云里雾里云计算【6】安全性的难题，有解还是无解？

对于 Google 来说，如果希望 AppEngine 能够获得商业上的巨大成功，吸引更多用户，尤其是企业用户，最大的挑战在于，如何保障客户的数据和私有程序的安全。

举个例子，譬如 Google 想劝说某家银行，用不着银行自己建数据中心，把银行的数据存到 Google 的云计算平台，每月给 Google 一笔数据托管费即可。银行很可能会问两个问题，

1.  如何防范 Google 员工偷窥银行的数据？

2.  银行有投资业务，所以银行自己开发了一套软件，用于评估投资风险和收益。如何防范 Google 员工偷窥这些软件的代码？

Google 当然会派律师去游说，指天画地地发毒誓，说如果出现 Google 偷窥数据及代码的情况，根据双方合同，Google 必将受到法律严惩，等等。

但是银行还是不放心，作案取证本来就麻烦，如果 Google 再做点手脚遮掩，很可能查无实据。即便能找到实据，一个案子办下来，时间也得拖很长。

这个问题，困扰的不是 Google 一家，而是所有负责数据托管的公司面临的共同问题。所以，现在只有两类公司，敢把数据托管给他人。一种是中小企业，他们 或许会觉得自己在竞争对手眼里不那么重要，对手不至于甘冒风险去刺探自己的机密。另一种是数据本身机密性不高的公司，譬如新浪网，天涯社区等等，他们的数 据内容本来就是公开的。

所以，如果 Google 打算吸引重量级企业用户来使用云计算平台，最好的办法是从技术上想出路，保证做到，即便 Google 挖空心思想偷窥，也看不到。

1.  有人问，为何不用 VPN 技术呢？

VPN（Virtual Private Network）虚拟私网，解决的是在如何通过公共网络，远程访问企业内部私网的问题，譬如在家处理公司业务，需要把自家的电脑，通过公共网络，接入到公司内部网络中去。所以，VPN 解决的问题主要在于，保证家里电脑和公司电脑传输数据时，数据通过公网时的安全。

经常在北京街头看到振远护卫的押运车，以及持枪的押运员，负责运输现钞，有人戏称他们是振远镖局。镖局的任务之一是，把现钞从银行押运到各个 ATM 自动取钱机，中途通过公共马路。现钞安全到达目的地，镖局的任务圆满完成。但是，如果有谁把 ATM 取钱机撬开了，镖局不负责任。

类似的道理，客户可以通过 VPN 把数据安全地传输到 Google 云计算平台，但是 VPN 不能阻止 Google 的内部员工偷窥存放在 Google 机器上的数据。

振远护卫在奥运会期间负责押运运动员尿样
Courtesy http://i1.sinaimg.cn/qc/cr/2008/0828/4024560575.jpg

2.  还有人建议，可以给数据加密。

客户在上传数据到 Google 云计算平台前，先用私钥（private key）给数据加密，这样存储在 Google 云计算平台的数据，是加了密的数据。Google 员工即便打开了文件，看到的也不过是一堆乱码。当客户授权给 他的同事看数据时，给同事一份公钥（public key）。同事用这个公钥解码，然后就能读到真实的内容了。

德国人的钥匙很有意思，办公室的钥匙，同时可以打开大楼的门，以及公司的门，但是不能打开隔壁办公室的门。隔壁办公室的钥匙，也可以打开大楼的门，以及公 司的门。所以，德国人的钥匙和锁，是有层次的。

公钥也可以这么设计，一个部门的公钥，不仅可以解密本部门的文件，而且可以解密公司内部公开的文件，但是不能解密其它部门的文件。实现这样有层次的公钥并 不难，一个简单的办法是把整个公钥分成几段，第一段负责公司内部公开的文件，第二段负责某特定部门的文件等等。

这个办法猛一听起来似乎可行，但是仔细想想却不然。它有四个缺陷，a.  不能给程序加密，b.  不能搜索加了密的数据，c.  不能给数据库文件加密，d.  公司员工离职后，有可能会造成私钥和公钥的外泄。

3. 程序如何加密。

按照前一段的思路，平时给程序加密，只有当运行程序前，才解密。程序运行结束后，再度加密，同时销毁解密了的程序。但是这个办法不可行。

解密和加密，是相当耗用 CPU 的，同时占用时间也比较长。如果实施平时加密，用时解密的措施，用户等待时间会相当长。更严重的是，通常一段程序不能解决所有问题，一段程序往往会调用其它程序，其它程序又调用另外程序。如果平时把所有程序加密，用时再逐个解密，整个流程将占用很长时间，这将严重影响用户的体 验。

现实中通行的办法是给程序变形，学名叫 Obfuscation。道理很简单，把程序中的变量名称转换掉，同时切割整个程序，并且重新排序，以便混淆耳目。 变了型的程序依然可以运行。

正常的编译过程，是把人类可读的源代码（譬如用 Java 写的程序），翻译成机器代码（譬如 Java bytecode）。而反编译是把机器代码，逆向翻译成人类可读的源代码。虽然 Obfuscation 不能从根本上阻止反编译，但是却增加了这个工作的难 度。

虽然有难度，但是重赏之下必有勇夫。譬如，如果能盗窃银行密码，肯定会有人不辞劳苦地反编译。

4. 加密与搜索。

“Greatness is never a given, it must be earned”，这句话怎么翻译？在 Google 或者百度里搜一搜这句话，一定会发现这是奥巴马总统就职演说中的一句。有人翻译成，“伟大不是凭空而来 的，而是赢得的”。意思当然不错，但是觉得不如原句有气势，不如翻译成，“坐等等不来伟大，伟大必定来自于努力”。

Google 和百度是如何搜索到这话出自奥巴马的演讲呢？道理说穿了并不复杂。

首先，Google 和百度建一个索引，学名叫倒排索引（inverted index）。倒排索引中记录了每个单词出现在哪些文章中，而且记录了在这些文章中的什么位置出现过。

其次，当用户搜索 “Greatness is never a given”，搜索引擎通过倒排索引，查找 “greatness” 在哪些文章中出现过，查找 “never” 在哪些文章中出现过，等等。然后把众多的搜索结 果合并起来，看看哪些文章中不仅出现过 “greatness”，还出现过 “never”，“given” 等等。

如果把奥巴马原文加了密，不仅每个词都变成了乱码，而且词与词之间的空格消失了，甚至连词序也可能被打乱。这样一来，就没有办法按照通常的做法构建倒排索 引。

怎么办？思路有三条。

a.  把加密算法和构建倒排索引的算法通盘考虑，重新设计一套一体化的算法。

这个思路能够一揽子解决我们面临的所有问题，但是设计这套算法的难度很高。目前还没有人能够想出有效的算法。

b.  客户自己动手建倒排索引，然后把索引加密，上传到云计算平台。

但是构建倒排索引是一件计算量很大的工作，如果客户能够自己构建倒排索引，那么就没有必要使用云计算平台。理由是，云计算平台的卖点是方便客户处理繁重的数据计算。如果云计算平台不能帮助客户构建他们专用的倒排索引，那么云计算的卖点就大大失色。

更严重的问题是，在使用索引的时候，必须先解密。如果解密了的索引被 Google 员工偷看了，那么加密就失去意义了。原因是，索引中透露了正文中出现过那 些词，以及这些词出现的位置。通过索引中的这些信息，可以复制原文的。即便不能一字不漏的全文复制，也能复制得八九不离十。

所以，这个思路不可行。

c. 在云计算平台中分离出一部份作为密室，专供企业用户存放保密级别很高的数据，以及运行保密级别很高的程序。

信息安全的法则是分离分离再分离。给每个企业用户分配一部份机器作为密室。这些机器的 Root 权限掌握在企业用户手里。Google 的员工只能监控密室中 的机器的 CPU，RAM 和 IO 的使用情况，但是他们没有权限进入机器，查看文件，运行程序。

这个办法虽然技术含量不高，但是比较容易实现。缺点是容易造成资源浪费。因为如果给每个客户单独开密室，即使密室里的机器空闲，别人也没法用。

5. 加密与数据库。

数据库最多只能对字段逐个加密，譬如 “greatness” 变成 “@#￥%”。但是不能整句整段地加密，否则数据库的索引，B+ tree，就没法构建。

所以，对数据库的系统管理员，无法实施高级别的加密。

6. 私钥和公钥的外泄。

公司员工离职后，很可能复制一份公司的公钥和在职期间自己使用的私钥带走。如果沿用前面所述，用私钥加密，用公钥解密的办法，员工离开公司后，仍然能阅读 公司的文件，甚至篡改当年自己在职期间起草的文件。

所以，最妥善的办法是不让员工直接接触公司密钥。从这个原则出发，作者也好，读者也好，都没有密钥。作者要加密，读者要解密，让他们把文件发给密钥中心， 由密钥中心统一负责加密和解密。

另外，即便由密钥中心负责保管密钥，如果长期使用同一套密钥，还是不安全。所以，密钥中心定期更换密钥，分批给文件重新加密。

这个办法可行，但是比较笨拙，因为，a.  密钥中心成为瓶颈，b.  给旧文件重新加密是负担很重的工作。

Durer’s grid
Courtesy http://employees.oneonta.edu/farberas/arth/Images/ARTH_214images/Durer/durer_perspnude_large.jpg

前面花了相当长的篇幅讨论各种为托管的数据和程序加密的办法，结论是，现有技术无法保障被托管的数据和程序被偷窥。

为 Google 计，目前能做的，似乎是明确云计算的定位。

1.  锁定目标客户，这些客户有一个共性，就是对内容和程序的安全性不敏感。

比如各种门户网站，论坛，B2C 网上商店，政务和各种公共事业的网站，以及中小型企业等等。这部分用户数量不少，市场相当广阔。

2.  提供特色服务，尤其是海量数据处理。

云计算平台类似于巨型计算机。客户利用云计算平台，处理自己的计算中心很难完成的海量数据处理。例如：电脑动画制作，天气预报等等。

3.  根据不同的保密等级，做分级处理。

实际上一个企业的重要秘密信息是不多的，机密文件存放在企业自己的机房里。其它不需要保密的文件，托管到云计算平台。这个市场也是很大的。