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基于 RaptorQ 码的网络资源安全云存储结构设计论文

发布时间:2021-12-29 17:05:37 文章来源:SCI论文网 我要评论














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 摘   要:
随着云计算在数据存储中的应用越来越广泛,如何保证数据服务的可靠性, 即数据的正确性和可用性变得非常 重要。本文提出了一种基于 RaptorQ 码的块级云存储(Block-level Cloud Storage,BLCS)体系结构,该体系结构能够在云 数据存储系统中提供足够的信息访问和传输性能,数据可用性,完整性和机密性。性能分析和实验结果表明,我们提出的基于 RaptorQ 码的存储结构能够在数据检索中实现较低的存储,计算和通信开销,但具有较高的扇区可用性,数据保密性和数据完 整性。

关键词:云存储 ;RaptorQ 代码 ;块级存储系统

Design of Structure for Network Resource Security Cloud Storage Based on RaptorQ Code

GAO Fei, ZHAO Na
(Beijing Polytechnic, Beijing 100176)

【Abstract】: As cloud computing is more and more widely used in data storage, how to ensure the reliability of data service, that is, the correctness and availability of data becomes very important. This paper proposes a Block- level Cloud Storage (BLCS) architecture based on RaptorQ code, which can provide sufficient information access and transmission performance, data availability, integrity and confidentiality in cloud data storage system. Performance analysis and experimental results show that the proposed storage structure based on RaptorQ code can achieve lower storage, computation and communication costs in data retrieval, but has higher sector availability, data confidentiality and data integrity.

【Key words】: cloud storage;RaptorQ code;block-level storage system

0 引言

近年来,云存储越来越普及,因为由任何现成操作 系统支持的块级存储系统能够支持需要访问持久原始块 设备的云用户 / 应用程序,并且能够透明地提供用于格 式化它们的任何现成文件系统。块级存储系统比分布式 文件系统和基于对象的存储系统更适合于云存储。块级 云存储(Block-level Cloud Storage,BLCS) 系统 [1] 的典型体系结构包括一个前端,为用户 / 应用程序提供一 组抽象磁盘操作,和实现用户 / 应用程序的后端在一组 物理存储资源上的操作。传统的后端在单个服务器上提 供每个虚拟磁盘 (VD)。后端受到性能和可用性问题的影响,因为存储服务器是单点故障,很容易成为瓶颈。

BLCS 系统在过去的十年中得到了积极的研究,并 提出了一些传统的解决方案, 如 Amazon EBS,Open Nebula,Virtual Block Store,Eucalyptus Block- Based Storage 等。这类系统的后端基于卷服务器,因此 这些系统存在性能和可用性问题。此外,传统的 BLCS 系统没有采用一种整体方法来同时提供足够级别的数据可用性,完整性和保密性。因此,传统的 BLCS 系统必 须采用外生机制(如全部门机制复制,最先进的机密性 机制和最先进的完整性机制,但可用性,完整性和机密 性往往只是部分令人满意。一个较好的解决方案是基于编码的 BLCS 系统。文献 [2] 综述了编码技术在分布式存储中的应用。基于编码的 BLCS 系统主要解决了存储在永久离开存储基础设施的节点上的片段的重构问题 [3]。在 LT 中,无速率代码被用于设计基于文件的云存储系统。该工作表明 LT 代码可以被利用来实现高可用性和安全性,并且主要处理数据完整性和数据修复。文献 [4]为 BLCS 系统的后端设计了一种基于 LT 无速率码的合适的体系结构,该体系结构为其存储的数据实现了足够级别的访问和传输性能,可用性,完整性和保密性。此外,基于编码的 BLCS 系统在可用性,完整性和保密性 方面都优于传统的 BLCS 系统。RaptorQ[5] 是 Raptor 代码的增强型和最新版本,在可用性,完整性和保密性 方面优于 LT 代码。

本文提出了一种基于 RaptorQ 码的块级云存储(Block- level Cloud Storage,BLCS) 体系结构, 该体系结构 能够在云数据存储系统中提供足够的信息访问和传输性 能,数据可用性,完整性和机密性。性能分析和实验结 果表明,我们提出的基于 RaptorQ 码的存储结构能够 在数据检索中实现较低的存储,计算和通信开销,但具 有较高的扇区可用性,数据保密性和数据完整性。

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1 方法

1.1 用于云存储的 RaptorQ 代码


RaptorQ 可以提供增强的保护,同时实现对所需传 输 / 存储开销和编码过程开销的高度降低。此外,解码 性能几乎与数据单元大小 K 无关。为了避免增加编码复 杂度,RaptorQ 巧妙地结合了高效的 Galois Field GF (256) 运算和低复杂度的 GF(2) 运算,使得绝大多数符 号运算都在 GF(2) 之上,只有一小部分在 GF(256) 之 上。RaptorQ 实现了比旧的 Raptor 码和 LT 码更低的 计算复杂度。然而,这种出色性能的折衷是解码复杂度 的急剧上升。考虑到 RaptorQ 不需要其他额外的加密 编 / 解码过程和信道保护编 / 解码过程,提高译码复杂 度是成本有效的。RaptorQ 为安全云存储提供了以下关 键属性 :

(1)线性时间编码和解码使 RaptorQ 能够部署在 绝大多数 CPU 中,这对于云环境来说是必不可少的。

(2)高效、完整地从与源数据大小本质上相等的编码数据的任意组合中恢复原始源数据,独立于哪个存储 节点正常,哪个存储节点宕机。

(3)RaptorQ 可以灵活地操作各种大小的源数据 (56,403 ≧ k ≧ 1) ,任何编码数据对于源数据的重建都 同样重要。这对于云存储系统中的读取和修复操作至关重要。

1.2 系统架构和操作

RQSBLC 为客户端提供对任意 VD 集的访问,每个 VD 包含一组连续编号的虚拟扇区。RQSBLCS 体系结 构由一个门户,一组 nt.0#] 存储节点,一组 NC 簇头和 一组 nt.1#] 代理组成,如图 1 所示。

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所有客户端都访问门户,以便将其数据读写到扇 区。门户根据扇区所属的 VDs 将客户端分配给相应的 代理。每个代理管理一组 VD,并向客户端提供对这些 VD 的访问。单个代理可以管理的 VD 数量仅取决于它 运行的计算机的性能。代理可以利用外部机制来提高读 写性能。出于可伸缩性的目的,并且为了实现良好的负 载均衡,RQSBLC 中的存储节点被组织成层次结构。所 有 n.0#] 存储节点被平均划分为 NC 个大小相等的集群。 每个存储节点属于单个集群。簇头管理簇中的 SC 存储节 点,并负责执行代理发出的读 / 写操作。显然 RQSBLCS 中有 NC 簇头 RQSBLCS 将编码片段存储在存储节点 中,将扇区与相应存储节点的映射存储在簇头中,相应 的编码片段信息分别存储在代理中,增加了数据安全 性。每个 VD 由单个代理独占管理,该代理维护所有虚 拟扇区信息(扇区被编码到哪个编码片段)和编码片段 信息(哪个信息片段或代理将给定扇区的编码片断分派 给簇头,但将所有编码片断信息存储在本地。只有代理 知道编码片断信息并能够解码扇区。然后簇头将编码片 断分派给属于其簇的 x 个不同存储节点。

假设虚拟扇区大小为 Dy 字节,每个分片的大小为 fs=Dv/k,一个分片从存储节点正确传输到代理的概率 为 p (12p20)。RQSBLCS 可以从任何 q2k 编码的片段 中恢复概率大于 999 的扇区,所以当代理从不同存储节 点正确接收到超过 k 个编码的片段时,不需要恢复丢失 的片段。

1.3 性能分析

1.3.1 部门提供情况

在 RQSBLCS 中,由于存储 n 个编码片段的存储节 点不可用而引起的扇区不可用,通过选择合适的 x 和 n 值来处理。x 和 n 越大,可用度越高。由于更多的编码 片段和存储节点使得即使某些存储节点损坏也可以重建 原始扇区。

1.3.2 数据保密

代理维护关于扇区的所有 n 个编码片段信息。簇头 存储扇区和相应的 x 个存储节点之间的映射。存储节点 存储 m 个 (.0.]) 编码片段。未经授权的用户必须访问代 理,簇头和至少两个存储节点才能得到原始扇区。尽管 如此,它们都不会透露给未经授权的用户。

1.3.3 数据完整性

当信息在其预期接收者读取之前被故意或意外地损 坏或更改时,数据完整性可能会受到损害。在 RQSBLCS 中,它意味着某些恶意节点故意修改它们存储的某些片 段。RQSBLC 中有保护数据完整性的规则。簇头存储存 储在一个存储节点中的对应 m 个编码片段的数字签名, 并定期检查每个存储节点。如果数字签名不能与它们存 储的 n/0#] 编码片段匹配,簇头执行修复操作来修复损 坏的存储节点。

2 结论

本文研究了云存储系统中的安全可靠存储问题。提出了一种基于 RaptorQ 码的块级云存储(Block-level Cloud Storage,BLCS)体系结构,该体系结构能够在 云数据存储系统中提供足够的信息访问和传输性能,数 据可用性,完整性和机密性。性能分析和实验结果表 明,我们提出的基于 RaptorQ 码的存储结构能够在数 据检索中实现较低的存储,计算和通信开销,但具有较 高的扇区可用性,数据保密性和数据完整性。

参考文献

[1] H.Dewan R.Hansdah,A survey of cloud storage facilities [J].IEEE World Congr.Services,2011:224‒231.
[2] A.G.Dimakis,K.Ramchandran,Y.Wu,C.Suh,A survey on network codes for distributed storage[J].IEEE,2011,99 (3):476‒489.
[3] N.Cao,S.Yu,Z.Yang,W.Lou,Y.Hou,L T codes-based secure and reliable cloud storage service[C].IEEE INFOCOM,2012: 693‒701.
[4] C.Anglano,R.Gaeta,M.Grangetto,Exploiting Rateless Codes in Cloud Storage Systems[J].IEEE Trans.Parallel Distrib.Syst.,2015,26(5):1313‒1322.
[5] Luby M,Shokrollahi A,Watson M,et al.RaptorQ Forward Error Correction Scheme for Object Delivery[J].IETF RMT draft-ietf-rmt-bb-fec-raptorq-04,2007.

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