戰(zhàn) 非，張少茹

（1.西安航空學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 西安710077；2.西安交通大學(xué) 醫(yī)學(xué)院護(hù)理系，陜西 西安710049）

基于云計(jì)算的混合加密DAES算法研究

戰(zhàn) 非1，張少茹2

（1.西安航空學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 西安710077；2.西安交通大學(xué) 醫(yī)學(xué)院護(hù)理系，陜西 西安710049）

文中針對(duì)云計(jì)算的特點(diǎn)，對(duì)云計(jì)算中數(shù)據(jù)混合加密算法進(jìn)行研究。首先分析了傳統(tǒng)對(duì)稱加密算法DES和AES，對(duì)其在云計(jì)算模型中的優(yōu)劣進(jìn)行了對(duì)比，然后結(jié)合Hadoop分布式計(jì)算框架提出了一種DAES混合加密改進(jìn)算法，該算法通過(guò)對(duì)明文劃分進(jìn)行混合加密，并且加入隨機(jī)擾動(dòng)信息，有效的提高了安全性。然后通過(guò)在Hadoop上搭建集群模擬云計(jì)算環(huán)境，對(duì)明文進(jìn)行不同數(shù)據(jù)塊的劃分進(jìn)行加密和解密實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果從安全性和算法執(zhí)行效率等方面橫向?qū)Ρ菵ES算法和AES算法，證明DAES算法更加適用于云計(jì)算環(huán)境中的數(shù)據(jù)加密。

云計(jì)算；對(duì)稱加密算法；Hadoop；DES算法；AES算法

云計(jì)算是一種應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)中的新興計(jì)算模式，將基礎(chǔ)資源設(shè)施、應(yīng)用系統(tǒng)、軟件平臺(tái)等作為服務(wù)提供給用戶[1]。云計(jì)算也是一種以虛擬化為基礎(chǔ)的架構(gòu)方式，能夠?qū)①Y源虛擬化并構(gòu)建規(guī)模較大的資源池，對(duì)外以服務(wù)方式進(jìn)行管理。

隨著云計(jì)算的發(fā)展，海量的用戶數(shù)據(jù)和大型數(shù)據(jù)被放入云計(jì)算系統(tǒng)中，由于云計(jì)算分布式及虛擬化的特點(diǎn)，用戶不能直觀的確定數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)位置和劃分情況等，所以數(shù)據(jù)的安全問(wèn)題就變得非常重要。在云計(jì)算中一般通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)加密和身份管理來(lái)保障數(shù)據(jù)安全。目前常見(jiàn)的加密算法分為對(duì)稱加密算法及公鑰加密算法。其中DES算法和AES算法是目前對(duì)稱加密算法中被廣泛使用的兩種算法。

文中從云計(jì)算框架及實(shí)驗(yàn)環(huán)境Hadoop入手，分析了數(shù)據(jù)加密算法DES和AES針對(duì)云計(jì)算的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種DAES混合加密算法，通過(guò)對(duì)該算法的分析和實(shí)驗(yàn)，橫向?qū)Ρ攘薉ES算法及AES算法，證明了DAES算法更加適合云計(jì)算中數(shù)據(jù)的加密。

1 Hadoop框架分析

Hadoop是Apache基金會(huì)所開(kāi)發(fā)的一種分布式計(jì)算框架，非常適用于云計(jì)算環(huán)境，可以對(duì)海量的數(shù)據(jù)提供存儲(chǔ)和計(jì)算[2]。Hadoop框架最核心的設(shè)計(jì)就是分布式文件系統(tǒng)（HDFS）和并行計(jì)算框架（MapReduce）。HFDS負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分配和提供存儲(chǔ)，MapReduce負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)提供計(jì)算。

1.1 HDFS系統(tǒng)

HDFS本質(zhì)是一種分布式文件系統(tǒng)，它可以將一個(gè)大的數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分，形成若干小的數(shù)據(jù)集，并對(duì)其進(jìn)行備份，分布存儲(chǔ)于云環(huán)境中的不同節(jié)點(diǎn)上[3]。但對(duì)于單個(gè)用戶來(lái)說(shuō)，HDFS就好像一個(gè)傳統(tǒng)的分級(jí)文件系統(tǒng)，在使用時(shí)可以像操作單個(gè)文件一樣對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。

HDFS框架是基于一組特定節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的，這些節(jié)點(diǎn)包括唯一的一個(gè)NameNode，用來(lái)提供元數(shù)據(jù)服務(wù)，指導(dǎo)計(jì)算節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)處理所分配的任務(wù)；多個(gè)DataNode，主要為HDFS提供存儲(chǔ)塊，并進(jìn)行分布式文件的讀寫(xiě)操作。Hadoop平臺(tái)中數(shù)據(jù)冗余為三，每一塊數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)在3個(gè)DataNode之中[4]。

在云計(jì)算環(huán)境中，HDFS通過(guò)以下措施保證海量數(shù)據(jù)的可靠存儲(chǔ)。DataNode定期給NameNode發(fā)送“心跳”報(bào)文，并發(fā)送數(shù)據(jù)塊列表信息，判斷該節(jié)點(diǎn)是否正常；提供安全模式，在該模式下只提供只讀視圖，不允許進(jìn)行增刪改操作；記錄詳細(xì)的日志文件；對(duì)用戶所取數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性檢測(cè)[5]。

1.2 MapReduce框架

MapReduce是一種并行處理大數(shù)據(jù)集的軟件框架。MapReduce的根源是函數(shù)性編程中的map（）和reduce（）函數(shù)，對(duì)應(yīng)計(jì)算過(guò)程中的映射和規(guī)約。Map過(guò)程中接受一組數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為一個(gè)鍵/值對(duì)列表，然后對(duì)其進(jìn)行傳輸和重新排序。Reduce過(guò)程中接受Map生成的列表，然后根據(jù)它們的鍵（為每個(gè)鍵生成一個(gè)鍵/值對(duì)）縮小鍵/值對(duì)列表。也就是說(shuō)，Reduce過(guò)程對(duì)Map過(guò)程產(chǎn)生的中間結(jié)果進(jìn)行處理整合和排序，進(jìn)而形成最終結(jié)果。

2 傳統(tǒng)加密算法

云計(jì)算中數(shù)據(jù)量非常大，并且往往分散在不同的計(jì)算節(jié)點(diǎn)上，安全性的保障顯得至關(guān)重要，通過(guò)加密算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密是保證數(shù)據(jù)安全的最有效方法之一。文中主要討論傳統(tǒng)加密算法中的對(duì)稱加密算法并進(jìn)行改進(jìn)。

對(duì)稱加密算法指使用同一個(gè)秘鑰進(jìn)行加密和解密，如DES和AES算法。一個(gè)對(duì)稱加密系統(tǒng)構(gòu)成可表示為CS={M，C，K，e，d}，其中：

M={m}代表明文消息集；

C={c}代表密文消息集；

K={k}代表密鑰集；

E代表加密映射過(guò)程，即E:K*M=C；

D代表解密映射過(guò)程，即D:K*C=M

2.1 DES算法和AES算法分析

DES算法執(zhí)行過(guò)程中，對(duì)明文以64比特進(jìn)行分組，最后一組不滿64比特的按照特定方法進(jìn)行補(bǔ)齊，密鑰長(zhǎng)度為8個(gè)字節(jié)，但有8個(gè)比特位為校驗(yàn)位。在加密階段，首先通過(guò)初始置換將明文分為32位的兩部分，用左半部分和右半部分代表。然后進(jìn)行16輪運(yùn)算，對(duì)數(shù)據(jù)和密鑰進(jìn)行結(jié)合。在每一輪運(yùn)算中對(duì)密鑰進(jìn)行移位，在選取密鑰56位中的48位，將右半部分的原始32位通過(guò)擴(kuò)展置換為48位，然后進(jìn)行異或操作和48位密鑰結(jié)合，再通過(guò)S盒將此48位轉(zhuǎn)換為32位，然后再與左半部分原始32位進(jìn)行異或操作。最后通過(guò)逆初始置換，得到最終的密文。算法流程圖如圖1所示。

圖1 DES算法流程圖

AES算法同樣是對(duì)稱密鑰加密經(jīng)典算法，AES中設(shè)區(qū)塊長(zhǎng)度為128比特，密鑰長(zhǎng)度可以選擇128比特，192比特或256比特。AES加密過(guò)程是在一個(gè)4×4的字節(jié)矩陣上運(yùn)作。AES加密過(guò)程主要進(jìn)行4類操作：

1）字節(jié)替換（SubBytes），指通過(guò)S盒，用查找表的方式對(duì)每個(gè)字節(jié)進(jìn)行替換。

2）行移位（ShiftRows），將4×4矩陣中的每行執(zhí)行循環(huán)移位操作。

3）列混淆（MixColumns），使用線性轉(zhuǎn)換來(lái)混合每列的4個(gè)字節(jié)。

4）輪密鑰加（AddRoundKey），指加密過(guò)程中每輪輸入與輪密鑰進(jìn)行異或操作，解密過(guò)程中再異或操作該輪密鑰。

AES具體算法流程如圖2所示。

圖2 AES算法流程圖

2.2 云計(jì)算中DES和AES算法的不足

隨著云計(jì)算能力不斷提高以及計(jì)算機(jī)硬件的快速發(fā)展，對(duì)于DES加密算法而言，它的最大短板就是密鑰太短。密鑰長(zhǎng)度64位去除8位校驗(yàn)位，實(shí)際有效位數(shù)僅56位，若采用窮舉法進(jìn)行破解的話，只需要計(jì)算256種可能，特別是采用云平臺(tái)的計(jì)算能力，在短時(shí)間完成破解密鑰已成為可能。對(duì)于AES算法而言，其密鑰長(zhǎng)度最高達(dá)到256位，采用窮舉法進(jìn)行強(qiáng)行破解的可能性很小，但并非該算法是絕對(duì)安全的，若攻擊者設(shè)計(jì)不同密鑰測(cè)量出加密過(guò)程所需的精確時(shí)間。一旦加密例程被粗心編碼，執(zhí)行時(shí)間便依賴于密鑰值，就有可能推導(dǎo)出有關(guān)密鑰的信息[6-7]。

3 混合加密DAES算法分析

通過(guò)上節(jié)對(duì)兩種傳統(tǒng)加密算法優(yōu)劣的討論，為了更加適應(yīng)云計(jì)算中對(duì)加密算法安全性的要求，這里提出一種基于 DES和 AES的混合加密算法DAES并對(duì)其進(jìn)行研究。

3.1 DAES算法流程

DAES算法基于DES和AES算法的線性組合，并且為了進(jìn)一步提高線性組合算法的安全性，在算法執(zhí)行過(guò)程中加入干擾信息。算法加密流程如下：

1）DAES算法首先對(duì)明文數(shù)據(jù)M等比例分割，形成明文MD和MA；

2）提取當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間后三位毫秒數(shù)字作為干擾信息，加入MD和MA末尾形成新明文MD1和MA1；

3）對(duì)MD1通過(guò)密鑰K1進(jìn)行DES加密，生成密文CD。對(duì)MA1通過(guò)密鑰K2進(jìn)行AES加密，生成密文CA；

4）通過(guò)CD和CA進(jìn)行線性組合得到實(shí)際密文C；

DAES算法加密流程圖如圖3所示。

圖3 DAES算法加密流程圖

DAES算法解密流程為加密的逆過(guò)程，首先將密文C分割為CD和CA，對(duì)CD通過(guò)密鑰K1解密生成中間明文MD1，對(duì)CA通過(guò)密鑰K2解密生成中間明文MA1；然后分別去除最后三位的干擾信息，形成明文MD和MA；對(duì)二者進(jìn)行組合得到最終明文M。解密算法流程圖如圖4所示。

圖4 DAES算法解密流程圖

3.2 DAES算法安全性分析

DAES算法基于DES和AES算法的混合，兩種不同設(shè)計(jì)算法共同保證DAES的安全性，可以更好的對(duì)抗攻擊?，F(xiàn)從如下幾方面對(duì)安全性進(jìn)行分析：

1）密鑰長(zhǎng)度分析：DES算法密鑰為64位，AES算法密鑰最短為128位，所以混合加密算法DAES的密鑰長(zhǎng)度最短達(dá)到192位，這個(gè)密鑰長(zhǎng)度能夠有效的阻擋暴力破解。

2）明文敏感性分析：如果沒(méi)有干擾信息的加入，變換的明文分割后若落在MD段則明文敏感性同DES算法；若落在MA段則明文敏感性同AES算法。但由于算法執(zhí)行過(guò)程中，針對(duì)兩段明文都加入了隨機(jī)變化干擾信息，DAES算法相對(duì)AES和DES具有更好的明文敏感性。

3）密鑰敏感性分析：DAES算法密鑰敏感性由混合AES和DES算法共同決定。若改變密鑰K1則對(duì)應(yīng)改變中間明文MD1對(duì)應(yīng)密文；若改變密鑰K2則對(duì)應(yīng)改變中間明文MA1對(duì)應(yīng)密文。當(dāng)密鑰有細(xì)小變化都會(huì)對(duì)最終密文產(chǎn)生較大的改變，該算法具有良好的密鑰敏感性。

4）對(duì)抗攻擊分析：攻擊者攻擊DAES算法意味著同時(shí)需要攻破DES和AES算法。對(duì)于密文攻擊而言，所獲得的密文剛好位于分割點(diǎn)的概率很小，即便獲得密鑰進(jìn)行解密，從密文CD和CA也無(wú)法對(duì)應(yīng)到分割后的明文MD和MA，就更難獲得原始明文M。同樣，對(duì)于明文攻擊也難以推測(cè)原始明文信息。

4 Hadoop平臺(tái)實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)配置和搭建

本次實(shí)驗(yàn)在Java環(huán)境中配置SSH框架，實(shí)現(xiàn)Hadoop平臺(tái)搭建集群模擬云計(jì)算環(huán)境，集群由6臺(tái)計(jì)算機(jī)組成，其中一臺(tái)配置為“CPU I7-4790，8 G內(nèi)存，主頻3.2 GHz，1T硬盤(pán)”作為NameNode，扮演Master和JobTracker的角色。為了更好模擬云環(huán)境，其余5臺(tái)計(jì)算機(jī)選取實(shí)驗(yàn)室中配置各不相同的5臺(tái)機(jī)器，作為Slave和DataNode。

因?yàn)樵朴?jì)算中最大的優(yōu)勢(shì)就是處理大型數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和計(jì)算，所以本次實(shí)驗(yàn)選取了大小為1 116.92 MB的文本文件作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在Hadoop平臺(tái)下通過(guò)MapReduce對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，測(cè)試DAES算法的性能，并橫向?qū)Ρ菵ES和AES算法。因?yàn)樯瞎?jié)已經(jīng)從多個(gè)方面分析了DAES算法得安全性，所以本次實(shí)驗(yàn)主要測(cè)試算法的執(zhí)行效率。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

MapReduce對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算默認(rèn)以64 MB為單位劃分?jǐn)?shù)據(jù)塊，為了更直觀的表現(xiàn)算法性能，試驗(yàn)中分別設(shè)置了64 MB、32 MB、16 MB、8 MB、4 MB和2 MB的文件分塊大小。分別測(cè)試DAES、DES和AES算法。進(jìn)行8組加密實(shí)驗(yàn)和8組解密試驗(yàn)，取算法的平均執(zhí)行時(shí)間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 平均加密時(shí)間對(duì)比圖

圖6 平均解密時(shí)間對(duì)比圖

由圖5和圖6可分析得出，在Hadoop平臺(tái)中，原始數(shù)據(jù)的分塊大小對(duì)3種算法的執(zhí)行效率都存在類似的影響，從64 MB分塊值變化至32 MB或16 MB分塊值時(shí)3種算法執(zhí)行效率最高，若繼續(xù)減小分塊值特別是當(dāng)分塊值為2 MB時(shí)，3種算法執(zhí)行時(shí)間都急劇上升，這是因?yàn)楫?dāng)數(shù)據(jù)塊單位過(guò)小，分塊數(shù)量就會(huì)激增，在MapReduce計(jì)算中，Reduce過(guò)程對(duì)Map過(guò)程產(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)行整合排序的時(shí)間就越長(zhǎng)。所以在云計(jì)算中，對(duì)大型數(shù)據(jù)的劃分應(yīng)取適當(dāng)?shù)膯挝?，否則會(huì)影響計(jì)算時(shí)間。

3種算法的橫向比較由圖5和圖6可以分析得出，DAES算法和AES算法在加密和解密過(guò)程中的執(zhí)行效率遠(yuǎn)高于DES算法，同時(shí)其二者的密鑰長(zhǎng)度也都高于DES算法，可以說(shuō)DAES和AES算法優(yōu)于DES算法。AES算法從執(zhí)行時(shí)間上優(yōu)于DAES算法，但二者差距并不算大，試驗(yàn)中采用6臺(tái)普通個(gè)人計(jì)算機(jī)構(gòu)建集群進(jìn)行計(jì)算，在實(shí)際的云計(jì)算環(huán)境下其二者的執(zhí)行時(shí)間差距還會(huì)進(jìn)一步縮小。通過(guò)第4節(jié)的分析可知，DAES算法從安全性上來(lái)說(shuō)要更優(yōu)于AES算法。綜上所述，DAES算法是一種兼顧安全性和執(zhí)行效率的混合加密算法，適合于云計(jì)算環(huán)境。

5 結(jié)束語(yǔ)

云計(jì)算作為一種有廣泛前途的商業(yè)計(jì)算模式，建立在將大量資源虛擬化的基礎(chǔ)上，可以對(duì)大型海量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和管理，根據(jù)用戶對(duì)作業(yè)量的需求提供服務(wù)。文中分析了Hadoop技術(shù)并構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在其上對(duì)數(shù)據(jù)加密算法進(jìn)行研究。首先介紹了傳統(tǒng)加密算法DES和AES的基本原理，并針對(duì)云計(jì)算環(huán)境下兩種算法的不足進(jìn)行了分析，提出了一種混合加密算法DAES并進(jìn)行試驗(yàn)，橫向?qū)Ρ葌鹘y(tǒng)DES和AES算法，證明DAES算法是一種適合云計(jì)算環(huán)境下的加密算法。

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Research on hybrid encryption DAES algorithm based on cloud computing

ZHAN Fei1，ZHANG Shao-ru2
（1.School of Computer Science，Xi'an Aeronautical Universities，Xi'an 710077，China；2.Health Science Center，Xian Jiaotong University，Xi'an 710049，China）

According to the characteristics of cloud computing，this paper analyzes the Hadoop distributed computing framework，and studies the data encryption algorithm in cloud computing.Firstly，the traditional encryption algorithm of DES and AES are analyzed， and the advantages and disadvantages of the algorithm in the cloud computing model are compared，and then a DAES hybrid encryption algorithm is proposed，and analyzed.Finally，experiments on the Hadoop platform，through the comparison of the division of the different data blocks and the efficiency of the algorithm，the DAES algorithm is more suitable for the data encryption in the cloud computing environment.

cloud computing；symmetric encryption algorithm；Hadoop；DES；AES

TN919

：A

：1674－6236（2017）03-0185-05

2016-06-07稿件編號(hào)：201606053

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（71373203）

戰(zhàn) 非（1981—），男，陜西西安人，碩士，講師。研究方向：軟件工程、通信工程、軟件開(kāi)發(fā)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。