列存储系统的数据安全与网络性能优化模型研究

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1、博士学位论文DOCTORALDISSERTATION论文题目列存储系统的数据安全与网络性能优化模型研究作者姓名王福伟学科专业计算机应用技术指导教师刘国华教授2016年5月中图分类号：TP311学校代码：10216UDC：621.3密级：公开工学博士学位论文列存储系统的数据安全与网络性能优化模型研究博士研究生：王福伟导师：刘国华教授申请学位：工学博士学科专业：计算机应用技术所在单位：信息科学与工程学院答辩日期：2016年授予学位单位：燕山大学ADissertationinComputerApplicationTechnologyRESEA

2、RCHONDATASECURITYANDNETWORKPERFORMANCEOPTIMIZATIONMODELBASEDONCOLUMN-STORESbyWangFuweiSupervisor:ProfessorLiuGuohuaYanshanUniversityMAY,2016燕山大学□士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文《列存储系统的数据安全与网络性能优化模型研究》，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读□士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工

3、作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签字：日期：年月日燕山大学□士学位论文使用授权书《列存储系统的数据安全与网络性能优化模型研究》系本人在燕山大学攻读□士学位期间在导师指导下完成的博士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。保密

4、□，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密□。（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日摘要摘要随着网络通信技术的高速发展，人类产生的数据量正在呈指数级增长。对大数据集的分析查询，通常只用到一个或几个逻辑表的少数几列，而且每次要读取的数据量很大。在这样的实际应用背景下，列存储数据库系统应运而生。大量的研究表明：相对于行存储系统，在具有较多查询分析操作的应用中，读优化的列存储系统具有显著性能优势。同时，列存储系统在使用过程中，数据安全性也是人们密切关注的一个重要问题。如何维护列存储系统的数据安全以及保

5、持列存储系统的性能优势，已经成为列存储研究领域中的一个重要分支。论文针对列存储系统的数据加密方法、建立安全索引方案、确保系统k-安全的数据分配与重构方法、优化系统网络性能的模型等几个关键问题进行了研究。论文的主要研究内容如下：首先，研究了基于列存储系统单元格粒度上的加密方案。为了抵御替换攻击，避免统计信息泄露，在分析列存储系统结构特点的基础上，提出在单元格粒度上，采用单元格数据与单元格位置相结合的方法对系统数据进行加密。其中，单元格位置信息采用列存储系统数据表的表ID，列ID和行ID三个元素构成的三元组来表示，并采用具体实例证明了新加密

6、方案能够抵御替换攻击。在单元格粒度加密方案基础上，研究基于密文建立数据安全索引方法。将单元格数据与单元格所在行的位置信息结合在一起加密成密文，然后在密文上建立安全索引。通过对基于密文建立的安全索引与基于明文建立的B+树索引进行对比分析，新的安全索引不会泄露任何与明文有关数据信息，且保持原有索引结构，不影响数据查询。其次，根据列存储系统结构特点，研究了适合其的相对“轻型”Romega加密方案。相对于行存储系统，在多读操作环境中列存储系统具有性能优势。而对数据进行加密，会影响系统性能。为解决这个矛盾，进行了基于多级互连网络建立相对“轻型”加

7、密方案的研究。首先，对Omega结构特点进行了分析。其次，利用其可逆性，研究了在列粒度上对列存储系统数据进行加密具体方案。最后，从理论上对新加密方案的安全性进行了证明。再次，研究列存储系统k-安全问题的解决方案。在列存储系统数据网格所有的n个节点中，每个节点存储的数据量是不同的。系统要求当其中有k个节点的数据遭I燕山大学工学博士学位论文受破坏后，使用余下(n-k)个节点中的数据，依然能够重构所有数据。基于不同应用环境的需要，提出两种解决方案，分别是基于拉格朗日插值多项式解决方案和基于牛顿插值多项式的解决方案。并通过具体实例，对两种数据分

8、配与重构方案能保证k-安全的正确性与可行性进行了验证。最后，从优化列存储系统网络应用环境研究视角出发，提出了一种流排队模型。首先，对传统排队论和流排队的基本结构进行了分析；然后提出了模型假设，并根据假设，研