劉若冰

摘 要： 該文介紹面向大數(shù)據(jù)的云存儲(chǔ)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，依據(jù)定向隨機(jī)游走規(guī)則對(duì)分布式云存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)行分析。為了保證數(shù)據(jù)安全，通過(guò)RAS加密算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，利用公鑰或密鑰針對(duì)所需存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，將另一個(gè)作為對(duì)應(yīng)的解密密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解密。為了保證系統(tǒng)的可靠性和數(shù)據(jù)的訪問(wèn)效率，詳細(xì)分析數(shù)據(jù)的檢索技術(shù)。通過(guò)云存儲(chǔ)技術(shù)、數(shù)據(jù)加密技術(shù)和數(shù)據(jù)檢索技術(shù)的組合方式達(dá)到高效整合、管理網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)資源的目的，對(duì)外提供友好的連接窗口，使云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的發(fā)布方式更加快速，為使用者提供便捷的存儲(chǔ)服務(wù)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用所提關(guān)鍵技術(shù)的云存儲(chǔ)系統(tǒng)不僅運(yùn)行時(shí)間和整體耗能低，而且可用性極高。

關(guān)鍵詞： 大數(shù)據(jù)； 云存儲(chǔ)； 關(guān)鍵技術(shù)； 數(shù)據(jù)加密

中圖分類號(hào)： TN911?34； TP333 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）06?0021?04

Research on key technologies for big data cloud storage system

LIU Ruobing

（College of Arts and Sciences Yunnan Normal University， Kunming 650222， China）

Abstract： Therefore， the key technologies of a big data cloud storage system are introduced， and the distributed cloud storage technology is analyzed according to the rules of the directional random walk. In order to guarantee the data security， the data is encrypted with the RAS encryption algorithm， the public key or secret key is used to encrypt the data which needs to be stored， and another corresponding decryption key is adopted to decrypt the data. In order to guarantee the reliability of the system and data access efficiency， data retrieval technology is analyzed in detail. The efficient integration and network storage resource management are reached by means of the combination of cloud storage technology， data encryption technology and data retrieval technology， which provides a friendly connection window for outward to make the release of the cloud computing network data quicker， and provide users with convenient storage service. The simulation experiment results show that the cloud storage system with the proposed key technology has shorter running time， lower overall energy consumption and higher availability.

Keywords： big data； cloud storage； key technology； data encryption

0 引 言

云存儲(chǔ)是在云計(jì)算技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展形成的，其將數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及管理看作是核心任務(wù)，云存儲(chǔ)能夠在集群應(yīng)用、網(wǎng)格技術(shù)及分布式文件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用相關(guān)軟件將網(wǎng)絡(luò)中各種類型的存儲(chǔ)設(shè)備結(jié)合在一起，為用戶提供相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和業(yè)務(wù)訪問(wèn)功能[1?3]。隨著科技的逐漸發(fā)展，數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，研究面向大數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)系統(tǒng)具有重要意義，已經(jīng)成為相關(guān)學(xué)者研究的重點(diǎn)課題[4?6]。

目前，關(guān)于云存儲(chǔ)系統(tǒng)的研究主要有 Amazon EC2，Amazon EBS和Google File System（GFS）等。相關(guān)研究也取得了一定的成果，其中：文獻(xiàn)[7]介紹了一種Virtual Block Store（VBS）云存儲(chǔ)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，其不僅能夠獨(dú)立作為一個(gè)云存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行使用，也能夠?yàn)橐恍┰朴?jì)算系統(tǒng)（如 Openstack）提供云存儲(chǔ)管理服務(wù)，但該系統(tǒng)很容易出現(xiàn)單點(diǎn)故障問(wèn)題，影響了整個(gè)云存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能；文獻(xiàn)[8]介紹了一種Orthrus云存儲(chǔ)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，該系統(tǒng)采用了多服務(wù)器形式，依據(jù)變種遺傳算法實(shí)現(xiàn)各服務(wù)器的負(fù)載均衡，但該系統(tǒng)因缺少變異過(guò)程，容易陷入局部最優(yōu)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)負(fù)載的最優(yōu)化分配；文獻(xiàn)[9]介紹了一種P2P云存儲(chǔ)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，將之前較為分散的互聯(lián)網(wǎng)資源集合起來(lái)，為用戶提供相應(yīng)服務(wù)，但該系統(tǒng)往往會(huì)受到一些網(wǎng)絡(luò)因素的限制，性能不高；文獻(xiàn)[10]介紹了一種Kuhn云存儲(chǔ)系統(tǒng)，對(duì)相關(guān)文件進(jìn)行分塊和建立元數(shù)據(jù)，將元數(shù)據(jù)保存在文件中，新的文件對(duì)象均存儲(chǔ)于文件的目錄結(jié)構(gòu)之中，該云存儲(chǔ)能夠明顯提高元數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)性能，然而其需要引入目錄，約束了應(yīng)用的發(fā)展及使用。本文介紹了面向大數(shù)據(jù)的云存儲(chǔ)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，依據(jù)定向隨機(jī)游走規(guī)則對(duì)分布式云存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)行分析，通過(guò)RAS加密算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，利用數(shù)據(jù)檢索技術(shù)使云存儲(chǔ)系統(tǒng)更加可靠，數(shù)據(jù)的訪問(wèn)效率更高。通過(guò)云存儲(chǔ)技術(shù)、數(shù)據(jù)加密技術(shù)和數(shù)據(jù)檢索技術(shù)的組合方式達(dá)到高效整合、管理網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)資源的目的。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用所提關(guān)鍵技術(shù)的云存儲(chǔ)系統(tǒng)不僅運(yùn)行時(shí)間和整體耗能低，而且可用性極高。

1 面向大數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

云存儲(chǔ)是依據(jù)云計(jì)算技術(shù)發(fā)展而來(lái)的，將大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及管理作為核心任務(wù)，為外界提供相關(guān)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和業(yè)務(wù)訪問(wèn)功能。云存儲(chǔ)系統(tǒng)的基礎(chǔ)是分布式云存儲(chǔ)技術(shù)、數(shù)據(jù)加密技術(shù)及數(shù)據(jù)檢索技術(shù)，上述關(guān)鍵技術(shù)的組合方式不但能達(dá)到高效整合、管理網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)資源的目的，還能夠?qū)ν馓峁┯押玫倪B接窗口，使云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的發(fā)布方式更加快速，為使用者提供便捷的存儲(chǔ)服務(wù)。下面詳細(xì)介紹面向大數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

1.1 基于定向隨機(jī)游走規(guī)則的分布式云存儲(chǔ)技術(shù)

面向大數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)系統(tǒng)的分布式存儲(chǔ)技術(shù)就是利用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商提供的不同存儲(chǔ)設(shè)備上的存儲(chǔ)空間對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸存儲(chǔ)，同時(shí)將上述分散的存儲(chǔ)資源組成一個(gè)虛擬的存儲(chǔ)設(shè)備。本文依據(jù)定向隨機(jī)游走規(guī)則對(duì)分布式云存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)行分析。

依據(jù)定向隨機(jī)游走規(guī)則，在云存儲(chǔ)系統(tǒng)源數(shù)據(jù)包抵達(dá)所訪問(wèn)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)[v]后，從[v]的所有鄰居節(jié)中隨機(jī)選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)[u]繼續(xù)進(jìn)行訪問(wèn)。

假設(shè)[No]為云存儲(chǔ)系統(tǒng)下一個(gè)節(jié)點(diǎn)[o]的鄰居節(jié)點(diǎn)集合；[δo=No]為節(jié)點(diǎn)[o]的鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；[co]為定向隨機(jī)游走此刻已經(jīng)訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)[o]的總次數(shù)，則鄰居節(jié)點(diǎn)[u]的選擇過(guò)程如下：

（1） 從正在訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)[v]的鄰居節(jié)點(diǎn)集合[Nv]中隨機(jī)選出2個(gè)節(jié)點(diǎn)，將其看作是備選節(jié)點(diǎn)，其構(gòu)成的集合用[N′]表示；

（2） 依據(jù)給出的條件從2個(gè)備選節(jié)點(diǎn)中選擇繼續(xù)訪問(wèn)的節(jié)點(diǎn)。

本文面向大數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)系統(tǒng)分布式云存儲(chǔ)技術(shù)的基本原理如下：

面向大數(shù)據(jù)進(jìn)行云存儲(chǔ)前：每個(gè)節(jié)點(diǎn)均存儲(chǔ)有一個(gè)初始值為0的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包[Yi]，同時(shí)所有數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)僅存在一個(gè)源數(shù)據(jù)包[Xj]。

開(kāi)始進(jìn)行云存儲(chǔ)后：從任意數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)開(kāi)始一個(gè)步數(shù)為[cnlnn]的定向隨機(jī)游走，對(duì)該數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的源數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳遞；源數(shù)據(jù)包抵達(dá)一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)后，新節(jié)點(diǎn)將以概率[alnkk]接收源數(shù)據(jù)包，并且將得到的源數(shù)據(jù)包儲(chǔ)存在自身的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包中；新節(jié)點(diǎn)按照定向隨機(jī)游走規(guī)則繼續(xù)發(fā)送源數(shù)據(jù)包。源數(shù)據(jù)傳遞次數(shù)達(dá)到定向隨機(jī)游走的給定步數(shù)[cnlnn]后，即[N>cnlnn]，源數(shù)據(jù)包會(huì)被刪除。所有[k]個(gè)源數(shù)據(jù)包均被刪除后，即實(shí)現(xiàn)了大數(shù)據(jù)的云存儲(chǔ)。詳細(xì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

輸入：[k]個(gè)源數(shù)據(jù)包[Xv]，[v=1，2，…，k]。

輸出：[n]個(gè)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包[Yu]，[u=1，2，…，n]。

（1） 假設(shè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)為[v]，[v=1，2，…，k]。將信息[IDv]號(hào)與定向隨機(jī)游走步數(shù)計(jì)數(shù)器[N=0]加入源數(shù)據(jù)包[Xv]中；

（2） 假設(shè)云存儲(chǔ)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)為[u]，[u=1，2，…，n]。對(duì)所有存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包的值及所有源數(shù)據(jù)包已訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)的次數(shù)進(jìn)行初始化處理；

（3） 以概率[alnkk]接收[Xv]，并且完成對(duì)自身存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包的更新。

（4） 通過(guò)定向隨機(jī)游走原則將源數(shù)據(jù)包[Xv]傳輸?shù)狡湎噜徆?jié)點(diǎn)中。

（5） 針對(duì)所有抵達(dá)節(jié)點(diǎn)[u]的源數(shù)據(jù)包[Xj]，若[Xj]第一次訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)[u]，則節(jié)點(diǎn)[u]以概率[alnkk]接收[Xj]，并利用步驟（2）對(duì)自身的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包進(jìn)行更新，源數(shù)據(jù)包[Xj]對(duì)頭信息進(jìn)行更新：[N=N+1]。若[N

1.2 數(shù)據(jù)加密技術(shù)

因?yàn)楸疚牟捎玫氖欠植际皆拼鎯?chǔ)技術(shù)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在多個(gè)數(shù)據(jù)中心中，所以數(shù)據(jù)安全成為亟需解決的問(wèn)題，本文通過(guò)RAS加密算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。

RSA加密算法是一種典型的公鑰密碼算法，在RSA加密算法中，公鑰與密鑰均可用于數(shù)據(jù)的加密。而另一個(gè)可以作為對(duì)應(yīng)的解密密鑰。

RSA加密算法屬于一種依據(jù)大整數(shù)分解的算法，其過(guò)程可描述成[n=p×q]，對(duì)素?cái)?shù)[p]與[q]的值進(jìn)行計(jì)算，詳細(xì)程序代碼如下：

RSA加密算法對(duì)參數(shù)的選擇有一定的要求，主要需遵守下述條件：

（1） 素?cái)?shù)[p]與[q]需足夠大，同時(shí)為強(qiáng)素?cái)?shù)。RSA算法的安全性主要是依據(jù)[p]與[q]因子分解的，因此，需保證[p]和[q]是強(qiáng)素?cái)?shù)。除此之外，為了保持因式分解的難度，加強(qiáng)RSA算法的安全性，[p]與[q]的取值需足夠大。

（2） [p]與[q]的差不能太小，也不能太大。如果[p]與[q]的差過(guò)小，則可采用下述方法對(duì)[n]進(jìn)行分解。若[p]與[q]的差過(guò)大，即可通過(guò)嘗試法完成對(duì)[n]的分解。

（3） [d]不能夠過(guò)小。解密密鑰的值越小，RSA的機(jī)密效率越高，然而，若[d]過(guò)小，則可以較小的代價(jià)，利用己知明文求出密文。RSA算法中通常[d≥n14]。

（4） [e]不能夠過(guò)小。[e]越小，RSA算法的效率越高，對(duì)密鑰的管理容易，但[e]過(guò)小則能夠利用加密算法[c≡memodn]對(duì)密文[c]進(jìn)行破解。

為了保證形成的數(shù)的素性，需對(duì)素?cái)?shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，詳細(xì)過(guò)程如下：

（1） 完成對(duì)[p-1]的分解；

（2） 完成對(duì)[F]的分解；

（3） [a=1]；

（4） [a=a+1]；

（5） 若存在等于1的情況，則繼續(xù)進(jìn)行下一步；反之，進(jìn)行第七步，結(jié)束迭代；

（6） 若[p]為素?cái)?shù)，進(jìn)行下一步，結(jié)束迭代；反之，重新進(jìn)行第四步；

（7） 結(jié)束迭代。

1.3 數(shù)據(jù)檢索技術(shù)

數(shù)據(jù)檢索技術(shù)是云存儲(chǔ)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，檢索性能的好壞不僅決定著系統(tǒng)的可靠性，還決定著數(shù)據(jù)的訪問(wèn)效率。

用戶在對(duì)云存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索時(shí)，通過(guò)訪問(wèn)[n]個(gè)云服務(wù)器中任意[k]個(gè)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)原始數(shù)據(jù)的還原。通過(guò)下式對(duì)用戶檢索所選[k]個(gè)云服務(wù)器上的全部編碼向量與編碼標(biāo)記進(jìn)行驗(yàn)證。

若某編碼標(biāo)記驗(yàn)證失敗，則用戶將向第三方服務(wù)器發(fā)送報(bào)告，同時(shí)對(duì)替代云存儲(chǔ)服務(wù)器進(jìn)行訪問(wèn)。若[k]個(gè)存儲(chǔ)服務(wù)器編碼標(biāo)記均驗(yàn)證成果，則用戶僅對(duì)編碼向量進(jìn)行置信傳播解碼算法，同時(shí)對(duì)有利于解碼的編碼向量ID進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。同時(shí)，數(shù)據(jù)用戶從相應(yīng)的存儲(chǔ)服務(wù)器處檢索對(duì)應(yīng)的編碼分組和檢索標(biāo)記，完成對(duì)編碼分組完整性的驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)編碼分組進(jìn)行和編碼向量相同的計(jì)算過(guò)程，能夠恢復(fù)文件[M]的全部原始分組。最終，對(duì)文件進(jìn)行[M]解密操作，同時(shí)得到明文數(shù)據(jù)，以完成云存儲(chǔ)系統(tǒng)的檢索。

2 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文實(shí)驗(yàn)在真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由10個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)DataNode、1個(gè)中心路由節(jié)點(diǎn)Center和1個(gè)客戶端節(jié)點(diǎn)Client構(gòu)成。軟件環(huán)境為Windows 7.0。實(shí)驗(yàn)將Hadoop系統(tǒng)作為對(duì)比進(jìn)行分析。

2.1 運(yùn)行時(shí)間分析

在數(shù)據(jù)量較小的情況下，隨著存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的逐漸增加，將本文系統(tǒng)和Hadoop系統(tǒng)消耗的時(shí)間進(jìn)行比較，這里消耗的時(shí)間主要包括讀取時(shí)間、存儲(chǔ)時(shí)間和寫(xiě)入時(shí)間。

分析圖2、圖3可以看出，當(dāng)數(shù)據(jù)量較小時(shí)，本文系統(tǒng)和Hadoop系統(tǒng)所消耗的時(shí)間相差不大，而當(dāng)數(shù)據(jù)量較大時(shí)，本文系統(tǒng)所消耗的時(shí)間明顯低于Hadoop系統(tǒng)，這是因?yàn)楸疚南到y(tǒng)專門面向大數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)，時(shí)間優(yōu)勢(shì)非常明顯。

2.2 系統(tǒng)可用性分析

當(dāng)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)為100個(gè)時(shí)，對(duì)本文系統(tǒng)和Hadoop系統(tǒng)數(shù)據(jù)分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到的結(jié)果分別見(jiàn)圖4、圖5。

分析圖4、圖5可以看出，和Hadoop系統(tǒng)相比，本文系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分布情況更加均勻說(shuō)明本文系統(tǒng)具有很高的可用性。數(shù)據(jù)的分布情況對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能的影響很大，如果數(shù)據(jù)分布不均勻，會(huì)導(dǎo)致負(fù)載不均衡，使節(jié)點(diǎn)宕機(jī)，造成數(shù)據(jù)遷移，大大降低系統(tǒng)的可用性。

2.3 網(wǎng)絡(luò)的整體能耗

對(duì)本文系統(tǒng)和Hadoop系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)整體能耗進(jìn)行比較，得到的結(jié)果如圖6所示。

分析圖6可以看出，當(dāng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)數(shù)量不同時(shí)，兩種系統(tǒng)的整體能耗變化不同。本文系統(tǒng)的總消耗明顯低于Hadoop系統(tǒng)，這主要是因?yàn)镠adoop系統(tǒng)需要在整個(gè)云存儲(chǔ)系統(tǒng)中來(lái)尋找存儲(chǔ)點(diǎn)，大大增加了存儲(chǔ)所需的時(shí)間，提高了網(wǎng)絡(luò)的總體能耗。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了面向大數(shù)據(jù)的云存儲(chǔ)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，依據(jù)定向隨機(jī)游走規(guī)則對(duì)分布式云存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)行分析。為了保證數(shù)據(jù)安全，通過(guò)RAS加密算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，利用公鑰或密鑰均對(duì)所需存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，將另一個(gè)作為對(duì)應(yīng)的解密密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解密。為了保證系統(tǒng)的可靠性和數(shù)據(jù)的訪問(wèn)效率，詳細(xì)分析了數(shù)據(jù)的檢索技術(shù)。通過(guò)云存儲(chǔ)技術(shù)、數(shù)據(jù)加密技術(shù)和數(shù)據(jù)檢索技術(shù)的組合方式達(dá)到高效整合、管理網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)資源的目的，對(duì)外提供友好的連接窗口，使云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的發(fā)布方式更加快速，為使用者提供便捷的存儲(chǔ)服務(wù)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用所提關(guān)鍵技術(shù)的云存儲(chǔ)系統(tǒng)不僅運(yùn)行時(shí)間和整體耗能低，而且可用性極高。

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