基于linux加密文件系统的设计与实现

论文摘要

随着计算机和通信技术的发展,信息安全技术越来越重要。信息保密是信息安全的一种重要手段,目的是防止非法用户得到机密信息。加密技术是实现信息保密的重要保证,将一些重要数据存储在一台不安全的计算机上,或者在不安全的网络环境中传递,怎样尽可能提高加密技术对系统的安全性是一个很重要的研究问题。因此,为了彻底保证文件数据的安全,就要采用密码技术,对文件数据进行加密。磁盘上存放的是密文数据,只有密钥拥有者才能得到文件的明文数据。本文论述了一个加密文件系统的设计与实现。这个加密文件系统能够对文件数据提供机密性和完整性保护,对用户身份进行认证,并根据用户身份对文件的访问进行控制。它采用对称密码技术对文件数据进行加密,来保证数据的机密性;使用消息摘要技术、数字签名技术和HMAC来保证数据的完整性;使用公钥密码技术来对对称密钥和HMAC密钥进行加密保护;使用智能卡进行身份认证,并把私钥存放在智能卡中,以达到安全的目的。这个加密文件系统采用了堆栈式文件系统的技术,使自己作为一个组件存在于虚拟文件系统和底层具体文件系统之间,因此具有通用性。而且由于它位于操作系统内核中,应用程序仍然通过系统调用来访问文件,感知不到加密操作的存在,因此这个加密文件系统对应用程序透明,具有易用性,在加密文件系统的实现中,采用了堆栈式文件系统开发平台FiST,在Linux中进行开发。FiST降低了加密文件系统的开发难度,并且生成的源代码只需经过少量修改就能移植到其它Unix操作系统。加密文件系统的主要部分实现为一个内核模块,能够根据需要动态载入,无需修改和重新编译Linux内核,因此具有很大的方便性和灵活性。本文最后对这个加密文件系统进行了性能测试,测试结果表明它在保证文件数据安全的同时,还具有较高的性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 计算机开放系统的发展和安全性需求
• 1.1.2 安全操作系统的发展
• 1.1.3 加密文件系统的提出
• 1.2 加密文件系统
• 1.2.1 现有的加密文件系统
• 1.2.2 加密文件系统应考虑的问题
• 1.3 研究目标及完成的工作
• 1.4 论文的组织结构
• 第二章 加密文件系统CipherFS的设计
• 2.1 设计原则
• 2.2 密码体系
• 2.2.1 密钥
• 2.2.2 数据加密过程
• 2.2.3 数据完整性保护
• 2.2.4 关键数据的备份与恢复
• 2.3 身份认证和访问控制机制
• 2.3.1 身份认证
• 2.3.2 访问控制机制
• 2.4 构建文件系统的方式
• 2.4.1 用户空间文件系统
• 2.4.2 内核文件系统
• 2.4.3 堆栈式文件系统
• 2.5 体系结构
• 2.5.1 总体结构
• 2.5.2 堆栈式模块
• 2.5.3 密码模块图
• 2.5.4 身份认证和访问控制模块
• 2.5.5 插件接口模块
• 2.5.6 辅助工具模块
• 第三章 加密文件系统CipherFS的实现
• 3.1 密码算法的比较与选取
• 3.1.1 对称密码算法的比较与选取
• 3.1.2 公钥密码算法的比较与选取
• 3.2 密码算法接口的实现
• 3.3 文件和加密元数据的格式
• 3.3.1 主要考虑点
• 3.3.2 格式
• 3.3.3 存放方式
• 3.3.4 加密方式
• 3.4 Linux虚拟文件系统和堆栈式文件系统开发平台
• 3.4.1 Linux虚拟文件系统
• 3.4.2 堆栈式文件系统开发平台
• 3.6 CipherFS主要操作的实现
• 3.6.1 打开和关闭文件
• 3.6.2 读写文件
• 3.6.3 创建和删除文件
• 3.7 加密文件系统CipherFS的管理
• 3.7.1 用户的登录与注销
• 3.7.2 加密文件系统CipherFS的安装与卸载
• 第四章 加密文件系统CipherFS的性能测试
• 4.1 性能测试
• 4.2 性能改进策略
• 第五章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表