一種基于平衡的梅肯哈希樹的動態(tài)云數(shù)據(jù)完整性驗證方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于云存儲技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種動態(tài)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)完整性驗證方法，具體涉 及一種基于平衡的梅肯哈希樹的動態(tài)云數(shù)據(jù)完整性驗證方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 云服務(wù)器提供商（CSP)提供的儲存即服務(wù)是一種允許組織機構(gòu)將重要數(shù)據(jù)存在 遠程服務(wù)器上的服務(wù)。
[0003] 得益于云計算，用戶可以將數(shù)據(jù)遠端存儲在云上，并且從一個可配置的共享計算 資源中享受優(yōu)質(zhì)服務(wù)和應用。但事實上，用戶確實失去了外包數(shù)據(jù)的實質(zhì)占有，這使得云計 算中數(shù)據(jù)完整性驗證成為挑戰(zhàn)，尤其在用戶計算能力有限的環(huán)境下。因此，讓數(shù)據(jù)允許被公 開審計就顯得尤為重要。所以用戶可以讓第三方審計TPA去審核數(shù)據(jù)的完整性。TPA需滿 足以下兩個條件：
[0004] (I)TPA可以在不訪問本地數(shù)據(jù)的前提下審計數(shù)據(jù)完整性，同時又不能給用戶造成 在線的壓力；
[0005] (2) TPA不能給數(shù)據(jù)保密性帶來缺陷。
[0006] 云計算被預測為未來IT企業(yè)的主架構(gòu)。它把數(shù)據(jù)和應用集中在大數(shù)據(jù)中心，即使 數(shù)據(jù)的管理者不能被完全信任，以至于產(chǎn)生了很多安全問題。因此引入第三方審計TPA代 替客戶端完成對存儲在云端的數(shù)據(jù)進行完整性驗證。第三方審計TPA的引入使得客戶端用 可接受的規(guī)模完成了數(shù)據(jù)完整性的驗證。由于云端的服務(wù)并沒有限制備份數(shù)據(jù)，所以動態(tài) 數(shù)據(jù)的實現(xiàn)對實用性方面有極大促進。為了高效實現(xiàn)數(shù)據(jù)動態(tài)，引入梅肯哈希樹（Merkle Hash Tree)對分塊進行完整性驗證。
[0007] 考慮實際情況，用戶多數(shù)情況下會在文件尾追加信息。而已有的插入方法沒有考 慮到Merkle Hash Tree的平衡性，因此會造成樹型結(jié)構(gòu)退化成線性結(jié)構(gòu)，降低動態(tài)修改的 時間效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明基于【背景技術(shù)】的研究成果，并利用平衡二叉樹結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了動態(tài)數(shù)據(jù)完整 性驗證。
[0009] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種基于平衡的梅肯哈希樹的動態(tài)云數(shù)據(jù)完整性驗 證方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0010] 步驟1 :定義雙線性映射e:GXG = GT，其中G是一個Diffie-Hellman群，Gt是另 一個素階數(shù)乘法循環(huán)群，定義g是G的生成元；
[0011] 步驟2:客戶端選取隨機值a -Zp，Zp為素數(shù)，計算v - ga，并定義密鑰Sk= α， 公鑰pk = V ;
[0012] 步驟3 :針對每一個文件，客戶端對文件F進行分塊F = (nv m2, . . .，nv mn)，選取 u - G，對每一個分塊計算簽名(67, ；)· i/M y，然后客戶端基于梅肯哈希樹構(gòu)造 根節(jié)點R并計算R的簽名Sigsk(H(R)) - (H(R))α，其中葉子節(jié)點是文件分塊的哈希，然后 將F、{ σ J、SigskOl(R))發(fā)送給服務(wù)器；
[0013] 步驟4 :當客戶端請求第三方審計TPA進行數(shù)據(jù)完整性驗證時，第三方審計TPA選 取隨機C個分塊（S1, S2. .. SJ，并對每個分塊選取隨機值Vl- Z ρ，之后第三方審計TPA向服 務(wù)器發(fā)出申請，并發(fā)送分塊隨機值的集合IvJ和C個分塊下標的集合{S};
[0014] 步驟5 :服務(wù)器收到第三方審計TPA的申請之后，分別計算如下內(nèi)容：
[0015]
[0016] ·
[0017] 然后將{ μ，O，H(HI1)，{ σ J }和C個葉子節(jié)點到根節(jié)點路徑上的所有兄弟節(jié)點信 息發(fā)送給第三方審計TPA ;
[0018] 步驟6 :第三方審計TPA依據(jù)收到信息重新構(gòu)造梅肯哈希樹根節(jié)點R，之后驗證：
[0019] e (SigskH(R)，g) = e (H(R)，ga);
[0020]
[0021] 若發(fā)現(xiàn)上述兩個等式如果有任意一個不滿足，則返回false表明數(shù)據(jù)被篡改，否 則返回true表明驗證通過。
[0022] 作為優(yōu)選，步驟3中所述的將文件F進行分塊F = (ηνην . . .，ηνπιη)后發(fā)送給服 務(wù)器后，對存儲在服務(wù)器中的文件某一個分塊進行修改、添加一個分塊或者刪除一個分塊， 需要更新服務(wù)器上的相應的簽名信息，對數(shù)據(jù)進行動態(tài)更新。
[0023] 作為優(yōu)選，所述的對分塊進行修改，其具體實現(xiàn)過程是用戶選擇第k個分塊，將其 內(nèi)容由C修改為C*，則該分塊的哈希值由H(C)變?yōu)镠(O)，然后更新梅肯哈希樹并生成新 的根節(jié)點，最后交給客戶端簽名后存儲。
[0024] 作為優(yōu)選，所述的添加一個分塊，假設(shè)用戶要在第k分塊后插入一個分塊，假設(shè)第 k分塊對應的葉子節(jié)點為K，則分以下四種情況處理；
[0025] 情況一 ：LL型旋轉(zhuǎn)；
[0026] 若節(jié)點X的左兒子深度減去右兒子深度大于1時，即出現(xiàn)L型不平衡狀態(tài)，X為不 平衡節(jié)點；再對于X的左兒子來說，若其左兒子深度大于右兒子深度，則為LL型不平衡狀 態(tài)；
[0027] 旋轉(zhuǎn)方式為：X的左兒子的父親改為X的父親，X變?yōu)閄的左兒子的右兒子，X左兒 子的右兒子變?yōu)閄的左兒子；
[0028] 情況二：LR型旋轉(zhuǎn)；
[0029] 若對于X出現(xiàn)L型不平衡狀態(tài)，但是對于X的左兒子，其右兒子的深度大于左兒 子，則出現(xiàn)LR型不平衡狀態(tài)；
[0030] 旋轉(zhuǎn)方式為：先經(jīng)過一次旋轉(zhuǎn)使之變?yōu)長L型不平衡，再利用LL型旋轉(zhuǎn)使之平衡；
[0031] 情況三：RR型旋轉(zhuǎn)；
[0032] 若節(jié)點X的左兒子深度減去右兒子深度小于-1時，即出現(xiàn)R型不平衡狀態(tài)，X為 不平衡節(jié)點；在對于X的右兒子來說，若其右兒子深度大于左兒子深度，則為RR型不平衡狀 態(tài)；
[0033] 旋轉(zhuǎn)方式為：X的右兒子的父親改為X的父親，X變?yōu)閄的右兒子的左兒子，X右兒 子的左兒子變?yōu)閄的右兒子；
[0034] 情況四：RL型旋轉(zhuǎn)；
[0035] 若對于X出現(xiàn)R型不平衡狀態(tài)，但是對于X的右兒子，其左兒子的深度大于右兒 子，則出現(xiàn)RL型不平衡狀態(tài)；
[0036] 旋轉(zhuǎn)方式為：先經(jīng)過一次旋轉(zhuǎn)使之變?yōu)镽R型不平衡，再利用RR型旋轉(zhuǎn)使之平衡；
[0037] 以上四種旋轉(zhuǎn)方法均不會改變梅肯哈希樹的葉子節(jié)點順序。
[0038] 作為優(yōu)選，所述的刪除一個分塊，其具體實現(xiàn)過程是用戶選擇第k個分塊，假設(shè)第 k個分塊對應的葉子節(jié)點為K，刪除K之后將K的父親節(jié)點用K的兄弟節(jié)點代替，繼而刪除 K的兄弟節(jié)點；完成刪除操作之后，會出現(xiàn)添加一個分塊操作中出現(xiàn)的不平衡現(xiàn)象，按照處 理添加一個分塊操作中出現(xiàn)的不平衡現(xiàn)象的方法處理此處的不平衡現(xiàn)象。
[0039] 本發(fā)明的有益效果：通過對上傳的文件進行分塊，實現(xiàn)對文件的動態(tài)修改；通過 對每一個分塊文件進行簽名作為葉子結(jié)點建立梅肯哈希樹，實現(xiàn)對文件的動態(tài)審計；為了 提高動態(tài)審計的時間效率，引入平衡二叉樹的概念，通過部分結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)避免梅肯哈希樹 的退化。
【附圖說明】
[0040] 圖1 :為本發(fā)明實施例的流程圖；
[0041] 圖2 :為本發(fā)明實施例的在文件尾部反復追加分塊效果圖；
[0042] 圖3 :為本發(fā)明實施例的添加一個分塊的LL型旋轉(zhuǎn)效果圖；
[0043] 圖4 :為本發(fā)明實施例的添加一個分塊的LR型旋轉(zhuǎn)效果圖；
[0044] 圖5 :為本發(fā)明實施例的添加一個分塊的RR型旋轉(zhuǎn)效果圖；
[0045] 圖6 :為本發(fā)明實施例的添加一個分塊的RL型旋轉(zhuǎn)效果圖。 具體實施方案
[0046] 為了便于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解和實施本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā) 明作進一步的詳細描述，應當理解，此處所描述的實施示例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不 用于限定本發(fā)明。
[0047] 請見圖1，本發(fā)明提供的一種基于平衡的梅肯哈希樹的動態(tài)云數(shù)據(jù)完整性驗證方 法，包括以下步驟：
[0048] 步驟1 :定義雙線性映射e:GXG = GT，其中G是一個Diffie-Hellman群，Gt是另 一個素階數(shù)乘法循環(huán)群，定義g是G的生成元；
[0049] 步驟2 :客戶端選取隨機值α - Zp，Zp為素數(shù)，計算V - g a，并定義密鑰sk = α， 公鑰pk = V ;
[0050] 步驟3 :針對每一個文件，客戶端對文件F進行分塊F = (nv m2, . . .，nv mn)，選取 u -G，對每一個分塊計算簽名σ, ，.然后客戶端基于梅肯哈希樹構(gòu)造 根節(jié)點R并計算R的簽名sigsk(H(R)) - (H(R)) °，其中葉子節(jié)點是文件分塊的哈希，然后 將F、{ σ J、SigskOl(R))發(fā)送給服務(wù)器；
[0051 ] 步驟4 :當客戶端請求第三方審計TPA進行數(shù)據(jù)完整性驗證時，第三方審計TPA選 取隨機C個分塊（S1, S2. .. SJ，并對每個分塊選取隨機值Vl- Z ρ，之后第三方審計TPA向服 務(wù)器發(fā)出申請，并發(fā)送分塊隨機值的集合IvJ和C個分塊下標的集合{S};在分塊損壞比例 為t的情況下，審計的正確率為l-(l-tr，當t = 1%時，當c = 459的情況下，其具有99% 的準確率。
[0052] 步驟5 :服務(wù)器收到第三方審計TPA的申請之后，分別計算如下內(nèi)容：
[0053]
[0054] .
[0055] 然后將{ μ，〇，H(Hi1)，{ σ