基于量子安全的分布式容错云存储应用场景研究

编制说明 本报告围绕基于量子安全的分布式容错云存储的应用场景展开研究。本报告首先介绍了存储技术、容错技术及量子安全相关概念，并列举了分布式容错云存储技术在多个行业领域的应用场景，分析总结了当前分布式云存储系统主流架构，接着本报告提出了基于量子安全的分布式容错云存储技术方案，包括需求分析、方案设计、技术路线实现、技术特点总结等内容。最后本报告对研究内容进行了总结，并给出发展建议。 编写组成员：马春利、赵勇、黄强、李东东、赵梅生、武宏宇、赵于康、王子、周晓刚、刘勇、刘绘 目录 编制说明............................................................1目录................................................................21前言..............................................................12缩略语............................................................13相关技术介绍......................................................23.1存储技术......................................................23.1.1集中式存储................................................33.1.2分布式存储................................................33.2容错技术......................................................43.2.1数据镜像..................................................43.2.2纠删码....................................................43.2.3秘密共享..................................................53.3量子安全......................................................53.3.1基于数学方法..............................................53.3.2基于物理方法..............................................64分布式云存储应用场景..............................................64.1应用场景介绍..................................................74.1.1电子政务云................................................74.1.2金融科技..................................................84.1.3电力行业..................................................94.1.4广电CDN..................................................104.1.5航空电子系统.............................................114.1.6铁路综合视频监控.........................................134.1.7车联网...................................................144.1.8气象数据.................................................154.1.9高校数据中心.............................................174.1.10医疗大数据..............................................184.2应用场景总结.................................................194.2.1DHFS架构.................................................194.2.2Ceph框架.................................................204.2.3Swift框架................................................214.2.4总结及改进思考...........................................22 5基于量子安全的分布式容错云存储...................................235.1需求分析.....................................................235.2方案设计.....................................................245.2.1量子安全保证数据的机密性.................................245.2.2纠删技术实现数据的完整性与容错性.........................255.2.3秘密共享增强用户对密钥的分散存储及数据的管控.............255.3技术路线实现.................................................255.3.1三种存储方案的比较.......................................265.3.2基于量子安全的分布式容错云存储架构.......................275.3.3应用层密钥秘密共享及数据预处理...........................275.3.4系统层的数据存储容错处理.................................315.4技术特点总结.................................................325.4.1存储技术与量子安全相结合.................................325.4.2密钥的秘密共享及分散存储.................................325.4.3密钥密文同存保护.........................................325.4.4纠删码与副本拷贝混合存储策略.............................335.4.5系统低速处理高速处理分离.................................336展望.............................................................337参考文献.........................................................34 1前言 数据存储已成为现代信息技术和数字化社会的基石，深刻影响着各行各业的发展以及人们日常生活的方方面面，其发展与研究的意义非常重大。 通过存储技术使得数据信息可以得到保存与传承；企业和组织中，数据存储已经成为业务运营的核心部分；随着大数据时代的到来，数据存储也成为数据分析与决策的基础；数据存储技术的进步也不断推动着科技创新的发展。比如在人工智能、机器学习等前沿技术方面需要大量的数据进行训练和验证，而高效的数据存储解决方案为这些技术发展提供了坚实基础。 随着云计算技术的发展，数据存储也已进入云存储时代，分布式云存储成为数据云存储的研究热点之一。然而，随着越来越多的个人和企业将敏感信息委托给云服务，数据安全和隐私变得至关重要。数据泄露或未经授权访问的潜在后果是严重的，从经济损失到声誉损害。面对众多的网络威胁和复杂的攻击技术，需要强有力的安全措施来应对防范这些风险。如何更高效更安全地存储数据已经成为云存储最为关注的问题。 QKD(量子密钥分发，Quantum Key Distribution)是一种利用量子态实现安全密钥分发的方案，常用于保障传输数据的安全性。本研究报告探索QKD在传输安全之外更丰富的量子安全服务应用场景，比如数据存储、数据处理等方面，也提供量子安全的能力。 本研究报告首先介绍了分布式云存储及量子安全技术相关概念，总结了分布式云存储当前现状及相关背景研究。接着介绍了当前云存储系统在政务、金融、电力、广电、航空、交通、教育、医疗等多方面领域的应用场景，并对主流云存储系统架构进行了分析总结，并提出了改进思考。本研究报告对三种当前主流的容错存储方案的优缺点对比分析、分布式云存储系统如何融入量子安全、如何高效容错存储、在单用户和多用户场景下的密钥安全保护及分散存储、数据拥有者对共享数据的管控等关于量子安全的分布式容错云存储系统的多个研究方向进行了重点分析，并提供了解决和改进方案。研究报告在基于量子安全的分布式容错云存储系统的需求分析、技术路线实现、技术方案设计、技术特点总结等多个方面进行了详细阐述。最后，报告对基于量子安全的分布式容错存储在未来各个领域发挥的作用及研究方向进行了展望。 2缩略语 CDN：内容分发网络（Content Delivery Network） CIFS：通用互联网文件系统（Common InternetFile System） CRUSH：可扩展哈希下的受控复制(Controlled ReplicatedUnder ScalableHashing) DAS：直接附加存储（DirectAttachedStorage）EBS：弹性块存储(Elastic Block Storage)EC：纠删码技术（Erasure coding）ECC：椭圆曲线密码算法(Elliptic Curve Cryptography)FC：光纤通道(Fibre Channel)HDFS：Hadoop分布式文件系统（Hadoop Distributed FileSystem）IoV：车联网(Internet ofVehicles)iSCSI：互联网小型计算机系统接口（internet Small Computer SystemInterface）MDS：元数据服务(MetaData Server)MON：监控器（Monitor）MS:镜像存储(Mirroring Storage)NAS：网络附加存储（NetworkAttachedStorage）NFS：网络文件系统（Network File System）OSD：对象存储设备(Object-based Storage Device)P2P：对等网络(Peer-to-Peer)PQC：后量子密码(PostQuantumCryptography)QKD:量子密钥分发(Quantum Key Distribution)RSA：RSA公钥加密算法(Ron Rivest, Adi Shamir, Leonard Adlemanalgorithm)SAN：存储区域网络（StorageAreaNetwork）SCSI：小型计算机系统接口（Small Computer System Interface）SS：秘密共享(Secret Shari