可搜索加密在云計(jì)算移動(dòng)學(xué)習(xí)中的應(yīng)用

劉文哲　朱文焌　何恩惠　翟嫚杰　岳志芳

摘要：基于云計(jì)算的移動(dòng)學(xué)習(xí)是在傳統(tǒng)移動(dòng)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，利用云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)資源檢索功能的一種學(xué)習(xí)方式。為了保證數(shù)據(jù)的安全性，資源發(fā)布者將學(xué)習(xí)資源以密文形式上傳至云服務(wù)器。但云服務(wù)器無法對(duì)加密資源進(jìn)行有效管理，使得密文搜索結(jié)果不能到達(dá)預(yù)期水平。針對(duì)以上問題，文章在云計(jì)算的移動(dòng)學(xué)習(xí)模型基礎(chǔ)上，利用可搜索加密的方法，建立可搜索加密的移動(dòng)學(xué)習(xí)模型，從而確保學(xué)習(xí)資源的隱私性。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)學(xué)習(xí)；可搜索加密；隱私保護(hù)；云計(jì)算

移動(dòng)學(xué)習(xí)是一種依靠無線通信技術(shù)、移動(dòng)計(jì)算技術(shù)，通過移動(dòng)設(shè)備隨時(shí)隨地獲取學(xué)習(xí)資源的學(xué)習(xí)方式。與傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)模式相比，該方式具有學(xué)習(xí)便捷性、教學(xué)個(gè)性化、交互豐富性、情境相關(guān)性等特點(diǎn)。移動(dòng)學(xué)習(xí)為學(xué)生提供了更加方便快捷的學(xué)習(xí)手段，增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率。

隨著互聯(lián)網(wǎng)中信息量的不斷增大，移動(dòng)學(xué)習(xí)資源出現(xiàn)“信息冗余、存儲(chǔ)不足、有所限制”等缺點(diǎn)。由于云計(jì)算的迅速發(fā)展，構(gòu)建基于云計(jì)算的移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)能夠滿足用戶獲取豐富、即時(shí)、準(zhǔn)確學(xué)習(xí)資源的需求。同時(shí)，云計(jì)算平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)資源的整合和海量的存儲(chǔ)，提供強(qiáng)大的計(jì)算能力，使學(xué)習(xí)者能通過移動(dòng)應(yīng)用隨時(shí)隨地地學(xué)習(xí)。但是，在基于云計(jì)算的移動(dòng)學(xué)習(xí)環(huán)境中，不能保障存儲(chǔ)在云服務(wù)器上學(xué)習(xí)資源的安全性。如何構(gòu)建安全的移動(dòng)學(xué)習(xí)模式成為商業(yè)教育機(jī)構(gòu)關(guān)注的課題。

為了解決云計(jì)算環(huán)境下移動(dòng)學(xué)習(xí)的安全問題，在密文存儲(chǔ)的基礎(chǔ)上，文章結(jié)合可搜索加密（SearchableEncryption）方法和移動(dòng)學(xué)習(xí)模式，提出一種基于云計(jì)算的移動(dòng)學(xué)習(xí)安全模型，在確保云資源安全性的同時(shí)，保證移動(dòng)學(xué)習(xí)者信息的隱私性，促進(jìn)移動(dòng)學(xué)習(xí)的發(fā)展。

1 基于云計(jì)算的移動(dòng)學(xué)習(xí)的介紹

在云計(jì)算模式中，互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算架構(gòu)由“服務(wù)器+客戶端”向“云服務(wù)平臺(tái)+客戶端”演變，由云服務(wù)提供商提供具體的硬件配置和更新，用戶端只需通過各種終端設(shè)備獲取自己需求的信息、知識(shí)、服務(wù)等。由于云服務(wù)器具有強(qiáng)大的計(jì)算能力，因而可以存儲(chǔ)海量的教育資源，還能降低移動(dòng)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)成本。云計(jì)算將是未來移動(dòng)學(xué)習(xí)的主要支撐平臺(tái)，也將推動(dòng)移動(dòng)學(xué)習(xí)的發(fā)展。

基于云計(jì)算的移動(dòng)學(xué)習(xí)是在傳統(tǒng)的移動(dòng)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，利用云平臺(tái)對(duì)學(xué)習(xí)資源存儲(chǔ)、計(jì)算的方式。資源發(fā)布者將學(xué)習(xí)資源發(fā)布至云服務(wù)器，利用云計(jì)算技術(shù)對(duì)學(xué)習(xí)資源進(jìn)行存儲(chǔ)、分類并通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)實(shí)現(xiàn)共享，移動(dòng)學(xué)習(xí)者通過自己的移動(dòng)設(shè)備搜索自己所需要的資源，使得學(xué)習(xí)資源達(dá)到最大化共享。同時(shí)，用戶只需要通過自己的移動(dòng)設(shè)備點(diǎn)擊與云服務(wù)器相關(guān)的鏈接，就可以搜索自己所需的學(xué)習(xí)資源，為學(xué)習(xí)者帶來了便利。

2 相關(guān)概念介紹

關(guān)于基于云計(jì)算的移動(dòng)學(xué)習(xí)模型建立在文獻(xiàn)中有詳細(xì)介紹，下面介紹可搜索加密的相關(guān)概念。

2.1 可搜索加密定義

可搜索加密（簡稱SE）是近年來發(fā)展的一種支持用戶在密文上進(jìn)行關(guān)鍵字查找的密碼學(xué)原語，它能夠?yàn)橛脩艄?jié)省大量的網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算開銷，并充分利用云端服務(wù)器龐大的計(jì)算資源進(jìn)行密文上的關(guān)鍵字查找。

2.2 SE機(jī)制分類

基于對(duì)稱密碼學(xué)算法的SE機(jī)制和基于公鑰密碼學(xué)算法SE機(jī)制?；趯?duì)稱密碼學(xué)的SE機(jī)制在文獻(xiàn)[9，10]有詳細(xì)介紹?；诠€密碼學(xué)的SE機(jī)制是在不同的安全假設(shè)下，建立在雙線性對(duì)之上的，在搜索的過程中需要進(jìn)行群元素之間和雙線性對(duì)的計(jì)算。基于公鑰密碼學(xué)的SE機(jī)制在文獻(xiàn)有具體介紹，其優(yōu)點(diǎn)是不需要加密方和解密方事先協(xié)商生成密鑰，用戶可以直接使用對(duì)外公開的公鑰對(duì)關(guān)鍵字集合進(jìn)行加密，為數(shù)據(jù)安全性提供了保證。由于基于對(duì)稱密碼學(xué)的SE機(jī)搜索效率低，不適合云服務(wù)器上的海量資源的搜索，文章介紹的基于云計(jì)算的移動(dòng)學(xué)習(xí)方案主要是根據(jù)公鑰密碼學(xué)算法的SE機(jī)制來實(shí)現(xiàn)的。

2.3 雙線性對(duì)的定義

定義：存在p階群G₁，G₂和雙線性映射e：G₁×G₁→G₂，G1，G2的大小取決于安全參數(shù)。存在以下屬性：

可計(jì)算性：ヨ，h∈G₁，可以在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)計(jì)算出e（g，h）∈G₂。

雙線性：Vx，y∈[1，p]，有e（g^x，g^y）=g（g，g）^xy。

非退化性：如果g是G₁的生成元，那么P（g，g）是G₂的生成元。

2.4 基于公鑰密碼學(xué)的主要算法

以下各算法基于以上的雙線性定義和哈希函數(shù)H₁：{0，1}^*→G₁和H₂：G₂→{0，1}^logP。

KenGen：輸入安全參數(shù)p，群G₁，G₂，p決定了群G₁，G₂的大小。選取隨機(jī)數(shù)α∈_p^*和G，的生成元g，輸出pk=[g，h=g^α]，sK=α。

PEAKS（pk，w）：首先選擇隨機(jī)數(shù)，r∈z_p^*，計(jì)算出t=e（H₁（W），h^r）∈G₂，最后生成的關(guān)鍵字W集合密文為C_W=（g^r，H₂（t））。

Trapdoor（s k，w）：輸入接收者的sk和某一查詢關(guān)鍵字w，T_w=H₁（w）^α∈G₁

Test（p k，S，T_w）：令S=[A，B]，檢查H₂（e（T_w，A））=B是否成立。如果是，輸出Yes，否則輸出No。

2.5 構(gòu)建基于布魯姆過濾器的索引表算法

利用布魯姆過濾器輸出文件編號(hào)為fd的索引I_Did=（D_id，B F）。

Builderlnde x（T_w，I_D）：輸入單詞w的查詢單射函數(shù)T_w=（x₁，…，x_r）∈{0，1}和文件D_id的索引I_Did=（D_id，BF）。計(jì)算D_id內(nèi)的w_u碼字：（y₁=f（D_id，x₁），…，y_r=f（D_id，x_r）∈{0，1}。

檢測y_i，…，y_i所表示的r個(gè)位置在BF內(nèi)是否全為1。如果全為1，輸出1；否則，輸出0。

3 SE機(jī)制下基于云計(jì)算的移動(dòng)學(xué)習(xí)模型建立

3.1 模型介紹

隨著云計(jì)算技術(shù)的成熟和移動(dòng)學(xué)習(xí)的發(fā)展，基于云計(jì)算的移動(dòng)學(xué)習(xí)受到眾多移動(dòng)學(xué)習(xí)者的青睞。然而社會(huì)中的商業(yè)教育機(jī)構(gòu)，并不希望在云服務(wù)器上的學(xué)習(xí)資源得到無限共享，更不希望公開內(nèi)部學(xué)員的學(xué)習(xí)情況。針對(duì)這一問題，資源發(fā)布者以密文形式將學(xué)習(xí)資源發(fā)布到云服務(wù)器上，由于云服務(wù)器無法對(duì)密文進(jìn)行處理，給移動(dòng)學(xué)習(xí)者帶來學(xué)習(xí)上的不便。因此，文章結(jié)合可搜索加密機(jī)制建立基于云計(jì)算的移動(dòng)學(xué)習(xí)模型，為資源發(fā)布者和學(xué)習(xí)者建立更好的學(xué)習(xí)機(jī)制，保證學(xué)習(xí)資源的安全性和隱私性。

在該模型下，數(shù)據(jù)所有者是資源發(fā)布者，用戶是移動(dòng)學(xué)習(xí)者。首先，數(shù)據(jù)所有者對(duì)發(fā)布的資源進(jìn)行預(yù)處理，分為關(guān)鍵字集合和文件，利用布魯姆過濾器構(gòu)建關(guān)鍵字集合的索引，利用公鑰加密算法對(duì)文件加密，將索引和加密的文件上傳至云端。其次，當(dāng)用戶對(duì)資源有需求時(shí)，輸入關(guān)鍵字，利用非對(duì)稱加密算法生成搜索憑證發(fā)送到云端。最后，云服務(wù)器根據(jù)搜索憑證以密文形式返回搜索的結(jié)果，用戶使用自己的密鑰解開即可。例如是學(xué)習(xí)者Alice等的集合，資源的發(fā)布者是Bob，Bob將學(xué)習(xí)資源發(fā)布到云服務(wù)器上并且把密鑰發(fā)送給Alice等人，Alice等人用密鑰得到自己想要的學(xué)習(xí)資源，如圖1所示。

3.2 算法分析

此模型主要用到5種算法：

Setup（k）：輸入安全參數(shù)k，輸出公鑰pk，私鑰sk。

Trapdoor（pk，w）：輸入私鑰sk，關(guān)鍵字w，輸出搜索陷門T_w。

PEAKS（pk，w）：輸入公鑰pk，關(guān)鍵字w，輸出密文C_w。

Buildlndex（D）：輸入關(guān)鍵字集合D，利用布魯姆過濾器輸出索引表I。

Test（pk，S，T_w）：輸入公鑰pk，隨機(jī)數(shù)集S，搜索陷門T_w，輸出待解密的文件。

4 結(jié)語

文章將可搜索加密應(yīng)用于基于云計(jì)算的移動(dòng)學(xué)習(xí)中，在基于公鑰加密的SE機(jī)制中，資源發(fā)布者發(fā)布的信息以密文形式上傳至云服務(wù)器，移動(dòng)學(xué)習(xí)者將想要搜索資源的關(guān)鍵字集合發(fā)送到服務(wù)器，云服務(wù)器根據(jù)收到的信息返回用戶所要的資源，有效地避免了學(xué)習(xí)資源的泄漏?，F(xiàn)代密碼學(xué)技術(shù)與實(shí)際問題的結(jié)合，促進(jìn)了移動(dòng)學(xué)習(xí)的發(fā)展，未來密碼學(xué)將會(huì)應(yīng)用到更廣闊的領(lǐng)域。