屬性加密算法用于網(wǎng)絡(luò)健康數(shù)據(jù)隱私保護(hù)

陳向陽，凌寶紅，胡東輝

國外早些年間就已經(jīng)提出健康管理的概念[1]。所謂健康管理，就是基于身體保健、醫(yī)學(xué)診療服務(wù)系統(tǒng)，結(jié)合信息管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對個人健康的維護(hù)和監(jiān)測，其意義和目的在于通過日常和初期的健康咨詢來幫助人們遠(yuǎn)離一些疾病和健康隱患，維護(hù)個人健康?；ヂ?lián)網(wǎng)模式的健康服務(wù)已經(jīng)漸漸轉(zhuǎn)變成為一種全新的生活方式，但是遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)也埋下了一系列可能發(fā)生的健康數(shù)據(jù)隱私問題的隱患。病人的資料、病史等信息存儲在服務(wù)器上，一旦這些數(shù)據(jù)被泄露出去，將會給用戶（即病人）帶來許多未知的損失或傷害。所以在遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)中，病人的健康數(shù)據(jù)隱私保護(hù)問題是安全問題的重中之重。

因此，本文提出一種基于屬性加密網(wǎng)絡(luò)的健康數(shù)據(jù)隱私保護(hù)方法，優(yōu)化解密策略及解密計(jì)算公式，為基于互聯(lián)網(wǎng)的健康服務(wù)提供安全保障。

1 屬性加密算法

在基于身份加密體制（IBE）的基礎(chǔ)上，Sahai和Waters[2]首次于2005年提出基于屬性的加密體制（ABE）。之后，為了提升訪問控制策略的復(fù)雜性和有效性，密鑰策略基于屬性的加密(KP-ABE)方案在2006年被Goyal[3]等提出，該方案把一個屬性集與密文關(guān)聯(lián)到一起，而密鑰則被關(guān)聯(lián)到訪問結(jié)構(gòu)，只有通過驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)密文中的屬性集與使用者的訪問結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，用戶才能獲取明文信息。2007年，首個基于屬性的密文策略加密(CP-ABE)方案[4]被提出，與KP-ABE不同，Bethencourt等將用戶私鑰和一個屬性集關(guān)聯(lián)起來，而密文和一個訪問結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)，用戶要想將密文解密，其屬性集必須要使訪問結(jié)構(gòu)得到滿足。只有通過驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)用戶的屬性集與訪問結(jié)構(gòu)相符合，才能獲取明文信息。

1.1 CP-ABE算法描述

密文策略的屬性加密方案包含4個部分[5]，分別如圖1～4所示，其中第4步的解密算法中，訪問結(jié)構(gòu)A是隱藏在密文CT中的。

圖1 系統(tǒng)初始化

圖2 加密算法Encrypt(PK,M,A)

圖3 密鑰抽取

圖4 解密算法Decrypt(PK,CT,SK)

1.2 CP-ABE安全模型

CP-ABE的安全模型與其他一些身份加密相似[6-7]，攻方可以向守方詢問任意的SK，但是它無法對守方所掌握的CT進(jìn)行解密。整個攻防過程如下：

(1)守方通過圖1的算法將系統(tǒng)生成的PK共享給攻方。

(2)攻守雙方第一階段：攻方生成若干個與管理屬性集S相對應(yīng)的私鑰，向守方提交長度一樣的兩個消息及一個用于進(jìn)攻的訪問策略B，而且S中的任何一個屬性集都不滿足此處的訪問策略B。守方隨機(jī)選擇x（0或1）并在B下加密明文Mx，再將密文傳送給攻方。

(3)攻守雙方第二階段：攻方繼續(xù)生成若干個與管理屬性集S相對應(yīng)的私鑰，依然保證任意一個屬性集不能滿足B，守方進(jìn)行上面相同的操作。

(4)攻方猜測一個x'，如果x=x'的概率達(dá)到50%表示攻方獲勝。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)庫E－R圖

每個用戶可以發(fā)出多條咨詢消息，每條咨詢消息僅由一位用戶發(fā)出。每個用戶每天都可記錄多條信息，每次保存的記錄內(nèi)容都會顯示記錄時(shí)間，每條內(nèi)容僅有一位用戶記錄?？梢杂卸鄠€醫(yī)生對同一個咨詢內(nèi)容進(jìn)行回復(fù)，每條回復(fù)單獨(dú)顯示且每條信息的發(fā)出者為一個人；一個醫(yī)生也可以給多條信息發(fā)出回復(fù)，如圖5所示。

圖5 E-R圖

2.2 加密設(shè)計(jì)

2.2.1 數(shù)據(jù)庫庫外加密

采用屬性加密技術(shù)是一種數(shù)據(jù)庫外的加密方法[8]。在庫外加密方式[9]中，加解密過程發(fā)生在DBMS（Database Management System）之外，密文由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)管理，用戶在客戶端完成加密與解密，該過程也可由專門設(shè)備完成。數(shù)據(jù)庫庫外加密的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：1）為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)減負(fù)；2）加密密鑰與加密數(shù)據(jù)分開存儲，安全性更高；3）實(shí)現(xiàn)端到端的網(wǎng)絡(luò)密文傳遞。

2.2.2 屬性加密設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫中使用屬性加密，是對數(shù)據(jù)庫中部分字段信息進(jìn)行加密[10]，較少的使用密鑰，因而可行。本設(shè)計(jì)中，用戶并不是所有資料都需要加密，對于其所分享的醫(yī)生來說，如身份證號、具體住址等信息是不需要可見的。

（1）系統(tǒng)角色

在此人體健康數(shù)據(jù)隱私保護(hù)系統(tǒng)中，連接服務(wù)器后的4個角色包括[11]：1）向醫(yī)生進(jìn)行健康咨詢普通用戶為數(shù)據(jù)提供者；2）為病人進(jìn)行診斷的醫(yī)生為數(shù)據(jù)接收者；3）數(shù)據(jù)共享存儲中心；4）密鑰分發(fā)者。密鑰分發(fā)中心為可信第三方。

（2）系統(tǒng)構(gòu)造

在此系統(tǒng)中，有3個主要階段[11]，分別是系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)生成和數(shù)據(jù)分享。具體描述如下：

（?。┫到y(tǒng)初始化：該階段可分為系統(tǒng)生成和密鑰生成兩個子階段。系統(tǒng)生成階段，輸入系統(tǒng)安全參數(shù)K，獲得所用到的Hash函數(shù)與群結(jié)構(gòu)等并取得公鑰－私鑰對。密鑰生成階段，驗(yàn)證咨詢醫(yī)生屬性，如果符合，運(yùn)行基于屬性加密的密鑰生成算法，得到一個與醫(yī)生屬性相應(yīng)的密鑰sk，并將其傳送給咨詢醫(yī)生。

（ⅱ）數(shù)據(jù)生成：普通用戶根據(jù)數(shù)據(jù)共享的要求找到符合自己的咨詢醫(yī)生，運(yùn)用自己的公鑰運(yùn)行基于屬性加密算法并將獲得的密文傳送到數(shù)據(jù)共享中心，只要屬性符合共享要求，普通用戶即可使用手中的私鑰對密文信息進(jìn)行解密。

（ⅲ）數(shù)據(jù)共享：屬性相符的數(shù)據(jù)提供者或數(shù)據(jù)接收者向數(shù)據(jù)共享存儲中心發(fā)出數(shù)據(jù)獲取請求，數(shù)據(jù)共享存儲中心返回?cái)?shù)據(jù)即可。

3 效率優(yōu)化和性能分析

3.1 效率優(yōu)化與分析

系統(tǒng)初始化時(shí)，需要選擇一個素?cái)?shù)階的雙線性群，再隨機(jī)選擇兩個參數(shù)，決定公開參數(shù)PK，從而確定主密鑰MK；加密算法Encrypt(PK,M,A)是在訪問結(jié)構(gòu)A中對明文M進(jìn)行加密，算法首先為A中的每個結(jié)點(diǎn)x選擇一個多項(xiàng)式qx，這些多項(xiàng)式會以自頂向下的方式逐一確定，對每個qx設(shè)置其次數(shù)為其門限值減一；解密算法Decrypt(PK,CT,SK)也是一個遞歸算法，需要定義每個結(jié)點(diǎn)的遞歸解密算法。CP－ABE的遞歸運(yùn)算中，要判斷每個葉子結(jié)點(diǎn)是否滿足訪問結(jié)構(gòu)A需要對它進(jìn)行兩次雙線性運(yùn)算，還需做一次指數(shù)運(yùn)算打開門限。如果A很復(fù)雜會嚴(yán)重影響解密效率。文獻(xiàn)[12]對這一算法進(jìn)行了優(yōu)化，并提出了兩種方案。

（1）優(yōu)化解密策略

實(shí)際上，對訪問結(jié)構(gòu)樹的所有節(jié)點(diǎn)來說，除了門限值K個子節(jié)點(diǎn)外，其余子結(jié)點(diǎn)都可以去除，因此在尋找屬性是否滿足訪問策略時(shí)，不考慮多余的子節(jié)點(diǎn)將會省去許多雙線性配對運(yùn)算?？梢詷?gòu)造一個遞歸函數(shù)restrict(T,M)，M為訪問結(jié)構(gòu)樹T的一個子集，其中M滿足條件：只包含T中為其定義的節(jié)點(diǎn)個數(shù)N，去除其子節(jié)點(diǎn)X中的孩子樹小于X的門限值的節(jié)點(diǎn)。

（2）優(yōu)化解密計(jì)算公式

M所有的葉節(jié)點(diǎn)記為集L，對L中任一元素l，定義從葉節(jié)點(diǎn)l到根節(jié)點(diǎn)r的路徑為

定義節(jié)點(diǎn)x的兄弟節(jié)點(diǎn)集合為

定義了上面的符號，解密算法可直接運(yùn)算得到，省去了遞歸過程中的雙線性運(yùn)算。首先對于l∈L，計(jì)算：

其中，i=index(i),S={index(y)|y∈sibs(x)}，那么可以直接運(yùn)算根節(jié)點(diǎn)的解密算法得到整個方案的解密結(jié)果：

假如屬性空間全集為U，則原始方法需要進(jìn)行雙線性配對的次數(shù)為2|U|。通過這種方法可以將雙線性運(yùn)算減少到2|L|對，極大地提高了解密效率。

3.2 隱私安全性分析

采用數(shù)據(jù)庫外加密，即屬性加密，對用戶數(shù)據(jù)庫中少部分字段進(jìn)行加密，如用戶的身份證號、家庭住址等；用戶在編輯資訊內(nèi)容時(shí)會選擇咨詢對象，用戶的選擇就構(gòu)成了一個屬性范圍，只有其屬性符合這個屬性范圍的醫(yī)生才可以查看用戶發(fā)出的該條咨詢內(nèi)容；這有效地保護(hù)了用戶隱私信息。例如在圖6的醫(yī)院信息系統(tǒng)中，患者需要遠(yuǎn)程上傳自己的電子病歷到醫(yī)院信息系統(tǒng)中，以供醫(yī)生翻閱?；颊呖梢詫ψ约旱碾娮硬v中不同的就診信息指定不同的醫(yī)療專業(yè)人員的屬性（例如職務(wù)、所處科室等），然后患者可以在客戶端利用以上屬性加密策略對自己的就診信息進(jìn)行加密、上傳，加入自己的電子健康檔案。因此保存在醫(yī)院信息系統(tǒng)中的只有加密之后的患者信息。為了保護(hù)患者的個人信息，可信第三方（如政府衛(wèi)生機(jī)構(gòu)）向患者和醫(yī)護(hù)人員發(fā)放了私鑰。只有患者本人或者滿足該訪問控制策略的醫(yī)護(hù)人員才能對數(shù)據(jù)進(jìn)行解密。

圖6 屬性加密結(jié)構(gòu)圖

4 總結(jié)與展望

本文給出了CP-ABE算法描述、安全模型及方案構(gòu)造，對網(wǎng)絡(luò)健康數(shù)據(jù)采用屬性加密，優(yōu)化了解密策略及解密計(jì)算公式，使用戶的健康數(shù)據(jù)得到了一定的保障。下一步研究將考慮在屬性加密過程中加入時(shí)間戳，即可實(shí)現(xiàn)分時(shí)段的解密，醫(yī)生只能解密提取某段時(shí)間的數(shù)據(jù)。

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