云存儲(chǔ)中基于屬性的關(guān)鍵詞搜索加密方案研究

朱智強(qiáng)，蘇航，孫磊，李作輝

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云存儲(chǔ)中基于屬性的關(guān)鍵詞搜索加密方案研究

朱智強(qiáng)，蘇航，孫磊，李作輝

（信息工程大學(xué)三院，河南鄭州 450000）

為保證云端敏感數(shù)據(jù)安全性的同時(shí)提高數(shù)據(jù)共享效率，提出了一種安全、靈活、高效的基于屬性的關(guān)鍵詞搜索加密方案。方案中設(shè)計(jì)了一種需要數(shù)據(jù)擁有者私鑰參與的索引生成機(jī)制抵抗關(guān)鍵詞猜測(cè)攻擊，基于線性秘密共享訪問(wèn)結(jié)構(gòu)描述用戶(hù)的搜索權(quán)限，支持一對(duì)多應(yīng)用場(chǎng)景，借鑒連接子集關(guān)鍵詞搜索技術(shù)和在線/離線思想提高搜索的靈活性和效率。理論分析與實(shí)驗(yàn)評(píng)估結(jié)果表明，該方案具有較高的效率。

可搜索加密；關(guān)鍵詞猜測(cè)攻擊；連接關(guān)鍵詞；在線/離線

1 引言

隨著云存儲(chǔ)技術(shù)迅猛發(fā)展，越來(lái)越多的企業(yè)和個(gè)人選擇在云端存儲(chǔ)和共享數(shù)據(jù)，但由于云端數(shù)據(jù)使用權(quán)和管理權(quán)的分離，數(shù)據(jù)擁有者通常會(huì)加密敏感數(shù)據(jù)以確保其在云端的安全性，這造成了數(shù)據(jù)可供檢索的語(yǔ)義和統(tǒng)計(jì)特性丟失，導(dǎo)致云服務(wù)提供商無(wú)法為用戶(hù)提供數(shù)據(jù)搜索服務(wù)，極大地降低了云端數(shù)據(jù)的共享效率。公鑰可搜索加密技術(shù)（PKES, public key encryption with keyword search）的出現(xiàn)為解決上述問(wèn)題提供了解決方案，該技術(shù)確保只有合法用戶(hù)具備執(zhí)行關(guān)鍵詞搜索的能力，搜索過(guò)程不會(huì)影響數(shù)據(jù)安全性。

近年來(lái)，公鑰可搜索加密技術(shù)得到廣泛研究和快速發(fā)展[1]，為適用于云存儲(chǔ)環(huán)境，公鑰可搜索加密方案需要滿(mǎn)足下述特性。一是抵抗內(nèi)部、外部關(guān)鍵詞猜測(cè)攻擊。由于可搜索加密方案具有一致性，并且關(guān)鍵詞空間具有低熵性，關(guān)鍵詞猜測(cè)攻擊（KGA, keyword guessing attack）（攻擊者通過(guò)收集陷門(mén)信息，利用系統(tǒng)中的公開(kāi)信息生成多個(gè)包含不同關(guān)鍵詞的索引，進(jìn)而推導(dǎo)出陷門(mén)中包含的關(guān)鍵詞信息）往往十分有效。二是支持多用戶(hù)共享檢索。云端數(shù)據(jù)共享的參與者往往是多個(gè)數(shù)據(jù)擁有者與數(shù)據(jù)使用者，為適用于云存儲(chǔ)，要求可搜索加密方案支持一對(duì)多的應(yīng)用場(chǎng)景。三是支持連接關(guān)鍵詞搜索。數(shù)據(jù)使用者通常需要查找多個(gè)關(guān)鍵詞以實(shí)現(xiàn)文件的精確定位，為支持靈活的搜索操作，要求可搜索加密方案支持連接關(guān)鍵詞搜索。四是用戶(hù)計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)較低。當(dāng)前大量移動(dòng)終端參與云端數(shù)據(jù)共享，為支持運(yùn)算能力、電池容量受限的移動(dòng)終端，要求方案減少搜索過(guò)程中用戶(hù)的計(jì)算復(fù)雜度。

1.1 相關(guān)工作

為有效地支持云存儲(chǔ)中的一對(duì)多應(yīng)用場(chǎng)景，Zheng等[2]和Sun等[3]結(jié)合屬性基加密（ABE, attribute-based encryption）技術(shù)與可搜索加密（SE, searchable encryption）技術(shù)，提出基于屬性的關(guān)鍵詞搜索方案（ABKS, attribute-based keyword search），既支持密文數(shù)據(jù)的細(xì)粒度訪問(wèn)控制，又能提供對(duì)密文數(shù)據(jù)的快速檢索，有效提高了云端密文數(shù)據(jù)的共享效率。

KGA最早由Byun等[4]提出，根據(jù)攻擊者所處位置的不同，可分為內(nèi)部KGA和外部KGA[5]，前者主要由PEKS系統(tǒng)中的惡意搜索服務(wù)器發(fā)起；后者由除搜索服務(wù)器外的其他敵手發(fā)起。Wang等[6]提出了一種可抵抗內(nèi)部和外部KGA的搜索方法，即指定多個(gè)搜索服務(wù)器共同參與搜索過(guò)程，但仍無(wú)法抵抗多搜索服務(wù)器的共謀攻擊。Li等[7]提出了一種基于混沌映射的抵抗內(nèi)外KGA的搜索方法，但要求數(shù)據(jù)擁有者實(shí)時(shí)在線，以便與數(shù)據(jù)使用者共享會(huì)話密鑰。林鵬等[8]通過(guò)指定搜索服務(wù)器，提出了一種可抵抗外部KGA的ABKS方案，但方案假設(shè)搜索服務(wù)器是完全可信的，無(wú)法抵抗內(nèi)部KGA。Chen等[9]提出一種基于雙搜索服務(wù)器的PEKS方案，通過(guò)將測(cè)試任務(wù)交給相互獨(dú)立的前端和后端服務(wù)器處理，實(shí)現(xiàn)同時(shí)抵抗內(nèi)部和外部KGA，但該方案的構(gòu)造基于同態(tài)加密，計(jì)算復(fù)雜度較高。Qiu等[10]基于隱藏訪問(wèn)結(jié)構(gòu)的CP-ABE方案，提出了一個(gè)抵抗內(nèi)部KGA和外部KGA的ABKS方案，但需采用受限的“多值與門(mén)”作為訪問(wèn)結(jié)構(gòu)，并且存在與文獻(xiàn)[7]相似的問(wèn)題，即要求數(shù)據(jù)擁有者實(shí)時(shí)在線。

2004年，Golle等[11]首次提出支持連接關(guān)鍵詞搜索的可搜索加密方案，但由于指定了關(guān)鍵詞域且關(guān)鍵詞位置固定，搜索的靈活性較差。Zhang等[12]基于多項(xiàng)式函數(shù)理論，提出一種支持連接子集關(guān)鍵詞公鑰可搜索加密（PECSK, public key encryption with conjunctive-subset keywords search）方案，支持動(dòng)態(tài)關(guān)鍵詞域?；赑ECSK方案的思想，Yang等[13]提出一種適用于E-Health云系統(tǒng)的支持多關(guān)鍵詞連接搜索的PEKS方案。宋衍等[14]提出了一種支持關(guān)鍵詞任意連接的ABKS方案，可靈活地支持一對(duì)多應(yīng)用場(chǎng)景中的多關(guān)鍵詞搜索。

隨著移動(dòng)設(shè)備的普及，Dong等[15]參考Hohenberger等[16]提出的在線/離線屬性基加密方案，將索引算法和陷門(mén)算法分為2個(gè)階段，并在離線階段完成大部分的運(yùn)算工作，有效降低在線階段的計(jì)算負(fù)擔(dān)。陳冬冬等[17]通過(guò)引入在線/離線技術(shù)和外包解密技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種高效的可搜索加密方案，但對(duì)方案的安全性沒(méi)有進(jìn)行形式化證明。

針對(duì)公鑰可搜索加密技術(shù)中支持一對(duì)多應(yīng)用場(chǎng)景、抵抗內(nèi)部外部KGA、支持連接關(guān)鍵詞搜索和在線/離線問(wèn)題，學(xué)術(shù)界展開(kāi)了大量研究，但現(xiàn)有的方案不能同時(shí)解決上述問(wèn)題。

1.2 本文主要工作

本文首次提出一種適應(yīng)于云端數(shù)據(jù)共享的安全、高效、靈活的ABKS方案——O2ABCSKS (online/offline attribute based conjunctive-subset keywords search)，方案具有以下4點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。

1) 抵抗內(nèi)部KGA：設(shè)計(jì)了一種需要數(shù)據(jù)擁有者私鑰參與的索引生成機(jī)制，排除了惡意搜索服務(wù)器構(gòu)造偽造索引的可能。

2) 支持一對(duì)多應(yīng)用場(chǎng)景：采用具有強(qiáng)表達(dá)力的線性秘密共享（LSSS, linear secret sharing scheme）訪問(wèn)結(jié)構(gòu)描述用戶(hù)的搜索權(quán)限，支持一對(duì)多的應(yīng)用場(chǎng)景。

3) 搜索靈活性較高：支持連接關(guān)鍵詞搜索，提供靈活的多關(guān)鍵詞搜索功能。

4) 用戶(hù)計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)低：較其他訪問(wèn)結(jié)構(gòu)，采用LSSS訪問(wèn)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)有所增加，為降低用戶(hù)端的開(kāi)銷(xiāo)，引入離線在線思想，將索引和陷門(mén)算法分為在線和離線2個(gè)階段執(zhí)行。離線階段中索引和陷門(mén)算法使用的關(guān)鍵詞、屬性列表或訪問(wèn)結(jié)構(gòu)等信息未知，該階段承擔(dān)算法中大部分的計(jì)算量；在線階段已知關(guān)鍵詞、屬性列表或訪問(wèn)結(jié)構(gòu)等信息后，僅需少量計(jì)算即可完成索引和陷門(mén)算法。離線階段可在設(shè)備空閑時(shí)執(zhí)行，大大降低了在線階段的運(yùn)算量。

2 預(yù)備知識(shí)

2.1 雙線性映射及困難性假設(shè)

定義1 雙線性映射。

定義2-DPBDHE（-decisional parallel bilinear Diffie-Hellman exponent assumption）假設(shè)[18]。

定義3 DDDH（divisible decisional Diffie- Hellman assumption）假設(shè)[19]。

2.2 線性秘密共享方案

定義4 線性秘密共享方案[18]。

3 算法定義及安全模型

3.1 系統(tǒng)模型

系統(tǒng)中有4類(lèi)實(shí)體：云服務(wù)提供商（CSP, cloud service provider）、授權(quán)機(jī)構(gòu)（AA, authorized authority）、數(shù)據(jù)擁有者（DO, data owner）以及數(shù)據(jù)使用者（DU, data user）。

1) 云服務(wù)提供商

CSP為系統(tǒng)中的用戶(hù)提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、關(guān)鍵詞搜索等服務(wù)。在本文方案中，CSP是“誠(chéng)實(shí)但具有好奇心的”，CSP會(huì)如實(shí)執(zhí)行既定的操作，但它也可能攻擊云端存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)以獲取其中的信息。

2) 授權(quán)機(jī)構(gòu)

AA負(fù)責(zé)系統(tǒng)建立、用戶(hù)密鑰等生成工作，是系統(tǒng)中唯一的可信第三方。

3) 數(shù)據(jù)擁有者

DO可加密數(shù)據(jù)，生成關(guān)鍵詞索引，并將其數(shù)據(jù)密文及關(guān)鍵詞索引上傳至云端。

圖1 工作流程

4) 數(shù)據(jù)使用者

DU可向CSP請(qǐng)求關(guān)鍵詞搜索服務(wù)，并從CSP處獲取搜索結(jié)果。

在云存儲(chǔ)環(huán)境中，使用本方案進(jìn)行數(shù)據(jù)共享的工作流程如圖1所示。

1) AA建立系統(tǒng)。

2) DO在AA處注冊(cè)，AA生成用戶(hù)密鑰并發(fā)送給DO。

3) DO加密待上傳云端的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)中挑選關(guān)鍵詞并生成關(guān)鍵詞索引。

4) DO將密文及索引上傳至云端。CSP存儲(chǔ)密文及相應(yīng)的關(guān)鍵詞索引。

5) DU在AA處注冊(cè)。AA生成用戶(hù)密鑰并發(fā)送給DU。

6) DU選取待搜索數(shù)據(jù)集合及待搜索關(guān)鍵詞，生成搜索陷門(mén)。

7) DU將搜索陷門(mén)上傳至搜索服務(wù)器，搜索服務(wù)器執(zhí)行搜索操作并將結(jié)果發(fā)送給DU。

8) DU解密密文數(shù)據(jù)得到明文。

3.2 算法定義

定義5 本文提出的方案包括7個(gè)算法，算法定義如下。

3.3 安全模型

定義6 索引保密性。

考慮數(shù)據(jù)擁有者存儲(chǔ)在云端數(shù)據(jù)的安全性，保證索引不會(huì)泄露其為數(shù)據(jù)選取的關(guān)鍵詞信息，方案需要達(dá)到選擇關(guān)鍵詞明文攻擊的不可區(qū)分性安全(IND-CKA)。攻擊者和挑戰(zhàn)者之間在選擇模型下的攻擊游戲定義如下。

系統(tǒng)建立：挑戰(zhàn)者C運(yùn)行系統(tǒng)建立算法，生成系統(tǒng)公開(kāi)參數(shù)以及主密鑰，將公開(kāi)參數(shù)其發(fā)送給敵手A，并秘密地保存主密鑰。

階段1 A對(duì)下述預(yù)言機(jī)進(jìn)行多項(xiàng)式次數(shù)的詢(xún)問(wèn)，C按照下述方法回答A的查詢(xún)。

定義7 陷門(mén)保密性。

考慮數(shù)據(jù)使用者搜索過(guò)程的安全性，保證其生成的陷門(mén)不會(huì)泄露當(dāng)前搜索關(guān)鍵詞信息，方案需要達(dá)到選擇關(guān)鍵詞明文攻擊的不可區(qū)分性安全。攻擊者和挑戰(zhàn)者之間在選擇模型下的攻擊游戲定義如下。

系統(tǒng)建立：挑戰(zhàn)者C運(yùn)行系統(tǒng)建立算法，生成系統(tǒng)公開(kāi)參數(shù)以及主密鑰，將公開(kāi)參數(shù)發(fā)送給敵手A，秘密地保存主密鑰。

4 O2ABCSKS方案

ABKS方案的主要應(yīng)用場(chǎng)景如下[18]：為提高數(shù)據(jù)共享效率，數(shù)據(jù)擁有者為其數(shù)據(jù)挑選關(guān)鍵詞，并生成關(guān)鍵詞索引，使預(yù)期的接收者可以安全高效地實(shí)施密文搜索。因此，在實(shí)際搜索過(guò)程中，數(shù)據(jù)使用者獲取數(shù)據(jù)擁有者的公鑰信息是可行的。基于上述分析，本文構(gòu)造了一種可抵抗內(nèi)部KGA和外部KGA的索引生成機(jī)制，該機(jī)制的實(shí)施方法如下。授權(quán)機(jī)構(gòu)在用戶(hù)注冊(cè)時(shí)為用戶(hù)產(chǎn)生包括一個(gè)公私鑰對(duì)在內(nèi)的搜索密鑰；數(shù)據(jù)擁有者生成索引時(shí)使用自己私鑰簽名生成的關(guān)鍵詞索引；而數(shù)據(jù)使用者在搜索過(guò)程中指定待搜索數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)擁有者，并使用該數(shù)據(jù)擁有者的公鑰加密搜索陷門(mén)。

基于上述索引生成機(jī)制，構(gòu)造用來(lái)對(duì)O2ABCSKS方案發(fā)起KGA的偽造索引，需要數(shù)據(jù)擁有者的私鑰。對(duì)于外部關(guān)鍵詞猜測(cè)攻擊，發(fā)起KGA的敵手為惡意用戶(hù)，它可截獲陷門(mén)信息，但是它無(wú)法從中猜測(cè)出指定的待搜索數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)擁有者，因此無(wú)法構(gòu)造可有效發(fā)起攻擊的偽造索引。對(duì)于內(nèi)部關(guān)鍵詞猜測(cè)攻擊，發(fā)起KGA的敵手為惡意搜索服務(wù)器，它可截取陷門(mén)信息，并通過(guò)執(zhí)行搜索算法可猜測(cè)出陷門(mén)中指定的數(shù)據(jù)擁有者信息以及執(zhí)行算法過(guò)程中產(chǎn)生的中間參數(shù)，但是除非搜索服務(wù)器可攻破離散對(duì)數(shù)假設(shè)，否則無(wú)法獲取數(shù)據(jù)擁有者的私鑰，因此也無(wú)法構(gòu)造可有效進(jìn)行KGA的偽造索引。

4.1 具體構(gòu)造

方案中使用的部分符號(hào)描述如表1所示。

表1 符號(hào)定義

此階段由于需加密的數(shù)據(jù)集是未知的，數(shù)據(jù)擁有者無(wú)法精確地選定關(guān)鍵詞以及訪問(wèn)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)屬性按照下述步驟執(zhí)行該算法。

4.2 算法一致性

若數(shù)據(jù)使用者的屬性集滿(mǎn)足數(shù)據(jù)擁有者制定的訪問(wèn)結(jié)構(gòu)，則

若數(shù)據(jù)使用者選取的關(guān)鍵詞都在數(shù)據(jù)擁有者設(shè)置的關(guān)鍵詞集合內(nèi)，則

故本方案滿(mǎn)足計(jì)算一致性。

5 方案分析

5.1 安全性證明

定理1 若-DPBDHE假設(shè)成立，則方案滿(mǎn)足索引保密性。

定理2 若DDDH假設(shè)成立，則方案滿(mǎn)足陷門(mén)保密性。

初始化：挑戰(zhàn)者C將DDDH數(shù)組發(fā)送給仿真器∑。

因此，A在安全性游戲中的優(yōu)勢(shì)是可忽略的。

5.2 理論分析

Sun等[3]、林鵬等[8]、宋衍等[14]以及Qiu等[10]提出的方案是近年來(lái)較為著名的ABKS方案，本節(jié)從功能和效率方面將本文提出的方案與上述方案進(jìn)行對(duì)比。

功能對(duì)比如表2所示，本文提出的方案采用的是LSSS訪問(wèn)結(jié)構(gòu)，具有較好的表達(dá)能力，而文獻(xiàn)[3]與文獻(xiàn)[10]中的方案采用AND訪問(wèn)結(jié)構(gòu)，表達(dá)能力較弱；本文方案與文獻(xiàn)[14]的方案支持連接關(guān)鍵詞搜索，具有較高的靈活性；本文中的方案與文獻(xiàn)[10]方案可抵抗外部與內(nèi)部KGA，具有較高的安全性。

表2 功能對(duì)比結(jié)果

表3 效率對(duì)比結(jié)果

5.3 實(shí)驗(yàn)評(píng)估

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)本文提出的算法與文獻(xiàn)[14]中的算法進(jìn)行進(jìn)一步的性能評(píng)估。實(shí)驗(yàn)的硬件環(huán)境為Intel Core i5，2.4 GHz處理器，操作系統(tǒng)為環(huán)境為64 bit Ubuntu操作系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)基于Charm架構(gòu)，選用MNT224橢圓曲線。

圖2 屬性數(shù)量對(duì)運(yùn)行時(shí)間的影響

圖3 關(guān)鍵詞數(shù)量對(duì)運(yùn)行時(shí)間的影響

6 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)關(guān)鍵詞猜測(cè)攻擊、連接關(guān)鍵詞搜索以及效率問(wèn)題，提出一種適合云存儲(chǔ)環(huán)境的基于屬性的關(guān)鍵詞搜索方案，該方案可抵抗內(nèi)部和外部關(guān)鍵詞猜測(cè)攻擊，采用具有強(qiáng)表達(dá)力的LSSS訪問(wèn)結(jié)構(gòu)，支持連接關(guān)鍵詞搜索，支持在線/離線。理論分析和實(shí)驗(yàn)評(píng)估表明，本文提出的方案是實(shí)用、安全且高效的。下一步將在此方案的基礎(chǔ)上，對(duì)搜索結(jié)果的可驗(yàn)證性以及方案的效率進(jìn)行研究，使方案更加實(shí)用。

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Research on attribute-based encryption with keyword search for cloud storage

ZHU Zhi-qiang, SU Hang, SUN Lei, LI Zuo-hui

(The Third Party, Information Engineering University, Zhengzhou 450000, China)

To safeguard the sensitive data stored on the cloud and promote the efficiency of data sharing simultaneously, a secure flexible and efficient attribute-based encryption scheme with keyword search is proposed, which designs an index generation mechanism that requires the private key of data owner to resist the keyword guessing attack, supports one-to-many application scenarios based on the linear secret shared access structure, introduces the conjunctive subset keyword search technique and online/offline technique to improve search flexibility and efficiency. Theoretical analysis and experimental evaluation show that the proposed scheme enjoys high efficiency.

searchable encryption, keyword guessing attack, conjunctive keyword, online/offline

TP311

A

10.11959/j.issn.2096-109x.2017.00214

朱智強(qiáng)（1961-），河南駐馬店人，博士，信息工程大學(xué)教授，主要研究方向?yàn)樾畔踩?/p>

蘇航（1994-），女，湖北隨州人，信息工程大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)樾畔踩?/p>

孫磊（1973-），河南洛陽(yáng)人，博士，信息工程大學(xué)研究員，主要研究方向?yàn)樾畔踩?/p>

李作輝（1981-），湖南衡陽(yáng)人，博士，信息工程大學(xué)副研究員，主要研究方向?yàn)楣€密碼。

2017-08-25；

2017-10-19。

蘇航，suhang_039@163.com

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃基金資助項(xiàng)目（No.2016YFB0501900）

The National Key R&D Program of China (No.2016YFB0501900)