ChunkGuard: a user-space secure file storage system with chunk- level encryption and integrity protection
ChunkGuard 是一个采用分块级 AES-128-CTR 加密和 HMAC-SHA256 完整性校验来保护数据机密性并检测篡改的用户态安全文件存储系统，在实现功能性安全的同时，识别出磁盘 I/O 是其主要的性能瓶颈。
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当我们把数字文件存储在计算机上时，我们经常仅仅因为它们存在硬盘里就认为它们是安全的。然而，如果该硬盘被盗、丢失，或者有人绕过了常规的登录界面，其中的数据可能会以明文形式被读取，从而暴露从个人照片到私密文档的一切内容。为了阻止这种情况，安全专家使用加密技术，这是一种将数据打乱成对没有正确密钥的人来说看起来像随机噪声的过程。虽然许多系统会保护整个硬盘或大型文件夹，但一种名为 ChunkGuard 的新方法探索了另一种策略：在锁定数据之前，将单个文件分解成许多小的、独立的碎片。这种方法旨在不仅提供秘密性，还提供一种验证数据在存储期间是否被秘密篡改或变动的方法。
来自通用技术与管理大学（Universal Technology and Management University）和姆巴拉拉科学技术大学（Mbarara University of Science and Technology）的研究人员构建了一个名为 ChunkGuard 的原型系统，以测试这种细粒度的方法在实践中是否可行。该系统并没有将一个文件视为一个巨大的数据块，而是将其切分成被称为“块”（chunks）的小型固定大小的碎片。每一个碎片都使用唯一的密钥和随机起始数进行单独加密，从而确保即使两个碎片包含相同的信息，在锁定后看起来也会完全不同。为了确保数据的可信度，系统还为每一个碎片都创建了一个数字封印。如果数据的哪怕一丁点部分发生了改变或损坏，这个封印就会破裂，提醒系统出了问题。研究人员还加入了一项严格的检查，以确保只有文件的所有者才能打开它，拒绝任何未经授权的用户访问其内容的尝试。
团队对该系统进行了一系列严格的测试，以观察其性能表现以及实际安全性如何。他们运行了三十种不同的场景，包括通过篡改数据或伪装成其他用户来试图破解系统的尝试。在每一种情况下，系统都稳固如初。它成功检测到了有人试图篡改加密数据的情况，并正确拦截了任何试图读取文件的非所有者。当他们测量系统处理一个兆字节（MB）文件时的速度时，发现加密数据大约耗时 161 毫秒，而解密过程更快，大约耗时 79 毫秒。检查数据是否被篡改甚至更快，仅需约 17 毫秒。这些速度转化为处理数据的速率，即加密速度约为每秒 6.2 兆字节，解密速度约为每秒 12.7 兆字节。
或许最令人惊讶的发现来自于对系统耗时之处的仔细观察。研究人员原本预期复杂的数学运算（即打乱数据）会是最慢的部分。然而，他们发现实际将许多小碎片写入磁盘的过程才是瓶颈。创建并保存这些单个块文件的过程消耗了近 79% 的总时间，而实际的加密数学运算仅占不到 18%。这一发现表明，系统的速度受限并非取决于计算机在锁定数据时需要思考得多辛苦，而是取决于它向存储驱动器写入数千个微型文件的效率。研究还指出，虽然该系统在这次受控测试中表现良好，但由于缺乏成熟商业系统中具备的一些高级安全功能（例如处理多用户同时工作的能力或对其自身内部记录的保护），它尚未准备好投入实际应用。
结果表明，构建一个既能检查每个小块的秘密性又能检查其完整性的安全存储系统是完全可能的。然而，这项研究也强调了一个实际的工程挑战：将文件分解成过小的碎片会降低系统速度，仅仅是因为管理这么多独立文件的开销。研究人员得出结论，虽然块级安全的概念是合理的，但未来的版本需要更高效地组织这些碎片，例如将它们组合进更大的容器中，以使系统速度足以满足日常使用。这项工作并非要取代现有的安全工具，而是为这种特定的设计选择如何影响性能与安全性提供了一个清晰且客观的观察，为开发更强大的静态数据保护方案指明了方向。
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