Luận án: Giải pháp xác thực an toàn và quản lý khoá cho cơ sở dữ liệu thuê ngoài (Hồ Kim Giàu)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ HỒ KIM GIÀU NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN GIẢI PHÁP XÁC THỰC AN TOÀN VÀ QUẢN LÝ KHOÁ CHO CƠ SỞ DỮ LIỆU THUÊ NGOÀI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ HỒ KIM GIÀU NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN GIẢI PHÁP XÁC THỰC AN TOÀN VÀ QUẢN LÝ KHOÁ CHO CƠ SỞ DỮ LIỆU THUÊ NGOÀI Chuyên ngành: CƠ SỞ TOÁN HỌC CHO TIN HỌC Mã số: 9 46 01 10 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN HIẾU MINH HÀ NỘI - 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của cán bộ hướng dẫn. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào trước đây. Hà Nội, ngày 28 tháng 9 năm 2021 Nghiên cứu sinh Hồ Kim Giàu LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án, nghiên cứu sinh đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ tận tình, các ý kiến đóng góp quý báu của các Thầy, Cô, các nhà khoa học; Sự động viên, chia sẻ của bạn bè, đồng nghiệp và gia đình. Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Hiếu Minh.

Thầy đã nhiệt tình, tận tâm định hướng, hướng dẫn, giúp đỡ nghiên cứu sinh trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án này. Nghiên cứu sinh tỏ lòng biết ơn đến Thầy TS Lều Đức Tân, Thầy đã chỉ bảo cho nghiên cứu sinh những bài học, những kiến thức quý giá trong quá trình nghiên cứu. Nghiên cứu sinh trân trọng cám ơn quý Thầy, Cô giáo khoa Công nghệ Thông tin, Học viện Kỹ thuật Quân sự đã tận tình giảng dạy, giúp đỡ trong thời gian nghiên cứu sinh học tập, nghiên cứu tại đây. Nghiên cứu sinh gửi lời cảm ơn đến trường Sĩ quan Thông tin, Binh chủng Thông tin Liên lạc, phòng Sau đại học, Bộ môn Công nghệ mạng, Học viện Kỹ thuật Quân sự đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho nghiên cứu sinh được đi học tập, nghiên cứu, và hoàn thành luận án này.

Cuối cùng, nghiên cứu sinh gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè và đồng nghiệp, những người đã luôn ủng hộ, tạo niềm tin, động viên, chia sẻ những khó khăn với nghiên cứu sinh trong suốt thời gian vừa qua. Hà Nội, tháng 9 năm 2021 Hồ Kim Giàu MỤC LỤC MỤC LỤC. i DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT. iv DANH MỤC KÝ HIỆU.

vi DANH MỤC HÌNH VẼ. vii DANH MỤC BẢNG. viii DANH MỤC THUẬT TOÁN. ix MỞ ĐẦU.

NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ AN TOÀN ODBS 9 1. Tổng quan về an toàn ODBS. Giới thiệu về CSDL quan hệ. Giới thiệu ODBS.

Những nguy cơ mất an toàn ODBS. Các bài toán bảo đảm an toàn ODBS. Những nghiên cứu về an toàn cho ODBS. Nghiên cứu trong nước.

Nghiên cứu ngoài nước. Các bài toán được giải quyết trong luận án. Một số kiến thức liên quan. Xử lý song song.

Hệ thống tệp tin trong không gian người dùng. Lưu trữ khóa-giá trị. Mô hình lập trình MapReduce. Bộ dữ liệu mẫu TPC-H.

GIẢM THỜI GIAN TRUY VẤN VÀ XÁC THỰC KHI TRUY VẤN CSDL MÃ TRÊN ODBS. Giới thiệu chung. Giảm thời gian thực thi truy vấn trên dữ liệu mã. Một số phương pháp truy vấn trên dữ liệu mã.

Giảm thời gian khi truy vấn trên CSDL mã. Lược đồ xác thực lô dựa trên hai bài toán khó. Tham số miền. Lược đồ xác thực lô Rabin-Schnorr.

Lược đồ xác thực lô RSA-Schnorr. Nâng cao tính an toàn và hiệu quả cho hai lược đồ Rabin-Schnorr và RSA-Schnorr. Xác thực dữ liệu mã hóa thuê ngoài. Mô hình xác thực.

Quá trình hoạt động. Một số trường hợp truy vấn CSDL. Phân tích, đánh giá các phương pháp đề xuất. Phân tích, đánh giá phương pháp giảm thời gian truy vấn.

Phân tích, đánh giá phương pháp xác thực dữ liệu mã. QUẢN LÝ, THAY ĐỔI KHOÁ MÃ CỦA ODBS 80 3. Giới thiệu chung. Quản lý khóa và quyền truy cập.

Quản lý quyền truy cập dữ liệu. Đề xuất mô hình quản lý khoá và quyền truy cập. Mô hình quản lý khoá. Xây dựng hệ thống tệp mã hóa trên Linux sử dụng kho lưu trữ khóa-giá trị.

Mô hình quản lý truy cập dữ liệu mức cột của người dùng. Đề xuất phương pháp thay đổi khóa mã cho ODBS. Phương pháp đổi khoá ngây thơ. Đề xuất phương pháp đổi khoá dựa trên MapReduce.

Đảm bảo an toàn cho phương pháp thay đổi khoá. Phân tích, thử nghiệm các phương pháp đề xuất. Phân tích KVEFS. Thử nghiệm phương pháp thay đổi khoá.

Vấn đề tồn tại của phương pháp đề xuất. 98 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. 100 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ. 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

104 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt ADS Authenticated Data Structure Cấu trúc dữ liệu xác thực Adv Adversary Kẻ tấn công AES Advanced Encryption Standard Tiêu chuẩn mã hóa tiên tiến API Application programming interface Giao diện lập trình AQE Adjustable Query-based Encryption Mã hóa dựa trên truy vấn có thể điều chỉnh CRT Chinese Remainder Theorem Định lý số dư Trung Hoa CSDL Database Cơ sở dữ liệu quan hệ DBMS Database Management Systems Hệ quản trị CSDL DES Data Encryption Standard Tiêu chuẩn mã hóa dữ liệu DET Deterministic Mã hóa tất định DLP Discrete Logarithm Problem Bài toán logarit rời rạc DO Data Owner Chủ sở hữu dữ liệu DSA Digital Signature Algorithm Thuật toán chữ ký số DSP Database Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ CSDL DSS Digital Signature Standard Chuẩn chữ ký số FPE Format Preserving Encryption Mã hóa bảo toàn định dạng FQE Fuzzy Query Encryption Mã hóa truy vấn mờ FUSE Filesystem in Userspace Hệ thống tập tin trong không gian người dùng GUI Graphical User Interface Giao diện đồ hoạ người dùng HDFS Hadoop Distributed File System Hệ thống tập tin của Hadoop HOM Homomorphic Encryption Mã hóa đồng cấu IaaS Infrastructure as a Service Hạ tầng như một dịch vụ iv v IDS Intrusion Detection System Hệ thống phát hiện xâm nhập IFP Integer Factorization Problem Bài toán phân tích số IV Initialization vector Vector khởi tạo JDBC Java Database Connectivity Chuẩn kết nối dữ liệu của java KMT Key Management Tree Cây quản lý khóa MHT Merkle Hash Tree Cây hàm băm Merkle ODBS Outsourced Database Service Dịch vụ CSDL thuê ngoài OPE Order-Preserving Encryption Mã hóa bảo toàn thứ tự PaaS Platform as a Service Nền tảng như một dịch vụ RPC Remote Procedure Call Gọi thủ tục từ xa RST Resource Set Tree Cây tập tài nguyên SaaS Software as a Service Phần mềm như một dịch vụ SQL Structured Query Language Ngôn ngữ truy vấn có cấu trúc SQLAE SQL-aware Encryption Mã hóa nhận thức SQL SSE Searchable Strong Encryption Mã hóa mạnh có thể tìm kiếm TLS Transport Layer Security Bảo mật tầng giao vận UDF User Defined Function Hàm do người dùng định nghĩa VFS Virtual file systems Hệ thống tệp tin ảo VO Verification Object Đối tượng xác thực DANH MỤC KÝ HIỆU Kí hiệu Ý nghĩa {0,1}∞ Chuỗi bit có độ dài bất kỳ || Phép toán nối chuỗi H() Hàm băm mật mã (Hash function) Ek (m) Hàm mã hoá (ví dụ: DES, AES.) dữ liệu m với khoá k Dk (c) Hàm giải mã dữ liệu c với khoá k (Hàm ngược của Ek ) readKM T () Hàm đọc cây khoá KMT gcd(a,b) Ước số chung lớn nhất của a và b S(m) Hàm tạo chữ ký cho dữ liệu m V (σi ) Hàm xác thực lô cho nhiều chữ ký σi len(a) Độ dài của a tjoin (Di ) Chi phí trung bình (TB) ghép các bảng CSDL D1 , D2 ,. tinsert (T ) Chi phí trung bình lưu trữ bảng T lên CSDL tenc Chi phí TB thực hiện mã hoá tdec Chi phí TB thực hiện giải mã tH Chi phí TB cho một phép tính hàm H: {0,1}∞ → {0,1}h. tgen Chi phí TB thực hiện tạo khóa của hàm KeyGen() tread Chi phí TB thực hiện đọc cây KMT tM (N ) Chi phí TB cho phép nhân hai số N-bít tRed (N ) Chi phí TB cho phép rút gọn một số 2N-bít theo modulo N-bít tm (N ) Chi phí TB cho phép nhân rút gọn theo modulo n với len(n) = N texp (N ,L) Chi phí TB cho phép tính ae mod n với len(e) = N và len(n) = L tgcd (N ) Chi phí TB cho phép tính gcd(a,b) với len(a), len(b) ≤ N tJacobi (N ) Chi phí TB cho phép tính ( na ) với len(n) = N vi DANH MỤC HÌNH VẼ 1.1 Mô hình tổng quát của ODBS .2 Quá trình xử lý tuần tự và song song .3 Kiến trúc của FUSE [77] .4 Mô hình lớp của OpenStars [59] .5 Tiến trình xử lý của MapReduce [87] .1 Mô hình ODBS với CSDL mã .2 Mô hình truy vấn trên dữ liệu mã được Hacigumus đề xuất [32] .3 Mô hình mã hoá củ hành (Onion) do Popa đề xuất [60] .4 Mô hình truy vấn trên dữ liệu mã do Popa đề xuất [60] .6 Mô hình xử lý song song trên dữ liệu mã .7 Mô hình xác thực dữ liệu mã khi truy vấn ODBS .8 Chi tiết các bước xác thực dữ liệu mã khi truy vấn ODBS .9 Quá trình cập nhập và xoá dữ liệu mã trên ODBS .10 Thời gian xác thực chữ ký .1 Cây quản lý khoá KMT của CSDL .2 Mô hình của KVEFS .3 Mô hình truy cập dữ liệu mức cột của người dùng .4 Mô hình đổi khoá dựa trên MapReduce .5 Kết quả thời gian thực hiện đổi khoá. 97 vii DANH MỤC BẢNG 1 Tình trạng rò rỉ dữ liệu [83] .1 Số lượng bản ghi của các bảng trong TPC-H với dbgen -s 1 .1 Bảng DIEMSV rõ và bảng DIEM SV S mã .2 Kích thước tương đương về độ an toàn của các tham số RSA và DL53 2.3 Thời gian thực hiện truy vấn (ms) .4 Thời gian xử lý (ms) theo thử nghiệm của Ahmad [4] .5 So sánh phương pháp giảm thời gian truy vấn trên dữ liệu mã .6 Chi phí tiết kiệm được của lược đồ cải tiến tương ứng với cặp (L, N) cho trong bảng 2.7 Thời gian thực hiện các công việc của thuật toán chữ ký số .8 Thời gian thực hiện các giai đoạn xác thực ODBS .9 Thời gian thực hiện tạo chữ ký (s) .10 Thời gian thực hiện xác thực (s) .1 Ma trận kiểm soát truy cập cho bảng T .2 Cấu trúc quản lý khoá của cây KMT .