基于MAABE的云存儲訪問控制方法

李謝華 張蒙蒙 劉鴻 王勇軍

摘要：針對于跨域云數(shù)據(jù)訪問控制中的安全性和有效性問題，提出了一種基于樹訪問結(jié)構(gòu)的多授權(quán)機(jī)構(gòu)屬性加密（AttributeBased Encryption， ABE）的跨域數(shù)據(jù)訪問控制方法。通過建立分散授權(quán)模型，將屬性私鑰的生成與中央認(rèn)證機(jī)構(gòu)（Central Authority， CA）分離，由數(shù)據(jù)屬主（Data Owner， DO）和授權(quán)機(jī)構(gòu)分別生成并分發(fā)屬性私鑰組件。利用基于訪問結(jié)構(gòu)樹的控制策略，有效預(yù)防了用戶之間以及用戶和授權(quán)機(jī)構(gòu)之間的聯(lián)合攻擊。此外，用戶密鑰計(jì)算無需使用全球唯一標(biāo)識（Global Identity， GID），支持匿名用戶跨域數(shù)據(jù)訪問。最后，利用雙線性判定DiffieHellman（Decision Bilinear DiffieHellman， DBDH）假設(shè)理論分析了方案的安全性。研究結(jié)果表明，本方案在解密操作和加解密平均時間上具有較高的性能，能夠有效地應(yīng)用于多授權(quán)機(jī)構(gòu)并存的云存儲環(huán)境。

關(guān)鍵詞：多授權(quán)機(jī)構(gòu)；屬性加密；訪問控制；訪問結(jié)構(gòu)樹；云存儲

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

隨著云存儲業(yè)務(wù)的快速普及，數(shù)據(jù)在云端的安全性問題已經(jīng)成為阻礙其業(yè)務(wù)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸，為此加密技術(shù)被廣泛應(yīng)用于云數(shù)據(jù)存儲服務(wù)中。然而，在采用傳統(tǒng)加密方法的云存儲系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)屬主（DO）需要針對每個用戶的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，不僅加密操作運(yùn)算量較大，而且難于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，不適用于云存儲中海量數(shù)據(jù)加密和用戶間數(shù)據(jù)的安全共享。為此，基于屬性加密（ABE）的方法被認(rèn)為是解決云存儲中數(shù)據(jù)安全和共享的有效加密機(jī)制＼[1＼] 。

ABE方法是由Shamir＼[2＼]在身份基密碼學(xué)的基礎(chǔ)上提出的一種通過用戶屬性控制數(shù)據(jù)加解密的方法，用戶的身份由一系列的屬性定義，訪問控制策略將密文的解密私鑰和用戶的屬性集合相關(guān)聯(lián)。解密時，當(dāng)且僅當(dāng)用戶的屬性集合與密文的訪問控制結(jié)構(gòu)之間的交集達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的門限值時才能解密。ABE方法分為CiphertextPolicy ABE （CPABE）＼[3-4＼]和KeyPolicy ABE（KPABE）＼[5＼]。在CPABE中，密鑰與屬性集相關(guān)，密文與訪問結(jié)構(gòu)樹相關(guān)，若屬性集滿足該訪問結(jié)構(gòu)樹，則用戶可以解密。在KPABE中，密鑰與訪問結(jié)構(gòu)樹相關(guān)，密文與屬性集相關(guān)。針對云存儲中密文更新頻繁，用戶數(shù)量大的特點(diǎn)，CPABE方案更適合于云存儲中的數(shù)據(jù)訪問控制。因此，現(xiàn)有的許多密文訪問控制方法都以CPABE為基礎(chǔ)，如文獻(xiàn)＼[6＼]提出的數(shù)據(jù)外包系統(tǒng)中通過結(jié)合屬性加密和組密鑰分配實(shí)現(xiàn)密文的訪問控制和用戶權(quán)限撤銷，文獻(xiàn)＼[7＼]提出的將密鑰分割和代理重加密相結(jié)合實(shí)現(xiàn)云存儲中的密文訪問控制和權(quán)限撤銷。

湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）2015年

第10期李謝華等：基于MAABE的云存儲訪問控制方法

以上這些方案均僅適用于單授權(quán)機(jī)構(gòu)環(huán)境下的密文訪問控制，即用戶屬性和密鑰的分發(fā)機(jī)構(gòu)均為同一機(jī)構(gòu)，然而，在云存儲快速發(fā)展的背景下，往往存在多個云服務(wù)提供商（即授權(quán)機(jī)構(gòu)）并存的情況。因此，如何實(shí)現(xiàn)在多授權(quán)機(jī)構(gòu)環(huán)境下數(shù)據(jù)的安全跨域共享和訪問控制成為當(dāng)前云數(shù)據(jù)安全領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題。

目前，對于多授權(quán)機(jī)構(gòu)環(huán)境下的密文訪問控制研究主要有Chase＼[8＼]提出的多授權(quán)機(jī)構(gòu)ABE方案， 通過CA將GID和各屬性授權(quán)機(jī)構(gòu)（Attribute Authority， AA）生成的私鑰結(jié)合在一起。然而，由于CA擁有系統(tǒng)的主密鑰和用戶私鑰，其一旦被攻破，將造成數(shù)據(jù)的泄露。為解決CA造成的安全隱患，Lin等人＼[9＼]采用無CA的密鑰分發(fā)和聯(lián)合的零秘密共享技術(shù)，但此技術(shù)最多只能防止m個用戶的聯(lián)合攻擊，一旦串謀用戶的數(shù)目達(dá)到m+1，加密就會不安全。Lewko等人＼[10＼]提出了一種新的基于多授權(quán)機(jī)構(gòu)的CPABE方案，此方案僅在初始化階段采用CA，由CA為授權(quán)機(jī)構(gòu)分發(fā)公共參數(shù)并根據(jù)用戶的請求驗(yàn)證AA，此后CA將不再參與任何運(yùn)算。Sushmita等人＼[11＼]提出了一種云端數(shù)據(jù)的隱私保護(hù)訪問控制方案，在不需要知道用戶身份的情況下云端可以認(rèn)證用戶的合法性。此外，本方案還能抵抗重放攻擊以及支持云端數(shù)據(jù)的更改。Yang等人＼[12＼]提出了DACMACS算法，CA負(fù)責(zé)全局公鑰與私鑰的生成，并為用戶和所有的AA分發(fā)唯一身份標(biāo)識，AA負(fù)責(zé)屬性的分發(fā)以及屬性私鑰的生成。Muller等人[13]提出了采用析取范式（DNF）訪問結(jié)構(gòu)的多授權(quán)的ABE方案，CA負(fù)責(zé)生成用戶的公鑰與私鑰，AA負(fù)責(zé)屬性以及屬性私鑰的分發(fā)，用戶的屬性由授權(quán)機(jī)構(gòu)的身份標(biāo)識和描述屬性的標(biāo)識組成，每個授權(quán)機(jī)構(gòu)能夠獨(dú)立生成以及管理屬性。但是訪問結(jié)構(gòu)中僅支持或門和與門結(jié)構(gòu)，并且CA必須完全可信。Li等人＼[14＼]提出了一種基于KPABE的多授權(quán)機(jī)構(gòu)的ABE方案，但在云存儲環(huán)境下的訪問控制效率較低。Yang等人＼[15-16＼]提出了一種基于屬性的多授權(quán)機(jī)構(gòu)訪問控制方案，方案中都需要引用認(rèn)證機(jī)構(gòu)CA，CA負(fù)責(zé)認(rèn)證所有的授權(quán)機(jī)構(gòu)和用戶，并為他們分發(fā)各自的身份標(biāo)識。當(dāng)需要進(jìn)行屬性撤銷時，AA 只需更新版本號以及公鑰，并將更新的公鑰發(fā)送給DO和用戶。DO將更新的信息以及秘鑰發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的代理重加密。此外，Li等人＼[17＼]提出了一種完全安全的分布式KPABE方案，方案不需要采用CA，AA之間不需進(jìn)行協(xié)商，用戶私鑰與GID相關(guān)聯(lián)，本方案最多能容忍F-1個AA被破壞，但不適用于云存儲環(huán)境的訪問控制。為了解決用戶身份保護(hù)問題，Taeho 等人＼[18＼]提出了一種匿名優(yōu)勢控制方案，實(shí)現(xiàn)云端數(shù)據(jù)的匿名訪問控制以及用戶的身份保護(hù)，訪問結(jié)構(gòu)采用優(yōu)勢樹，但是每個數(shù)據(jù)文件需要多個訪問結(jié)構(gòu)樹驗(yàn)證用戶的身份并賦予用戶相應(yīng)的訪問優(yōu)勢，與現(xiàn)有的方案相比，訪問結(jié)構(gòu)變的更加復(fù)雜。以上這些方法在CA安全性、用戶信息保護(hù)等方面仍存在一些問題：1）CA作為參與屬性私鑰生成的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，對其安全性要求較高，一旦CA被攻破，整個系統(tǒng)的安全性將很難保證。2）用戶屬性私鑰的生成與其全局唯一標(biāo)示符（GID）密切相關(guān)，因此無法支持用戶的匿名通信和身份信息保護(hù)。3）雖然考慮了用戶間的聯(lián)合攻擊，但是對于授權(quán)機(jī)構(gòu)間的聯(lián)合攻擊缺乏必要的防護(hù)手段。4）現(xiàn)有的方法都無法在CPABE庫上直接實(shí)現(xiàn)，加大了系統(tǒng)開發(fā)難度。