32、构建安全备份系统的技术与实践-优快云博客

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构建安全备份系统的技术与实践

1. HTTPS连接安全检查

在与Windows Azure blob存储服务进行通信时，为确保数据在传输过程中的安全性，我们可以使用HTTPS连接。以下是一段示例代码，用于创建一个安全的HTTPS连接：

# Create a connection object
if USE_HTTPS:
    ctx = SSL.Context()
    # Verify that the server chains to a known CA.
    # We hardcode cacerts.pem in the source directory
    # with GTE CyberTrust's certs which is what
    # Windows Azure chains to currently.
    ctx.set_verify(SSL.verify_peer | SSL.verify_fail_if_no_peer_cert, 9)
    # GTE's certs are kept in cacerts.pem in the same directory
    # as source. sys.path[0] always
    # contains the directory in which the source file exists
    if ctx.load_verify_locations(sys.path[0] + "/cacerts.pem")!=1:
        raise Exception("No CA certs")
    # The line below automatically checks whether cert matches host
    connection = httpslib.HTTPSConnection(account_url,ssl_context=ctx)
else:
    connection = httplib.HTTPConnection(account_url)
# Perform the request and read the response
connection.request(http_method, path , data, headers)
response = connection.getresponse()

上述代码的执行流程如下：
1. 检查是否使用HTTPS连接。
2. 如果使用HTTPS，创建一个SSL上下文对象 ctx 。
3. 设置验证选项，确保服务器的证书链可以追溯到已知的CA。
4. 加载CA证书文件 cacerts.pem 。
5. 创建HTTPS连接对象。
6. 发送请求并获取响应。

使用HTTPS连接带来的性能开销非常小。在性能测试中，经过数千次迭代后，才检测到使用SSL与不使用SSL之间的可感知性能差异。不过，实际结果可能因环境而异，建议在进行更改之前进行测试。

2. 数据静态保护的必要性

当数据通过安全的HTTPS连接传输到Microsoft的服务器后，我们还需要考虑数据在静态存储时的安全性。虽然SSL可以防止数据在传输过程中被窃听或篡改，Microsoft也采取了多种安全措施来保护数据中心内的数据，但对于一些高度敏感的数据（如健康数据），可能需要额外的加密措施来满足相关法规和法律的要求。

3. 密码学基础

在进行数据加密之前，我们需要了解一些基本的密码学概念：

3.1 加密和解密

加密是将明文数据通过算法转换为密文的过程，只有拥有正确密钥的用户才能将密文解密为明文。

3.2 对称密钥算法

对称密钥算法使用相同的密钥进行加密和解密。常见的对称密钥算法包括AES（Advanced Encryption Standard）、Twofish、Serpent和Blowfish等。对称密钥算法的优点是速度快，但缺点是加密方和解密方需要共享相同的密钥。

3.3 非对称密钥算法（公钥密码学）

非对称密钥算法使用不同的密钥进行加密和解密。每个用户拥有一对密钥：公钥和私钥。公钥可以公开分发，而私钥必须保密。消息使用接收方的公钥进行加密，只有对应的私钥才能解密。非对称密钥算法的优点是加密方不需要访问解密方的密钥，但缺点是计算复杂度高，不适合对大量数据进行加密。常见的非对称密钥算法包括RSA、ElGamal等。

3.4 密码学哈希

密码学哈希函数将任意长度的数据块转换为固定长度的字节序列。一个安全的密码学哈希函数应具备以下特性：
- 难以找到两个具有相同哈希值的消息。
- 更改消息内容会导致哈希值发生变化。
- 无法从哈希值推断出原始消息的内容。

目前，SHA - 2家族的算法被认为是最先进的密码学哈希算法，而MD5和SHA - 1等旧算法已被认为不安全。

4. 确定加密技术

在选择加密技术时，需要考虑以下两个标准：

4.1 防止云端数据被解密

确保即使有人获取了云端的原始数据，也无法进行解密。这意味着需要使用强大的加密算法，并将加密密钥与云端数据分开存储。实际的加密和解密操作应在与云端通信的本地机器上进行。

4.2 不同级别的访问权限

可以使用公钥密码学来实现不同级别的访问权限。例如，允许某些机器进行数据备份，但不允许它们读取备份数据。具体做法是使用公钥进行数据加密，而使用私钥进行数据解密。

在本示例中，我们将使用2048位的RSA密钥作为非对称密钥算法，使用256位的AES密钥作为对称密钥算法。由于RSA算法不适合对大文件进行加密，我们将为每个存档生成一个唯一的对称会话密钥，使用AES算法对数据进行加密，然后使用RSA算法对会话密钥进行加密。此外，为了对加密数据进行签名，我们还将生成另一对RSA密钥。

5. 密钥生成

为了实现上述加密方案，我们需要生成两对RSA密钥：一对用于加密会话密钥，一对用于对加密数据进行签名。以下是生成密钥的示例代码：

5.1 azbackup - keygen.py

#!/usr/bin/env python
"""
azbackup-keygen
Generates two 2048 bit RSA keys and stores it in keyfile
Call it like this
azbackup -k keyfile
"""
import sys
import optparse
import crypto

def main():
    # parse command line options
    optp = optparse.OptionParser(__doc__)
    optp.add_option("-k","--keyfile",action="store",\
                    type="string", dest ="keyfile", default=None)
    (options, args) = optp.parse_args()
    if options.keyfile == None:
        optp.print_help()
        return
    crypto.generate_rsa_keys(options.keyfile)

if __name__== '__main__':
    main()

5.2 crypto.py

try:
    import M2Crypto
    from M2Crypto import EVP, RSA, BIO
except:
    print "Couldn't import M2Crypto. Make sure it is installed."
    sys.exit(-1)

def generate_rsa_keys(keyfile):
    """ Generates two 2048 bit RSA keys and stores them sequentially
     (encryption key first,signing key second) in keyfile
    """
    # Generate the encryption key and store it in bio
    bio = BIO.MemoryBuffer()
    generate_rsa_key_bio(bio)
    #Generate the signing key and store it in bio
    generate_rsa_key_bio(bio)
    key_output = open(keyfile, 'wb')
    key_output.write(bio.read())

def generate_rsa_key_bio(bio, bits=2048, exponent = 65537):
    """ Generates a 2048 RSA key to the file.
     Use 65537 as default since the use of 3 might have some weaknesses"""
    def callback(*args):
        pass
    keypair = RSA.gen_key(bits, exponent, callback)
    keypair.save_key_bio(bio, None)

上述代码的执行流程如下：
1. azbackup - keygen.py 脚本接收一个命令行参数 --keyfile ，用于指定密钥文件的存储路径。
2. 调用 crypto.generate_rsa_keys 函数生成两对RSA密钥。
3. generate_rsa_keys 函数调用 generate_rsa_key_bio 函数两次，分别生成加密密钥和签名密钥。
4. 将生成的密钥写入指定的密钥文件。

需要注意的是，生成RSA密钥的过程可能需要较长时间，主要是因为需要收集足够的熵来确保密钥的随机性。建议将生成的密钥文件妥善保存，一旦丢失，将无法解密存档中的数据。

6. 备份数据压缩

在进行数据备份时，我们可以将多个文件压缩成一个存档文件，以提高备份效率。Unix系统中常用的方法是使用 tar 和 gzip 工具。以下是创建和提取 tar.gz 存档文件的示例代码：

import tarfile
import os

def generate_tar_gzip(directory_or_file, output_file_name):
    if directory_or_file.endswith("/"):
        directory_or_file = directory_or_file.rstrip("/")
    # We open a handle to an output tarfile. The 'w:gz'
    # specifies that we're writing to it and that gzip
    # compression should be used
    out = tarfile.TarFile.open(output_file_name, "w:gz")
    # Add the input directory to the tarfile. Arcname is the
    # name of the directory 'inside' the archive. We'll just reuse the name
    # of the file/directory here
    out.add(directory_or_file, arcname = os.path.basename(directory_or_file))
    out.close()

def extract_tar_gzip(input_file_name, output_directory):
    tar = tarfile.open(input_file_name, "r:gz")
    tar.extractall(path=output_directory)
    tar.close()

上述代码定义了两个函数：
- generate_tar_gzip ：将指定的目录或文件压缩成一个 tar.gz 存档文件。
- extract_tar_gzip ：将 tar.gz 存档文件解压到指定的目录。

使用 tar 和 gzip 工具的优点包括：
- 管理单个存档文件比管理多个文件更方便。
- 压缩后的文件体积更小，节省存储空间。
- 可以使用标准工具对存档文件进行操作。

综上所述，通过使用HTTPS连接、数据加密和备份数据压缩等技术，我们可以构建一个安全、高效的备份系统。在实际应用中，建议根据具体需求选择合适的加密算法和密钥长度，并妥善保管密钥文件。

7. 备份系统整体流程

为了更清晰地展示构建安全备份系统的整体流程，我们可以使用mermaid格式的流程图来表示：

graph LR
    A[开始] --> B[创建HTTPS连接]
    B --> C{是否使用HTTPS}
    C -- 是 --> D[设置SSL上下文]
    C -- 否 --> E[创建HTTP连接]
    D --> F[加载CA证书]
    F --> G[创建HTTPS连接对象]
    G --> H[发送请求并获取响应]
    E --> H
    H --> I[确定加密技术]
    I --> J[生成RSA密钥]
    J --> K[压缩备份数据]
    K --> L[加密备份数据]
    L --> M[签名加密数据]
    M --> N[存储备份数据]
    N --> O[结束]

从流程图可以看出，构建安全备份系统主要包括以下几个关键步骤：
1. 连接建立 ：根据是否使用HTTPS，创建相应的连接对象，并进行必要的安全验证。
2. 加密技术选择 ：根据数据的敏感性和访问权限要求，选择合适的加密算法和密钥长度。
3. 密钥生成 ：生成用于加密会话密钥和签名加密数据的RSA密钥。
4. 数据处理 ：对备份数据进行压缩、加密和签名处理。
5. 数据存储 ：将处理后的备份数据存储到指定的位置。

8. 各步骤详细对比

为了更好地理解各个步骤的特点和作用，我们可以通过表格进行对比：
| 步骤 | 主要操作 | 作用 | 注意事项 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 创建连接 | 根据是否使用HTTPS创建连接对象，设置SSL上下文和加载CA证书 | 确保数据传输的安全性 | 性能开销小，但需测试；CA证书需正确加载 |
| 确定加密技术 | 选择RSA和AES算法，为每个存档生成对称会话密钥 | 防止云端数据被解密，实现不同级别的访问权限 | 密钥长度选择需根据当前计算能力 |
| 生成密钥 | 生成两对RSA密钥，分别用于加密会话密钥和签名加密数据 | 提供加密和解密的基础 | 生成过程耗时，需妥善保存密钥文件 |
| 压缩数据 | 使用 tar 和 gzip 将多个文件压缩成一个存档文件 | 提高备份效率，节省存储空间 | 操作简单，可使用标准工具 |
| 加密数据 | 使用AES算法对备份数据进行加密，使用RSA算法对会话密钥进行加密 | 保护数据的机密性 | 确保密钥安全 |
| 签名数据 | 使用另一对RSA密钥对加密数据进行签名 | 检测数据是否被篡改 | 签名和加密不能使用同一密钥 |
| 存储数据 | 将处理后的备份数据存储到指定位置 | 完成备份操作 | 确保存储位置的安全性 |