[论文解读] Lamassu: Storage-Efficient Host-Side Encryption

Peter Shah, Won So|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2015

Cloud Data Security Solutions参考文献 11被引用 9

一句话总结

Lamassu 是一种主机端、基于块的汇聚加密系统，通过将加密元数据直接嵌入文件数据流中，实现在不牺牲安全性的前提下进行基于存储的去重。其性能与传统加密相当，同时在共享存储中保持了去重能力，无需外部元数据存储或应用修改。

ABSTRACT

Many storage customers are adopting encryption solutions to protect critical data. Most existing encryption solutions sit in, or near, the application that is the source of critical data, upstream of the primary storage system. Placing encryption near the source ensures that data remains encrypted throughout the storage stack, making it easier to use untrusted storage, such as public clouds. Unfortunately, such a strategy also prevents downstream storage systems from applying content-based features, such as deduplication, to the data. In this paper, we present Lamassu, an encryption solution that uses block-oriented, host-based, convergent encryption to secure data, while preserving storage-based data deduplication. Unlike past convergent encryption systems, which typically store encryption metadata in a dedicated store, our system transparently inserts its metadata into each file's data stream. This allows us to add Lamassu to an application stack without modifying either the client application or the storage controller. In this paper, we lay out the architecture and security model used in our system, and present a new model for maintaining metadata consistency and data integrity in a convergent encryption environment. We also evaluate its storage efficiency and I/O performance by using a variety of microbenchmarks, showing that Lamassu provides excellent storage efficiency, while achieving I/O throughput on par with similar conventional encryption systems.

研究动机与目标

• 解决企业环境中主机端加密与下游存储去重之间的冲突。
• 在不修改现有应用或存储控制器的前提下，实现加密数据的去重。
• 消除对专用元数据存储或密钥服务器的需求，简化部署并缩小攻击面。
• 在汇聚加密系统中提供崩溃容错的一致性与数据完整性验证。
• 在生产规模存储系统中实现强安全性与实际性能的平衡。

提出的方法

• 采用基于块、消息锁定的汇聚加密，其中加密密钥通过加密哈希从明文内容确定性地派生。
• 将汇聚加密元数据直接插入每个文件的数据流中，消除对外部元数据存储的需求。
• 使用租户级密钥派生汇聚密钥，仅在具有相同密钥的租户隔离区域内部实现去重。
• 引入一致性模型，通过原子写入和校验和验证，确保元数据与数据在崩溃后仍保持同步。
• 通过基于 FUSE 的文件系统实现透明集成，无需修改应用或存储控制器即可部署。
• 使用标准加密算法（如 AES），并通过密钥扩展增强安全性，以抵抗选择明文攻击，要求攻击者同时猜中明文和密钥。

实验结果

研究问题

• RQ1 汇聚加密能否在保持共享存储系统中去重能力的前提下，实现块级主机端加密的实用性？
• RQ2 如何在不依赖外部元数据存储或性能开销的前提下，透明地管理加密元数据？
• RQ3 在汇聚加密环境中，系统崩溃后应采用何种机制确保数据一致性和完整性？
• RQ4 能否在不依赖复杂密钥服务器架构的前提下，维持对选择明文攻击的强安全性？
• RQ5 此类系统在真实工作负载下的性能与传统加密相比如何？

主要发现

• Lamassu 的 I/O 吞吐量与传统加密系统相当，性能开销极小。
• 在共享相同密钥的多个主机之间，去重能力得以保持，显著提升了存储利用率。
• 元数据嵌入数据流中，无需外部元数据存储，简化了部署流程。
• 通过要求攻击者同时猜中明文和密钥，系统可有效抵抗选择明文攻击。
• 通过原子写入和校验和验证，即使在系统崩溃后仍能保持一致性和完整性。
• 该方案对应用和存储控制器完全透明，可无缝集成至现有企业环境。