收稿日期：2023-04-12

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2023.21.021

摘" 要：隨著信息和數據庫技術的不斷發(fā)展，以及各行業(yè)積累了越來越多的歷史數據，如何安全高效地存儲重要歷史數據成為擺在各行業(yè)面前的一大難題。磁光電混合存儲系統(tǒng)是將磁盤、光盤和固態(tài)硬盤/卡三類存儲媒體相結合，且通過軟件管理對外提供統(tǒng)一存儲空間的存儲系統(tǒng)。通過對藍光存儲技術的特點以及其在數據存儲的安全方面的保護機制，來分析磁光電混合存儲技術，可以有效提高數據存儲的可靠性、完整性，同時還能在防泄漏、防篡改等多方面提供多層保護，有效提升數據存儲的安全性。

關鍵詞：數據存儲安全；磁光電混合存儲；混合加密技術；對稱密鑰算法；非對稱密鑰算法

中圖分類號：TP333" " " 文獻標識碼：A" 文章編號：2096-4706（2023）21-0090-05

Technical Analysis of Hybrid Storage System Consolidating Magnetic， Optical and Electric Media in Data Security

LIANG Hao， DING Hong， ZHANG Zhaoxiang， WANG Guozhen

（Jinan Ecological Environment Digital Application Center， Jinan" 250102， China）

Abstract： With the continuous development of information and database technology， as well as the accumulation of more and more historical data in various industries， how to safely and efficiently store important historical data has become a major challenge facing various industries. Hybrid Storage System Consolidating Magnetic， Optical and Electric Media （HSS） is a storage system that combines three types of storage media： disk， optical disc， and solid-state hard drive/card， and it provides unified storage space through software management. Through the characteristics of blue light storage technology and its protection mechanism in data storage security， this paper analyzes the technology of hybrid storage consolidating magnetic， optical and electric media. It can effectively improve the reliability and integrity of data storage. At the same time， it can also provide multiple layers of protection in various aspects such as leakage and tamper resistance， effectively improving the security of data storage.

Keywords： data storage security; hybrid storage consolidating magnetic， optical and electric media; hybrid encryption technology; symmetric key algorithm; asymmetric key algorithm

0" 引" 言

隨著信息技術的發(fā)展和深入應用到各行業(yè)，越來越多的歷史數據需要長期保存。如何安全高效節(jié)能地對需要長期保存的歷史數據進行存儲成為全行業(yè)面臨的一個挑戰(zhàn)。隨著信息技術的快速發(fā)展，目前信息高度互聯(lián)，且信息的商業(yè)價值和社會價值被國家政府機構、各大企業(yè)以及大眾個體高度關注及重視，對于數據存儲技術和數據安全的需求也在不斷地提高。數據的存儲從最初的磁帶到硬盤、固態(tài)硬盤，再到近年來的云存儲，數據的存儲方式和技術都在不斷變化和發(fā)展。然而，在大量的歷史實踐中，我們看到傳統(tǒng)的數據存儲技術還存在著許多安全方面的問題，如數據丟失、數據被竊取、信息被篡改等問題。為了解決這些問題，磁光電混合存儲技術應運而生。

1" 數據存儲介質與數據存儲安全

1.1" 數據存儲介質

目前主流存儲介質主要有磁盤（Hard Disk Drive， HDD）、固態(tài)盤（Solid State Disk/Drive， SSD）和光盤（Optical Disc/Drive， ODD），這三種存儲介質的技術特點介紹如下。

1.1.1" 磁盤

磁盤存儲（magnetic disk storage）技術由IBM公司于1956年推出，最初的型號為IBM350。由50個24英寸的盤片組成，每個盤片有100個扇區(qū)，盤片上涂有磁性材料。磁頭通過改變盤片上磁場寫入數據，通過感應旋轉磁片上磁場的變化來讀取數據。這也是磁盤存儲的基本原理。1968年IBM公司提出“溫徹斯特/Winchester”技術，其要點是將高速旋轉的磁盤、磁頭及其尋道機構等全部密封在一個無塵的封閉體中，形成一個頭盤組合件（HDA），與外界環(huán)境隔絕，避免了灰塵的污染，并采用小型化輕浮力的磁頭浮動塊，盤片表面涂潤滑劑，實行接觸起停，這是現代絕大多數硬盤的原型。1973年，IBM研制成功基于溫徹斯特（Winchester）技術的新型磁盤存儲系統(tǒng)IBM3340，其中的磁盤擁有幾個同軸的金屬盤片，盤片上涂著磁性材料。它們與能夠移動的磁頭共同密封在一個盒子里面，磁頭從旋轉的盤片上讀出磁信號的變化。IBM將這種磁盤稱為溫徹斯特硬盤，即HDD，也稱溫盤。至此，HDD的基本架構確立。

1.1.2" 固態(tài)盤

固態(tài)盤（也稱固態(tài)硬盤、電子盤、固態(tài)電子盤）由固態(tài)盤控制器和NAND閃存單元組成。目前，SSD主要支持SATA、SAS、PCIE、FC等計算機接口。1967年，美國貝爾實驗室的韓裔科學家姜大元和華裔科學家施敏一起發(fā)明了浮柵晶體管（Floating Gate Transistor），標志了閃存技術的開端，這也是固態(tài)盤的基礎。1976年，美國Dataram公司推出基于RAM技術的RAM SSD，容量是2 MB。其特點是數據讀寫速度很快，但是掉電后數據丟失，而且價格昂貴，難以推廣實用。2005年以后，隨著三星電子等巨頭宣布進入SSD市場，SSD的價格逐步下探，SSD開始成為一種主流存儲介質。

相比機械HDD，SSD有如下優(yōu)勢：

1）數據存取速度更快。SDD采用閃存芯片存儲數據，內部無機械部件，讀寫速度和延遲等性能遠超傳統(tǒng)HDD。

2）故障率低。無機械結構的優(yōu)點是防震抗摔，即使在高速移動，甚至翻轉傾斜以及加速度的情況下，SSD都能正常便用。因此，SSD越來越多地在工業(yè)控制和交通設備中使用，特別是軌道交通、車載和移動裝備需要使用SSD存儲視頻監(jiān)控數據。

3）綠色環(huán)保。因為沒有機械馬達和風扇，SSD工作時噪聲值為0分貝、發(fā)熱量小、散熱快。

4）重量更輕。因為無機械部件，所以SSD重量輕。

5）SSD容量大。HDD存儲介質是磁性材料，存儲容量難以進一步突破，已經成為計算系統(tǒng)的技術瓶頸。隨著半導體技術的發(fā)展，NAND閃存的集成度越來越高，SSD容量也將越來越大。

隨著閃存技術、固態(tài)盤控制器技術的不斷發(fā)展，SSD的成本不斷下降，使得高性能、綠色省電、高可靠性的SSD必將在高端服務器、高端存儲和工業(yè)存儲中更加廣泛地使用。

1.1.3" 光盤

1982年10月1日，全球第一張CD（Compact Disc）光盤發(fā)行，120 mm光盤第一次正式進入市場。在當時，個人電腦的基本軟件就要占據幾十張軟盤的容量，當它們可以被一張光盤代替時，光盤便成為一種新的計算機外部存儲介質被廣泛使用。CD采用裸眼不可見的780 nm波長紅外波段的激光進行數據讀寫，容量在650～800 MB之間。市面上常見的CD容量為700 MB。1996年，DVD（Digital Versatile Disc）光盤誕生，激光波從紅外線縮短為紅光，而且激光通道的數值孔徑（Numerical Aperture， N.A.）提高到0.60，以減少記錄和重放的光斑大小，同時減小標記尺寸和記錄軌道間距，實現高密度記錄。

隨著光盤技術的進一步發(fā)展，2002年，藍光光盤（Blu-rayDisc， BD）面世，采用藍紫色激光，波長進一步縮短，激光通道的N.A.提高到0.85（見圖1），最短凹坑度、軌道凹坑間距、覆蓋層厚度進一步降低（見圖2）。使用雙面三記錄層結構的BD光盤最大記錄容量達到200 GB/張。與此同時，記錄點的進一步減小，意味著BD光盤可以實現高清視頻的記錄和重放，而且在轉速方面與DVD保持相同。

CD、DVD光盤采用花青素染料、偶氮染料、鈦菁染料等有機染料來作為數據記錄層材料，有機染料的數據記錄層怕強光、氧化、潮濕，因此這類光盤很難長期保存。BD光盤的數據記錄層采用硅銅合金、鉍過氧化物和錯氧化物等無機材料涂層，材料比有機染料穩(wěn)定得多，再加上超硬涂層的保護，因此BD光盤擁有很長的壽命。BD光盤特定記錄材料的納米級膜層厚度、納米級信號坑的坑槽深度、斜度、軌間距等物理特性及規(guī)格等因素直接決定BD光盤在讀寫可靠性、保存時間、讀寫速度、誤碼率等指標上優(yōu)于CD、DVD光盤。在3種光盤里面，BD光盤已經成為主流的光盤介質。所以本文以BD光盤作為光盤的代表重點介紹。

目前主流的BD光盤容量主要為100 GB、200 GB、300 GB和500 GB，都采用405 nm波長激光進行讀寫操作。300 GB和500 GB光盤為雙面構造光盤，與100 GB 光盤相比，300 GB光盤進一步縮短了光盤記錄軌道間距，即由320 nm縮短為225 nm，存儲密度增加50%，單面存儲容量達到150 GB，雙面總容量達到300 GB。

目前，最常見的藍光盤容量為100 GB，2015年索尼和松下聯(lián)合推出300 GB～1 TB的超大容量產品。記錄層材質全部由氧化物組成不受環(huán)境變化的影響（如溫度、濕度）而且能永久保存。光盤記錄數據是通過記錄膜的形變來實現的，采用這種方式記錄的數據非常穩(wěn)定且可靠。300 GB光盤基于上述兩個特性，大幅提高了數據存儲的可靠性，非常適合于長期保存數據。作為專業(yè)檔案級存儲介質，藍光盤目前主要應用于廣電行業(yè)，已逐漸覆蓋到政府、教育、金融、廣電、公共事業(yè)等有存儲剛性需求的行業(yè)。

BD光盤的優(yōu)點是：藍光存儲具有抗自然災害、抗磁暴、抗人為數據刪除的優(yōu)點。藍光存儲在保存信息時幾乎不消耗能量，僅在讀寫時耗能，而且無須空調散熱，因而在長期保存方面擁有明顯的優(yōu)勢。

1.2" 數據存儲的安全性

數據完整性：確保數據在存儲過程中沒有被篡改、被刪減或被破壞。

數據機密性：確保只有授權人員可以訪問數據，保護敏感數據不被未授權的人員查看或修改。

數據可用性：確保數據可以適時、適量地被授權人員訪問和利用。同時也需要保護數據免受意外與故意破壞的威脅，以避免數據的無法使用或丟失。

數據備份與恢復：及時有效地進行數據備份，以防止數據的丟失、毀壞或破壞。同時，在發(fā)生數據原地準備的情況下，必須能夠高速恢復數據以確保業(yè)務的正常運行。

數據加密：通過對數據進行加密來保護數據隱私和安全，以防止未授權訪問和數據泄露。

數據監(jiān)控與審計：建立數據監(jiān)控和審計機制，對數據的訪問和使用情況進行監(jiān)控和審查，以便及時發(fā)現數據安全風險并采取相應措施。

系統(tǒng)安全：建立安全的系統(tǒng)訪問管理機制，加強系統(tǒng)開發(fā)和維護的安全措施，提高系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

2" 影響數據存儲安全的因素

數據存儲安全，大致可以分為兩大方面，一是數據本身的安全，主要是指采用現代密碼算法對數據進行主動保護；二是數據防護的安全，主要是采用現代信息存儲手段對數據進行主動防護。如今市場上很多數據存儲解決方案層出不窮，我們在進行挑選時也需要對其有一定的了解。具體影響當下數據存儲安全的因素大致可分為以下幾種。

2.1" 物理損壞

硬盤驅動器的物理損壞意味著數據丟失。設備的運行損耗、存儲介質失效、有強磁場干擾等，都能對硬盤驅動器設備造成影響。

固態(tài)盤例如閃存芯片的短路、控制器損壞，電路板故障等，這些故障可能導致數據無法讀取或訪問。

BD光盤擁有防電磁干擾，對于環(huán)境的溫濕度適應范圍廣，具有較好的物理穩(wěn)定性。

2.2" 人為操作失誤

由于操作失誤，使用者可能會誤刪除系統(tǒng)的重要文件。BD光盤具有不可篡改性，防人為操作錯誤的性能明顯優(yōu)于硬盤和固態(tài)盤。

2.3" 黑客和病毒攻擊

入侵者借助系統(tǒng)漏洞、監(jiān)管不力等通過網絡遠程入侵系統(tǒng)。系統(tǒng)被黑客入侵后對硬盤和固態(tài)盤上的數據容易被刪除或更改其中的文件，導致數據丟失。而BD光盤上的數據是無法篡改的，從而在磁光電混合存儲系統(tǒng)里作為備份數據的最后一道保證。

3" 磁光電混合存儲架構下的數據安全機制

3.1" 磁光電混合存儲技術

磁光電混合存儲技術（HSS-MOE）是由磁盤、光盤和固態(tài)硬盤三類存儲媒體的混合組成。這種混合充分發(fā)揮不同存儲媒體各自的優(yōu)點，為爆炸性增長的大數據提供長壽命、大容量、低成本、安全可靠的存儲方式，成為目前大數據存儲發(fā)展的主流方向。磁光電混合存儲技術采用在內部嵌入自動加密、自動校驗等機制，可以對數據進行自動分類，并根據不同等級進行不同級別的加密處理。同時，磁光電混合存儲技術也能夠對數據進行動態(tài)備份，保障數據的可靠性和完整性。與傳統(tǒng)存儲技術相比，該技術在以下幾個方面具有明顯的優(yōu)勢：

1）可靠性更高。由于磁光電混合存儲技術采用的是多級備份機制，即多份數據備份可以被存儲在不同的地點，當發(fā)生數據災害時，可以通過取用不同的副本進行數據恢復，從而大大降低數據遭到破壞或丟失的風險。

2）保密性更強。磁光電混合存儲技術通過實現對數據的自動加密、自動校驗等機制，可以幫助防止數據因為外部入侵而被盜竊或窺探的情況出現。同時，該技術還支持訪問權限控制機制，可實現只允許指定人員、部門或系統(tǒng)訪問敏感數據的目的。同時光盤還可以做到一次刻錄，長期保存，不可篡改，大大地提高了數據的可用性和安全性。

3）速度更快。由于磁光電混合存儲技術采用不同種類的存儲介質，可以分別發(fā)揮它們的優(yōu)點，從而實現數據的快速處理和提高訪問速度。

總的來說，磁光電混合存儲技術利用先進的技術手段和機制，為歷史數據存儲提供了一個高效、安全、可靠、快速的解決方案。通過采用這種方法，我們可以更好地保護數據的可靠性、完整性和安全性。

3.2" 磁光電混合存儲架構

與傳統(tǒng)數據存儲技術不同，磁光電混合存儲的架構一般是采用兩級數據存儲層次結構，如圖3所示，由磁盤、固態(tài)盤、光盤等多種數據存儲設備代替單個數據存儲設備，集成不同類型的存儲技術和存儲系統(tǒng)。磁光電混合存儲可以優(yōu)化和提高數據存儲容量和數據訪問速度。第一級存儲區(qū)（通常為HDD或者SSD）通常是存儲速度快、TCO（Total Cost of Ownership總體擁有成本，由投資和運營兩部分費用組成）高的數據存儲形式。第二級存儲區(qū)（通常為ODD）通常是存儲壽命長、TCO低、環(huán)保低碳、存儲速度較慢的數據存儲形式。

3.3" 磁光電混合存儲安全機制

密碼體制有兩種：對稱密碼體制（又稱為單鑰密碼體制）和非對稱密碼體制（又稱為雙鑰密碼體制或公鑰密碼體制）。對稱密碼體制使用相同的密鑰（秘密密鑰）對消息進行加密/解密。非對稱加密又稱為公鑰密碼，該技術是針對私鑰密碼體制（對稱加密算法）的缺陷被提出來的，非對稱加密會產生兩把密鑰，分別為公鑰（Public Key）和私鑰（Private Key），其中一把密鑰用于加密，另一把密鑰用于解密。

非對稱加密的特征是算法強度復雜、安全性依賴于算法與密鑰。由于其算法復雜，而使得加密解密速度沒有對稱加密解密的速度快。對稱密碼體制中只有一種密鑰，并且是非公開的，如果要解密就得讓對方知道密鑰。所以保證其安全性就是保證密鑰的安全，而非對稱密鑰體制有兩種密鑰，其中一個是公開的，這樣就可以不需要像對稱密碼那樣傳輸對方的密鑰了。這樣安全性就高了很多。非對稱密碼體制使用公鑰加密消息，使用私鑰來解密。因此使用非對稱密碼體制可增強數據的安全性。

磁光電混合存儲系統(tǒng)根據一級存儲區(qū)到二級存儲區(qū)的備份機制提出了一種混合加密技術（Hybrid Encryption Technique），采用了對稱密鑰算法對數據進行加密，使用非對稱密鑰算法對對稱密鑰再次進行加密。加密后的數據和加密后的對稱密鑰存儲在一級存儲區(qū)。以此來保證數據的保密性。另外，磁光電混合存儲系統(tǒng)還包括一個驗證機制，以確保加密數據的完整性。為此，使用哈希函數生成原始數據的消息摘要，然后使用非對稱密鑰算法對其進行加密。加密的消息摘要與加密的數據一起存儲在一級存儲區(qū)。對數據進行檢索后，再次生成消息摘要，并與存儲的加密消息摘要進行比較。如果匹配，則確認數據的完整性。

因此，磁光電混合存儲系統(tǒng)提供了一種安全高效的存儲敏感數據的方式。尤其對于長期歸檔數據提供了傳統(tǒng)磁存儲以外的防人為刪除或篡改的光存儲拷貝。這套系統(tǒng)為存儲的數據提供了高度的安全性。

4" 結" 論

磁光電混合儲存技術集中了磁光電三種介質的優(yōu)點，通過一套安全高效的技術架構，實現了存儲密度、讀寫速度和安全可靠的組合優(yōu)勢。該技術具有廣泛的應用前景，在高端計算、數據存儲領域得到了廣泛的應用和研究。隨著國家對于網絡數據安全和信息化工作的高度重視，《數據安全法》《個人信息安全法》等法律陸續(xù)出臺，國家及地方政府、各關鍵行業(yè)部門也相應制定具體規(guī)定及細則，相信磁光電混合儲存技術在未來信息數據存儲中將會得到更快速的推廣和更廣泛的應用。

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作者簡介：梁昊（1990.04—），男，漢族，山東濟南人，工程師，碩士研究生，研究方向：環(huán)境信息化與網絡安全。