1、SCI-TECH INNOVATION&PRODUCTIVITYNo.1 Jan.2023，Total No.348基于 SDBS算法的大数据云多级安全框架设计基金项目 2021 年河南工业贸易职业学院校级教学团队项目（CXTD-2021004）；2021 年河南工业贸易职业学院校级科研团队项目（01）收稿日期：20220630；修回日期：20220712作者简介：王华（1982），男，河南新乡人，硕士，讲师，主要从事计算机网络、大数据、云计算研究，E-mail：。王华摘要：为了对云环境中的数据进行有效的保护，本文提出了大数据云多级安全框架设计，安全框架设计方法涉及验证、授权、加密、解密 4
2、个重要过程。对数据的加密采用 SDBS 算法，从实验结果中得出这种算法具有安全性高、效率高等优点。关键词：大数据；云计算；SDBS；安全中图分类号：TP393.08；TP311.13文献标志码：ADOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2023.01.110（河南工业贸易职业学院，河南新郑451191）文章编号：1674-9146（2023）0111004云计算是一种基于互联网远程服务器来实现数据的存储、管理和处理的技术。云存储的优点是易存储、易管理、可扩展、高可靠性和低成本。基于以上优势，可以将数据转移到云端上，使用云服务提供商（Cloud Service Provider
3、，CSP）提供的存储服务。但是，大数据云也面临诸多安全威胁，如数据泄露、数据丢失、账户安全、拒绝服务、漏洞、共享技术等，正在影响着数据安全，因此，必须要保护数据免受未经授权访问和拒绝服务。要实现数据的安全，就需要使用到加密技术。加密就是将原始数据转换成无法直接读取的形式，解密就是将编码后的数据转换成原始形式。通过对数据的加密，只有被授权的用户才可以解码原始数据。因此，数据的安全性问题是通过加密实现的。1大数据云多级安全框架设计过程描述本文主要目标是通过数据加密技术实现对云环境的敏感数据进行保护，提出一种在云环境中的多级体系框架，通过认证、授权、加密、解密等多种安全服务，实现 4 级数据保护。多
4、级别体系结构见图 1。*图 1大数据云的多级别安全体系CSP上传数据文件生成 PoW数据提供者注册登录身份验证未通过 CSP 身份验证请求应答验证CSP 上传授权NOYES请求应答验证未通过 CSP 身份验证NOYES使用 ABE/AES/ABE+AES/SDBS算法进行加密注册登录身份验证应答验证CSP 下载授权YES验证YES数据用户请求未通过 CSP 身份验证NO请求未通过 CSP 身份验证NO应答使用 ABE/AES/ABE+AES/SDBS算法进行解密下载数据文件OPT技术 创 新Technological Innovation-110-2023 年 1 月总第 348 期云环境中安
5、全体系结构分为 4 个级别。数据提供者和数据用户需在系统中注册，填写详细信息，登录系统时需由 CSP 进行认证，这是第一级安全。CSP 通过使用数据提供者的证书对数据提供者进行授权，并向授权的数据提供者提供加密密钥，这是第二级安全。只有经过授权的用户才能对数据进行加密和上传，数据文件授权后，通过 ABE/AES/ABE+AES/SDBS 4 种方案中的任何一种对数据进行加密，并上传到云端，这是第三级安全1。只有经过授权的用户才可以访问存储的加密数据。作为第四级安全，授权用户在下载数据时向 CSP 请求解密密钥和动态口令（One-Time Password，OTP）。OTP 是由 CSP 生成的
6、随机数，生成随机数后向数据用户的电子邮件 ID 和手机号码进行发送。OTP验证后，就可以实现数据文件的下载，并通过算法对收到的密钥进行解密，这样用户就可以看到数据文件了。在多级安全架构中，涉及的主要实体有：数据提供者、数据用户、CSP 和云服务器，具体定义如下。1）数据提供者可以将数据存储到大数据云服务器中。2）数据用户可以检索存储在云服务器上的数据。3）大数据云服务器是一个存储加密数据的数据仓库，云服务器的容量与数据量的大小有关。4）CSP 负责验证数据提供者和数据用户的登录信息和个人凭据，并负责生成 OTP 和加密密钥。1.1数据上传阶段1）注册阶段。数据提供者需要提供用户名、密码、电子邮
7、箱、手机号码、出生日期、地址等信息，进行注册。2）登录阶段。数据提供者使用用户名和密码登录系统。3）认证阶段。数据提供者使用用户名和密码登录系统时，CSP 对信息进行验证，认证通过即可访问系统。4）授权阶段。经过认证的数据提供者发送上传数据文件的请求，CSP 使用数据提供者的证书进行授权，并发送加密密钥。5）加 密 阶 段。数 据 文 件 使 用 ABE/AES/ABE+AES/SDBS 算法进行加密，并由 CSP 发送加密信息。6）上传阶段。所有权证明（Proof of Owner-ship，PoW）用于查找资源拥有者的证明，并由数据提供者将加密后的数据文件一起上传到大数据云服务器。1.2数
8、据下载阶段1）注册阶段。数据用户需要提供用户名、密码、电子邮箱、手机号码、出生日期、地址等信息，进行注册。2）登录阶段。数据用户使用用户名和密码登录到系统。3）认证阶段。通过 CSP 验证数据用户的用户名和密码，并通过认证进入系统。4）授权阶段。经过 CSP 认证的数据用户可以请求下载数据文件。CSP 通过使用其证书授权数据用户，并发送解密密钥。CSP 还可以通过发送 OTP 到数据用户的邮箱或手机号码进行授权，数据用户在授权后可以从大数据云下载数据文件。5）下载阶段。在验证之后，数据用户可以下载加密的数据文件。6）解密阶段。数据用户获取 CSP 发送的解密密钥后，使用 ABE/AES/SDB
9、S 算法对下载的数据文件进行解密，解密后的数据文件被保存到数据用户的系统中。2安全框架设计方法2.1注册数据提供者和数据用户的注册信息存储在大数据云服务器上。2.2验证身份验证是第一级安全。数据提供者和数据用户通过 CSP 进行身份验证。如果数据提供者想要上传数据文件，他必须使用用户名和密码登录到系统中，登录时 CSP 将数据提供者的用户名和密码与数据库进行核对和验证，并接受或者拒绝该请求。这是数据提供者的 CSP 身份验证或非身份验证。以同样的方式，如果数据用户想从大数据云服务器上下载数据文件，也需要用自己的用户名和密码登录。CSP 对数据用户登录信息进行验证，信息验证正确就可以接受请求，否
10、则就拒绝请求。这是数据用户的 CSP 身份验证或非身份验证2。2.3授权经过身份验证的数据提供者发送请求可以获取密钥对数据文件进行加密。CSP 将通过验证数据提供者的证书存储在数据库中，用于对数据提供者进行授权。只有经过授权的数据提供者才能上传数据文件。为了下载数据文件，经过认证的数据用户向CSP 发送请求，以获得下载数据文件所需的 OTP 和解密密钥。CSP 会核实数据用户的凭证，并只向获得授权的数据用户发送 OTP 和密匙，以便下载数据文件，并发送密钥对数据文件进行解密。授权是第二级安全。技 术 创新Technological Innovation-111-SCI-TECH INNOVAT
11、ION&PRODUCTIVITYNo.1 Jan.2023，Total No.3482.4加密数据文件使用 SDBS（Secure Dynamic Bit Stan-dard）算法进行加密，并由授权的数据提供者上传到云服务器，只有合法的数据用户才能通过 OTP 下载和解密文件。SDBS一共有3个级别，即128 b，256 b和512b。当数据提供者想要上传一个数据文件到云服务器时，会随机选择任何一个级别，并将它转换为字节。基于这个字节值，CSP 将使用随机生成器生成主密钥和会话密钥，主密钥由会话密钥加密，加密后的主密钥和会话密钥都将被发送给数据提供者。会话密钥将被用来解密主密钥，而主密钥则用于
12、加密数据文件。加密后的数据文件将与 CSP 生成的PoW 一起上传到大数据云服务器中。128 位 SDBS算法的加密过程见图 2。在 SDBS 加密过程中，有4 种主要运算操作：字节替换、行移位、列混合、轮密钥加。采用密钥调度算法（Key Schedule Algorithm，KSA）生成各轮的子密钥，算法见图 3。SDBS 算法的优点：一是安全性高。利用混合加密技术，对称密钥密码用于数据加密，非对称密钥密码用于密钥生成3。二是效率高。由于它同时使用了对称密钥和非对称密钥加密技术，因此非常安全，效率很高。三是数据完整性好。由于加密后的数据文件只能被经过认证的用户解密，因此不可能修改或删除数据文
13、件。四是性能好。数据文件加密、解密速度快，上传和下载的性能也是最好的。2.5使用随机密码生成器生成动态口令数据用户想下载数据时，第一步输入数据用户名和密码进行数据用户认证。数据用户登录到系统后，CSP 就会使用证书对数据用户进行授权。数据用户获得授权后，就可以通过 CSP 发送的电子邮件和手机信息获取动态口令。OTP 是 CSP 使用随机密码生成器生成的 16 个或 24 个或 32 个字母、数字或特殊字符的组合，在 OTP 验证之后，数据用户就可以下载数据文件，数据文件同时被密钥解密。2.6所有权证明需要通过 PoW 来识别上传到大数据云服务器的资源所有者身份。其中包括：数据提供者 ID、用
14、户名、上传文件的日期和时间等信息，这些信息显示了数据文件的来源，数据用户在下载文件后就可以知道以上信息。3实验结果大数据云中的数据安全与数据用户的认证相互关联。添加适合的安全策略，如限制数据文件的用户访问数量、权限等。数据的完整性也是信息安全系统中的一个重要部分，一般来说，这项服务可以保护数据不会被未经授权的修改或删除。SDBS 算法的性能可以通过两种参数来分析，即加密时间和解密时间。加密时间是指完成与文件大小相对应的加密过程所需的时间，而解密时间是完成与文件大小相对应的解密过程所需的时间。将基于文件大小的 SDBS 算法加密时间和解密时间与 ABE/AES/ABE+AES 算法进行了比较，与
15、其他技术相比，SDBS 的加密和解密时间较短。该算法加密 100 KB 的数据文件需要 0.26 s，加密 1 GB的数据文件需要 2.2 s；对 100 KB 数据文件解密时间为 0.15 s，1 GB 数据文件的解密时间为 1.95 s。为了分析大数据云多级安全系统在工作负荷逐渐增大时的工作情况，创建了云密钥数据库。数据库创建开始时，会对多级安全云应用执行多次查询。大数据分析查询是从多级安全应用报告的整个过程中选择的，这些查询基于上传/下载过程的聚合查询和分组，或基于数据文件 ID、数据提供者名称、数据用户、电子邮件、数据文件大小、上传和图 2SDBS 加密过程i=0行位移字节替换列混合轮
16、密钥加i8密钥调度算法NoYesi=i+1Wi4明文密文k0k1k2k3k4k5k6k7k8k9k10k11k12k13k14k15w0w1w2w3w4w5w6w7g图 3密钥调度算法的加密过程技术 创 新Technological Innovation-112-2023 年 1 月总第 348 期Design of Multi-functional Backpack Based on Single Chip MicrocomputerGUO Jia-run1,GONG Yu-meng1,LIU Yi-kun2,CHEN Hong-kun1,QU Hao-yu1,HU Zhi-dong1(1.Northeast Forestry University,Harbin 150040 China;2.Shenyang Agricultural University,Shenyang 110866 China)Abstract：In this paper,STC89C52 single chip microcomputer is used as the main control chip,an
