基于區(qū)塊鏈的日志安全管理系統(tǒng)

◆馮冠雄 王利明

（中國(guó)科學(xué)院信息工程研究所 北京 100093）

1 引言

近年來，智能信息系統(tǒng)逐漸融入生活中的各個(gè)領(lǐng)域，成為人類社會(huì)中不可或缺的重要組成部分。這些智能系統(tǒng)中通常存在海量日志，包含與系統(tǒng)相關(guān)的重要信息，例如系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、用戶行為操作等，通過分析這些數(shù)據(jù)對(duì)感知系統(tǒng)狀態(tài)、改善產(chǎn)品的用戶體驗(yàn)等有重要作用。因此，日志常被攻擊者選為攻擊目標(biāo)，惡意人員通過對(duì)日志的修改會(huì)引誘以日志為基礎(chǔ)的系統(tǒng)分析被誤導(dǎo)，進(jìn)而影響系統(tǒng)安全。

區(qū)塊鏈作為當(dāng)前信息學(xué)科中的熱門技術(shù)，自提出以來就在全球范圍內(nèi)引起了廣泛關(guān)注，并且被應(yīng)用于金融、醫(yī)療、法律等領(lǐng)域。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)不依靠中心節(jié)點(diǎn)而達(dá)成共識(shí)，實(shí)現(xiàn)了非可信環(huán)境中數(shù)據(jù)的不可篡改性，能夠有效地保證鏈上數(shù)據(jù)完整、真實(shí)。其技術(shù)特點(diǎn)符合日志安全保護(hù)的場(chǎng)景需求，能夠滿足日志不被惡意篡改的需求。

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于區(qū)塊鏈的日志安全管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可完成日志系統(tǒng)的收集、存儲(chǔ)、檢索、展示四個(gè)環(huán)節(jié)，并且提出將數(shù)據(jù)持有性證明方法與區(qū)塊鏈結(jié)合的方案，從而保護(hù)日志持久化存儲(chǔ)的安全。

2 相關(guān)工作

針對(duì)將區(qū)塊鏈應(yīng)用于日志安全管理場(chǎng)景的問題，目前已經(jīng)有了一些相關(guān)研究。Ahmad 等人[1]提出用于審計(jì)的區(qū)塊鏈BlockAudit，并將常規(guī)審計(jì)日志無縫轉(zhuǎn)移到BlockAudit 區(qū)塊鏈中，以實(shí)現(xiàn)更高的安全性，完整性和容錯(cuò)性。該方案的不足之處為，將所有的日志文件存儲(chǔ)在鏈上，難以處理數(shù)據(jù)量較大的日志。

呂建富等人[2]提出的方案是將每個(gè)日志文件獨(dú)有的摘要、元數(shù)據(jù)信息保存在區(qū)塊鏈上，使得用戶在驗(yàn)證日志真實(shí)性時(shí)僅需對(duì)比其持有的文件摘要與鏈上存儲(chǔ)的摘要，同時(shí)將日志文件進(jìn)行加密在線下存儲(chǔ)來保證日志數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性，這樣雖然可以保證安全，但無法兼顧檢索效率。

韓菊茹等人[3]提出了類似的日志審計(jì)系統(tǒng)，將每條日志信息生成指紋并上鏈，驗(yàn)證時(shí)將本地生成的數(shù)據(jù)指紋與鏈上指紋進(jìn)行對(duì)比，但該方案未考慮日志在云服務(wù)提供商CSP 中存儲(chǔ)的安全性。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文將系統(tǒng)分為日志創(chuàng)建、日志查詢、日志安全校驗(yàn)三部分，其具體流程如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

3.1 日志創(chuàng)建

本文使用Flume 日志采集服務(wù)將生產(chǎn)環(huán)境中產(chǎn)生的日志生成文件，并使用存證生成服務(wù)為對(duì)應(yīng)的日志文件生成存證。存證信息將被上傳至區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)，該緩沖區(qū)通過監(jiān)控服務(wù)將對(duì)接ElasticSearch 集群，通過ElasticSearch 相關(guān)的API 為日志創(chuàng)建索引，以實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)日志檢索功能的支持。為了對(duì)日志文件進(jìn)行持久化備份，文件緩沖服務(wù)器會(huì)將日志文件寫入持久化存儲(chǔ)服務(wù)。

3.2 日志查詢

為保證安全，日志查詢功能首先需要經(jīng)過Nginx 用戶認(rèn)證管理，通過認(rèn)證的用戶方可進(jìn)行相關(guān)操作。日志查詢功能通過Kibana 框架實(shí)現(xiàn)。Kibana 的服務(wù)器連接ElasticSearch 集群，并對(duì)集群進(jìn)行相應(yīng)的操作。用戶可以通過Kibana 來搜索、查看、分析存儲(chǔ)在Elasticsearch索引中的數(shù)據(jù)。

3.3 日志安全驗(yàn)證

本文的日志安全驗(yàn)證方案包括用戶持有日志的驗(yàn)證與用戶不持有日志的驗(yàn)證。

（1）用戶持有日志的安全驗(yàn)證

用戶持有日志時(shí)，在本地日志生成存證信息，并從區(qū)塊鏈中查詢?cè)撐募?duì)應(yīng)的存證，對(duì)比二者存證，若相同，則表示文件未被篡改。

（2）用戶不持有日志的安全驗(yàn)證

用戶不持有日志時(shí)，可通過基于區(qū)塊鏈的PDP 驗(yàn)證系統(tǒng)校驗(yàn)云存儲(chǔ)服務(wù)中的日志是否安全。校驗(yàn)系統(tǒng)將PDP 技術(shù)與區(qū)塊鏈技術(shù)相結(jié)合，并且需要由用戶、區(qū)塊鏈、云存儲(chǔ)服務(wù)三方配合完成。

3.4 該系統(tǒng)運(yùn)行的詳細(xì)步驟

（1）初始化階段

設(shè)Ga和Gb是具有素?cái)?shù)q的乘法群，e:Ga×Ga→Gb是雙線性圖，g是群Ga的生成器，h:(0,1)*→Ga、h':Ga→表示將字符串映射到點(diǎn)的哈希函數(shù)。f是偽隨機(jī)函數(shù)（PRF），π是偽隨機(jī)置換（PRP）。用戶生成一個(gè)隨機(jī)的私鑰x∈和公鑰Y=gx，并將私鑰保存在本地。

（2）標(biāo)簽生成

用戶在本地為日志文件生成同態(tài)可驗(yàn)證標(biāo)簽（Homomorphic Verifiable Tags，HVT）。將原始的文件分割為n個(gè)數(shù)據(jù)塊F={b1,b2,...,bn}，并隨機(jī)選擇元素u∈Ga，計(jì)算出每個(gè)的標(biāo)簽σi=，其中PF是F的唯一標(biāo)識(shí)符。標(biāo)簽生成完成后，將標(biāo)簽與日志存證一同作為交易存入?yún)^(qū)塊鏈。

（3）發(fā)起審計(jì)

用戶通過智能合約發(fā)起審計(jì)請(qǐng)求，根據(jù)抽樣生成算法，確定挑戰(zhàn)數(shù)據(jù)塊的數(shù)量z，選擇兩個(gè)密鑰k1,k2∈，并使用用戶的密鑰x對(duì)(z,k1,k2)簽名，得到σCU=Sigx(z||k1||k2)，向智能合約發(fā)起審計(jì)請(qǐng)求C=(z,k1,k2,σCU)。

智能合約通過簽名σCU來驗(yàn)證密鑰。驗(yàn)證通過后，通過計(jì)算挑戰(zhàn)數(shù)據(jù)塊的索引i=及其系數(shù)（其中l(wèi)∈[1,z]）來生成挑戰(zhàn)的集合Q={(i,vi)}，并發(fā)送給云存儲(chǔ)服務(wù)。

（4）存儲(chǔ)服務(wù)響應(yīng)挑戰(zhàn)

云存儲(chǔ)服務(wù)收到對(duì)應(yīng)的挑戰(zhàn)集Q后，計(jì)算標(biāo)簽σ=和挑戰(zhàn)塊，并用一個(gè)隨機(jī)數(shù)r∈來計(jì)算。并計(jì)算出和μ=αμ'+r來隱藏μ' 。使用密鑰x'為簽名，得到σCSP=。最后，將審核的結(jié)果證明返回給智能合約。

（5）智能合約驗(yàn)證結(jié)果

智能合約在收到審計(jì)反饋的結(jié)果后，從區(qū)塊鏈中獲取證據(jù)，首先計(jì)算出α=h'(u)，然后通過等式是否成立來驗(yàn)證結(jié)果。如果該驗(yàn)證公式成立，則表示數(shù)據(jù)是正常的，否則表示數(shù)據(jù)被破壞。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本文將系統(tǒng)劃分為日志收集、存證管理、日志存儲(chǔ)、授權(quán)管理、日志檢索、日志驗(yàn)證六大模塊。

4.1 日志收集模塊

日志收集模塊是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的前提與基礎(chǔ)，本文通過Flume框架對(duì)多種不同的日志源進(jìn)行采集，例如：HTTP 日志源、監(jiān)聽端口日志源、文件日志源等，然后將各種日志匯集到Flume 中進(jìn)行統(tǒng)一處理，處理完成后得到日志文件。

4.2 存證生成模塊

日志存證由以下兩部分組成：

（1）日志Merkle 根：本文通過Merkle 樹算法，將單條原始日志數(shù)據(jù)作為Merkle 樹的葉子節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過多層壓縮得到一個(gè)Merkle 根，日志數(shù)據(jù)如果被修改或者已損壞，通過Merkle 根即可快速驗(yàn)證，并定位出具體損壞的位置。

（2）日志HVT 標(biāo)簽：為了能夠?qū)υ拼鎯?chǔ)服務(wù)中的日志文件進(jìn)行持有性審計(jì)，需要為日志文件生成同態(tài)可驗(yàn)證標(biāo)簽HVT，該標(biāo)簽用于PDP 驗(yàn)證的參數(shù)，將與Merkle 根存證一同作為日志存證存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈中。

存證生成完畢后，將存證作為交易存入?yún)^(qū)塊鏈中。

4.3 日志存儲(chǔ)模塊

本文系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的日志存儲(chǔ)模塊采用ElasticSearch+云存儲(chǔ)服務(wù)的模式進(jìn)行，通過ElasticSearch 集群對(duì)日志進(jìn)行索引，而且云存儲(chǔ)服務(wù)作為對(duì)ElasticSearch 集群中數(shù)據(jù)的可靠拷貝，可在發(fā)生災(zāi)難時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)恢復(fù)。

4.4 授權(quán)管理模塊

日志的檢索、可視化只有通過身份認(rèn)證的用戶才可以使用，因此本文采用Nginx 實(shí)現(xiàn)用戶的認(rèn)證，只有輸入正確的用戶密碼才允許訪問Web 內(nèi)容。

4.5 日志檢索模塊

針對(duì)ElasticSearch 索引的日志，其檢索與可視化模塊主要通過Kibana 日志可視化平臺(tái)完成。Kibana 平臺(tái)支持對(duì)日志的各種維度的查詢和分析，而且可以使用圖形化的界面對(duì)存放在Elasticsearch 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，用戶可對(duì)這些展示的可視化信息進(jìn)行審計(jì)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況。

4.6 日志驗(yàn)證模塊

本文通過Web 前端頁面實(shí)現(xiàn)對(duì)日志的驗(yàn)證，用戶持有日志文件、用戶不持有日志文件兩種場(chǎng)景下均可用其對(duì)日志進(jìn)行驗(yàn)證。

（1）用戶持有日志文件

用戶持有日志文件時(shí)，在瀏覽器中選擇本地文件，由系統(tǒng)為其生成Merkle 根，并從區(qū)塊鏈中獲取其對(duì)應(yīng)的Merkle 根，對(duì)比這兩個(gè)值如果相等，則可以通過校驗(yàn)，否則表示日志被篡改或損壞。

（2）用戶不持有日志文件

當(dāng)用戶不持有日志文件時(shí)，使用本文提出的基于區(qū)塊鏈的PDP驗(yàn)證系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)比云服務(wù)提供商計(jì)算的結(jié)果與區(qū)塊鏈查詢的結(jié)果，即可驗(yàn)證日志是否安全。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)基于區(qū)塊鏈的日志安全管理系統(tǒng)，通過區(qū)塊鏈保護(hù)日志存證，并且將區(qū)塊鏈與數(shù)據(jù)持有性審計(jì)技術(shù)結(jié)合，可以使用戶在持有或不持有日志的場(chǎng)景下均可驗(yàn)證日志是否被篡改，保證日志持久化存儲(chǔ)的安全。本文使得區(qū)塊鏈能夠應(yīng)用于處理日志管理的不同場(chǎng)景，具有實(shí)際意義。