数据基于云计算的网络虚拟磁盘系统-信息安全竞赛作品报告v20

201 1年全国大学生信息安全竞赛

作品报告

作品名称 基于云计算的网络虚拟磁盘系统

组 员 尹纪权、罗俊沣、蔡觅

填写说明

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或图示该参赛队的参赛项目 或方案。

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目录

第一章摘要........................................................................................................................1

第二章作品介绍.................................................................................................................2

2.1背景与意义. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2

2.2特色描述. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4

2.3应用市场分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5

2.4相关工作. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5

第三章实现方案.................................................................................................................7

3.1系统方案与功能. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7

3.1.1系统客户端、代理服务器、云端间交互. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

3.1.2开发工具. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

3.1.3开发环境. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

3.1.4适用的环境. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

3.1.5软件指标. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10

3.2相关技术与原理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10

3.2.1访问控制技术. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11

3.2.2 Filedisk—文件驱动技术. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12

3.2.3文件过滤驱动技术——AES透明加密. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16

3.2.4云平台管理技术. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17

3.2.5容灾备份技术. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21

3.2.6 DLL注入技术. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22

3.3客户端实现. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24

3.3.1磁盘管理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24

3.3.2创建虚拟映像、加载、卸载虚拟磁盘. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25

3.3.3用户空间. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27

3.3.4权限控制. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28

3.3.5权限审批. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29

3.4代理服务端实现. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30

3.4.1用户管理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31

3.4.2黑名单管理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31

3.4.3磁盘管理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32

3.5云端实现. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32

3.5.1云平台搭建. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32

3.5.2通信模块接口实现. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35

3.6软件流程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37

第四章功能测试...............................................................................................................37

4.1测试概述. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37

4.2测试方案. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38

4.3测试环境. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38

4.4测试过程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42

4.4.1客户端测试. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42

I

4.4.2认证服务器测试. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .错误未定义书签。

4.4.3云端测试. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .错误未定义书签。

第五章性能测试...............................................................................................................62

5.1安全性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63

5.2加密速率与传输速率. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65

5.3易用性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66

第六章测试总结与分析...................................................................................................67

第七章创新性与实用性...................................................................................................68

7.1创新性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68

7.2实用性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69

第八章总结........................................................................................................................70

8.1项目工作总结. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70

8.2后期工作. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71

参考文献..............................................................................................................................72

II

第一章摘要

随着信息化进程的不断推进数据资源管理越来越受到企业的重视。但是相关企业和部门在进行文件管理的过程中经常会碰到以下几个问题文件安全缺乏保障存在被窃取或者丢失的隐患海量文件的存储给服务器造成负担导致效率低下文件存取操作麻烦、管理举步维艰等。

相关企业以及政府部门在解决这一问题上惯用的措施有使用局域网文件共享软件如飞鸽传书等 TrueCrypt数据加密工具禁用U盘等可移动设备并遵循 “联网机器不涉密涉密机器不联网”原则。但是这样的一系列措施又给业务上带来了诸多不便这与业务要求本地数据安全可靠、 内部资源共享方便安全等需求自相矛盾因而相关部门在实际实施过程中并没有严格按规定进行从而导致了安全隐患。

所以解决安全性和数据共享之间的矛盾在保证用户数据安全、操作简单、使用方便的前提下能实现数据的共享成了确保业务信息化健康发展的关键所在。

在此背景下本小组开发了一款基于云计算的网络虚拟磁盘系统。该系统采用云计算的思想实现了自动负载均衡及透明扩容缩容功能。为了克服公有云无法实现资源安全隔离的弱点本系统创新性地通过Hadoop云平台构建无缝式的虚拟磁盘透明加密环境实现独立存储和数据隔离。

该系统采用身份认证、密钥协商、 SHA-2散列函数、AES透明加解密、文件指纹、云平台管理、容灾备份和基于权限控制的共享审批等关键技术集成了本地虚拟磁盘数据加密、数据远程备份及共享审批等多种功能保证了用户数据的安全。

本作品分为三个组成部分代理服务器、云端和客户端。其中云端负责文件分布式存储与管理客户端供用户对虚拟磁盘进行基本操作对映像文件进行上传、文件加载、修改等代理服务器负责身份认证、密钥分发、用户管理等。

测试表明本作品功能较完善、性能良好通过高效快捷的存储管理机制能够有效地对抗强制说出密码的威胁防止硬件故障造成的损失将内部故意泄密的危险降到最低从而有效保障企业开发、 电子政务过程中安全的内部文件共享。

关键字云计算虚拟磁盘透明加密权限审计文件共享

第二章作品介绍

2.1背景与意义

文件共享是企业信息化进程中提高生产效率的基石。然而在文件共享的同时若无法保障文件的安全造成信息被监听、企业内部主动泄密、存储信息丢失等会使企业蒙受巨大损失。

1、在企业信息化中实现文件共享的同时企业内部泄密事件给企业造成损失重大企业存在安全隐患。

随着企业信息化的发展文件管理系统越来越多地使用于日常工作成为不可或缺的工具和手段。通过企业信息化大大提高了企业生产效率打破地域之间的阻碍同时还会产生大量如客户资料、营销方案、财务报表、研发数据等关乎企业核心竞争力的机密资料。然而信息技术本身的双刃剑特性也在广泛应用中不断显现强大的开放性和互通性催生了商业泄密、网络间谍等众多灰色名词据美国FBI统计 83%的信息安全事故为内部人员和内外勾结所为 70%的泄密犯罪来自于企业内部。

2011年4月4日一名被美国Gucci解雇的华裔网络工程师于曼哈顿刑事法院过堂。他因为对公司做法感到不忿 以及想要炫耀自己的才能多番入侵Gucci的计算机系统干扰网络的运作关闭服务器及删除内存数据使得Gucci计算机网络的文件及电邮功能瘫痪将近24小时大部分文件及电邮也被删除Gucci对此进行修复及补救花费逾20万元。同时删除多个服务器关闭一个内存网络使员工无法登陆网上购物平台也不能运作给企业造成了重大损失。

在电子产品业企业泄密案件更是层出不穷。如苹果产品加工生产基地富士康的员工泄露iPad2设计图一名即将离职40岁女雇员被怀疑泄密三星电子核心数据包括了三星新技术资料、产品细节甚至是未来10年规划黑客入侵P la yS tat ion游戏网络平台窃取了索尼PS3与音乐、网络云服务用户登入信息在地下交易价值数百亿美元„„

通过以上事例我们可以看到企业内部的泄密问题给企业造成了重大的损失。事实上对于企业来说它们最关注的不应该是系统有没有遭到了入侵而应该是在系统中存放的数据和信息有没有被盗取有没有被篡改或者说是不是已经被破坏掉了。

核心数据才是企业最应该关注的地方。所以能够直接接触核心信息的员工才最有可能给公司带来最大的损害。

由此可见数据安全存储与共享问题不容忽视。

2、传统的安全防护手段已经难以应对目前的安全威胁。

为了保障企业或部门内部的信息安全 目前安全界采用了多种防护手段和技术包括外网安全系统如杀毒软件、防火墙、入侵检测等系统主动型文件和文件夹加密系统网络监控与审计系统文件权限集中管理系统等然而他们均存在安全漏洞防不住内部人员主动泄密。

对于内部员工的管理因为目前办公均为电子化办公需要使用到大量电子信息包括技术资料客户信息等等关键数据数量庞大流转速度又非常迅速仅仅通过管理手段与规章约束可以说根本就无法起到实际性的效果。禁用U盘等可移动设备、遵循联网机器不涉密涉密机器不联网的原则又给业务上带来了诸多不便这与业务要求本地数据安全可靠、内部资源共享方便安全等需求自相矛盾因而相关部门在实际实施过程中并没有严格按规定进行从而导致了安全隐患。

同时信息一旦泄露根本无法追查在实际的诉讼过程中取证也成为最大的问题因为无法取证或证据效力不够导致许多企业只能吃哑巴亏。而且信息的泄露大多数只有在问题出现后才能被发现许多企业的重要信息早已泄露但因目前未被公开使用所以一直未被知悉一旦使用势必造成巨大的经济损失就相当于一个又一个未被察觉的定时炸弹时刻隐藏在企业的周围。

3、海量文件存储给服务器造成很大负担且系统故障容易给企业带来意想不到的损失。

在企业内部公开发布的数据量逐年递增如客户资料、营销方案、财务报表、研发数据等这些都会促使“数据之山”越来越高。企业再也不能只管理自己的数据未来的成功很大程度上取决于能否从其他组织的数据中提取出价值。海量的存储数据会给服务器造成很大的负担降低读写效率。

同时 由于意想不到的系统硬件故障可能给企业带来意想不到的损失。一旦开始使用多个硬件设施其中一个会出故障的概率是非常高的。避免数据丢失的常见做法是复制通过系统保存数据的冗余副本在故障发生时可以使用数据的另一份副本。然而冗余磁盘阵列的工作方式也会给服务器带来更大的负担。

一旦服务器崩溃后果不堪设想。

所以如何在企业信息化的进程中如何在实现文件共享提高企业生产率的前提下保障企业文件安全防止内部泄密以及信息丢失成为了企业发展的关键问题。

鉴于以上背景本作品旨在开发一款基于云平台的分布式文件管理系统以云平台为基础结合虚拟磁盘技术从文件的信道传输以及存储方式、浏览方式入手进行透明加解密同时采用平台分块存储和云平台管理技术达到防灾备份确保数据的安全性从而保障了相关企业或部门业务、开发和电子政务的顺利进行。

2.2特色描述

作品分为三个组成部分代理服务器、云端和客户端。其中代理服务器负责身份认证、密钥分发云端负责文件分布式存储与管理客户端供用户对虚拟磁盘进行基本操作如文件上传、文件加载等。

在实现文件共享的同时要确保文件的安全性就必须在文件的上传、加载、存储以及浏览等各环节中都采取必要切实可行的手段通过对文档内容级的安全保护实现机密信息分密级且分权限的内部安全共享机制。

本作品的核心设计思想

1、用户注册时通过RS A算法生成自己的公钥和私钥。用户登录时通过代理服务器进行身份验证。用户与云端交互时通过与代理服务器共同实现三方认证协议。

2、通过用户上传映像文件到云端实现文件的共享通过严格的权限控制用户只可加载自己权限范围内的文件。权限审批结果进行日志记录方便管理以及追究责任。

3、文件加密后在信道中分块传输至云端 防止恶意的网络监听、截获确保传输过程中的安全性。

4、文件以密文的形式分块存储在云端每一个分块都有三个备份防止信息被窃取以及数据丢失。

5、对用户访问映像文件时拷贝、截屏、另存和打印等行为进行限制。

与现有的技术相比本作品的特色表现为以下几个方面

1、将文件的安全保密和资源共享结合起来。 目前国内许多安全软件在重视本地数据安全时忽略了企业内部资源共享的前提。本作品利用云存储的集群应用、 网

格技术或分布式文件系统等功能 同时通过行为限制等功能有效地帮助用户解决日益增长的数据的可访问性、安全性、移动性和成本问题。

2、容灾备份。HDF S文件块通过索引表进行管理不仅能减少寻址时间开销还能在一个块发生损坏或机器故障时在其他地方读取另一个副本并复制通过查看文件块分配索引表将新的副本存放在选定的数据结点上。

3、高效方便。密钥由服务器生成加解密在驱动级上实现速度可观过程自动、实时和透明化。加载磁盘后在客户本地生成新的磁盘操作简便、界面友好。

2.3应用市场分析

本作品是基于云计算的网络虚拟磁盘系统采用较为成熟的虚拟磁盘技术通过网络共享构建无缝式的虚拟磁盘环境实现数据多域独立存储和数据隔离并以在云端分布式存储的方式实现了数据便捷、快速、安全共享与权限审核独具特色的共享审批功能在保证用户数据安全、操作简单、使用方便的前提下能提升信息共享行为的合法性和安全性适用于

1、 国家重要部门采用有效的机密文档的安全存储与共享措施保证电子政务安全无忧。

2、行业性强的企事业单位确保重要资料、源码不外泄提供便捷安全的开发环境

同时本作品数据存储与加解密对用户完全透明、界面友好用户无需具备过多的专业知识即可使用对于用户使用方便。

综上所述本作品具有很好的实用价值和应用前景。

2.4相关工作

为了保证企业内部信息数据的全面共享又能提高工作效率保证其安全防止泄密 目前主要有以下五种手段。然而他们都存在一定的缺陷。

1、外网安全系统在计算机安全产品中杀毒软件、防火墙、入侵检测等系统。然而这些系统都是基于外部安全模型的它们可以有效的防止外部黑客入侵带来的电子文档泄密风险但无法阻止内部人员的泄密。当有新的病毒、攻击手段、漏洞等出现时企业必须及时升级软硬件的升级费用常常也是一笔不小的开支。