。当未授权用户或文件服务器试图篡改文件数据时,授权用户能够检测到该行为。CKS-CFS不提供数据可用性确保,不能预防恶意用户或服务器删除数据。如需提供可用性,需要将密码学技术和冗余技术结合,这不在本文讨论范围之内。3 系统设计3.1 基础思想和设计目标在GKS-CFS中,GKS作为全局唯一可信节点,统一负责维护和分发文件密钥。用户访问每个文件前,全部要向GK
16、S发出请求,获取该文件加密密钥和署名密钥(写文件)。GKS首先验证用户身份,并依据预先设置访问控制策略判定用户是否有对文件访问权限,假如有,则将文件密钥返回给用户,如没有,则拒绝该请求。因为全部密钥由GKS统一管理,只要确保GKS安全性,就能确保整个系统安全性;而且GKS上能够依据因为需求实施灵活访问控制策略。GKS-CFS设计目标是:l 对GKS计算和存放需求最小。GKS上只需存放少许本身密钥,而不需要存放每个文件加密密钥和署名密钥,同时用户访问一个文件过程中,GKS只需做少许针对密钥加解密运算,而不需要对大量文件数据加解密,使GKS易于用安全硬件实现,从而确保安全性。l 额外开销尽可能小。
17、额外开销包含密码学操作开销和权限撤销时重新加密数据开销。3.2 锁盒子和访问控制块GKS-CFS中采取对象及它们之间关系图1所表示。本文中所用缩略语及其含义在表1中列出。每个文件被分成若干个数据块(block),每个数据块用一个随机生成对称密钥(数据块密钥,FBK)加密。GKS-CFS采取了文件2引入锁盒子(lockbox)思想,一个文件全部FBK存放在该文件对应锁盒子中,并用该文件锁盒子密钥(LBK)加密,LBK也是对称密钥, 只有对文件有读权限用户才能获取LBK。每个FBK还对应一个版本号,用于权限撤销时密钥更新(见3.5节)。在锁盒子中和FBK一同存放还有每个数据块安全哈希值(crypt
18、ographic hash),用以校验数据块完整性。将一个文件全部数据块哈希值组织成一个Merkle哈希树9,哈希树根(root hash)用文件署名密钥(FSK)加密后保留在访问控制块中。只有对文件有写权限用户才能获取FSK。注意本文FSK和文件3,6中文件署名密钥不一样,前者是一个对称密钥,后者是一个公私钥对中私钥。表1:缩略语及其含义缩略语含义FBKFile Block KeyLBKLockbox KeyFSKFile Sign KeyGEKGKS Encryption KeyGSKGKS Sign KeyACBAccess Control Block 图1:GKS-CFS对象及对象间关
19、系。实线箭头代表对称加密。每个文件对应一个访问控制块(ACB),用以控制授权用户对LBK和FSK获取。ACB中包含文件访问控制属性(access control attributes)、LBK、FSK、文件版本号、完整性标识(auth tag)和加密根哈希,其中LBK和FSK用GKS维护一个加密密钥(GEK)加密,只有GKS才能解密。访问控制属性是由文件全部者创建并由GKS检验文件访问规则,比如一个访问控制列表(ACL),要求了哪些用户和组能够访问文件,和她们权限。文件版本号用于权限撤销时密钥更新(见3.5节)。完整性标识是其它域一个带密钥消息认证码(keyed HMAC),用以预防对访问控制
20、块篡改。生成认证码GKS认证密钥(GSK)由GKS维护,所以只有GKS能依据文件全部者需要对ACB内容进行修改。注意加密根哈希不参与完整性标识计算,因为该值在写文件时会发生改变,能够避免每次写文件全部由GKS重新生成访问控制块。用户访问文件时,在密钥请求中将ACB和自己身份标识发送给GKS,GKS首先用GSK验证ACB完整性,然后依据其中访问控制属性和用户身份标识确定用户对文件访问权限,假如用户有读(写)权限,就将LBK(和FSK)用GEK解密后返回给用户。GKS-CFS采取锁盒子和访问控制块好处是:1)GKS不需要维护每个文件加密密钥,只需要维护两个密钥:GEK和GSK,而FBK作为元数据一
21、部分和文件数据一起存放在文件服务器上,降低了GKS存放需求。2)访问文件时,GKS只需要做数据量很小对称密钥加解密(对LBK、FSK和根哈希),不需要公钥加解密,降低了GKS计算需求。3)用户不需要在用户端主机上维护自己私密信息(如用户私钥),降低了用户端主机被入侵带来危害。需要指出是,一个实际系统可能被划分成多个管理域,每个管理域应有自己GKS。所以在ACB中还应包含域ID,用户访问文件时依据域ID找到对应GKS。为简明起见,这部分在上文描述中已省略。另外,考虑到一旦GKS维护GEK丢失,则域内全部文件全部将不可访问,所以必需预防对GKS可用性攻击,这能够经过将GEK以秘密分存方法存放到多个
22、恢复代理上来实现3.3 文件访问协议需用户访问文件时用户端和GKS通信协议图2所表示。Create file Client GKS : ACB_REQ | ACL | UserID Client GKS : ACBRead file Client GKS : READ_KEY_REQ | ACB | UserID Client GKS : LBK | root hashWrite file Client GKS : WRITE_KEY_REQ | ACB | UserID Client GKS : LBK | root hash | FSK Change file access control
23、 attributes Client GKS : CHANGE_ACL_REQ | ACB | ACL | UserID Client GKS : ACB | LBK图2:文件访问协议创建文件:文件全部者向GKS发送获取ACB请求,其中包含用户标识和文件访问控制属性(ACL)。GKS依据ACL生成ACB返回给全部者。全部者将ACB作为文件元数据一部分存放到文件服务器上。读文件:读者首先从文件服务器获取ACB,然后向GKS发送获取读密钥请求,其中包含用户标识和ACB。GKS依据ACB中访问控制属性检验用户权限,然后将LBK和根哈希解密后返回给读者。读者用LBK解密锁盒子,并用锁盒子中数据块哈希重
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