基于等級密鑰管理的云外包數(shù)據(jù)安全共享技術(shù)*

孫 力， 韓金倉

(蘭州財(cái)經(jīng)大學(xué) a. 隴橋?qū)W院， b. 信息工程學(xué)院， 蘭州 730101)

云存儲(chǔ)服務(wù)隨著云計(jì)算的快速發(fā)展已被越來越多的用戶應(yīng)用，由于在此存儲(chǔ)形式下的數(shù)據(jù)管理者即云服務(wù)提供商并不是完全可信的[1]，因此要建立相應(yīng)的機(jī)制以確保外包數(shù)據(jù)的隱私.數(shù)據(jù)擁有者的云外包數(shù)據(jù)一般情況下會(huì)被多人協(xié)作共享且共享權(quán)限存在細(xì)粒度需求[2]，所以云外包數(shù)據(jù)的安全共享問題也至關(guān)重要.通常情況下外包數(shù)據(jù)的共享可以看做是等級訪問控制問題，故本文研究設(shè)計(jì)了一種基于線性幾何等級密鑰管理的云外包數(shù)據(jù)共享技術(shù).

1 等級密鑰管理

運(yùn)用一個(gè)偏序集(V，≤)表示等級訪問控制中的等級框架，其中V={V1，V2，…，Vn}為用戶群組集合，Vi為一個(gè)單獨(dú)用戶或多個(gè)擁有同等訪問權(quán)限的用戶組成的訪問群組，通常狀況下稱作類.二元關(guān)系“≤”為集合V中元素的等級關(guān)系，如Vi≤Vj表示類Vj中的用戶可以訪問類Vi對應(yīng)的數(shù)據(jù)資源，即類Vj訪問等級比類Vi高.

任何一個(gè)(V，≤)均可表示成一個(gè)有向圖G=(V，E)[3]，若Vi，Vj∈V同時(shí)Vi≤Vj，則在G中擁有一個(gè)從Vj至Vi的有向邊.為便于表示，定義兩個(gè)集合：Anc(Vi，G)及Des(Vi，G)，若G中有一條從Vi至Vj的路徑，則Vi∈Anc(Vj，G)且Vj∈Des(Vi，G)，其代表等級結(jié)構(gòu)中一個(gè)訪問群組對應(yīng)的訪問權(quán)限分別高于及低于其他訪問群組集合，故稱其分別是Vi的高等及低等級類集.

設(shè)Γ表示一個(gè)等級訪問系統(tǒng)對應(yīng)的訪問圖集合，一個(gè)等級密鑰管理方案包含的兩個(gè)算法如下：

1) 系統(tǒng)建立算法Gen(lκ，G)[4].其性質(zhì)是概率性的，輸入是安全參數(shù)κ及一個(gè)等級結(jié)構(gòu)對應(yīng)的訪問圖G=(V，E)∈Γ，輸出是系統(tǒng)公開參數(shù)pub以及每一個(gè)類Vi∈V對應(yīng)的(pi，ki)，其中，pi及ki分別為類Vi相應(yīng)的私有信息以及對稱加密密鑰.

2) 密鑰派生算法Der(pub，Vi，Vj，pi，ki)[5].其性質(zhì)是確定性的，輸入是系統(tǒng)公開參數(shù)pub、兩個(gè)類Vi和Vj以及類Vi對應(yīng)的(pi，ki)，如果輸出Vj≤Vi，則輸出類Vj對應(yīng)的對稱加密密鑰.

2 線性幾何等級密鑰管理方案

運(yùn)用線性幾何的等級密鑰管理方案框架如圖1所示.

圖1 基于等級密鑰管理的云外包數(shù)據(jù)安全共享框架

Fig.1Cloudoutsourcedshareddatasecuritysharingframeworkbasedonhierarchicalkeymanagement

根據(jù)圖1可知，該方案包括可信第三方、數(shù)據(jù)擁有者、用戶以及云服務(wù)提供商.運(yùn)用等級密鑰管理處理云外包數(shù)據(jù)的安全共享問題時(shí)，數(shù)據(jù)擁有者為該方案中的授權(quán)中心角色，加密共享數(shù)據(jù)同時(shí)把加密后的密文傳輸至云服務(wù)提供商的服務(wù)器上.另外數(shù)據(jù)擁有者定義共享群組的等級結(jié)構(gòu)，同時(shí)完成用戶對外包數(shù)據(jù)的共享請求.所有用戶均能夠向云服務(wù)提供商提出訪問請求，唯有取得私有信息以及對稱加密密鑰的用戶才可解密其共享權(quán)限相對應(yīng)的密文.

偽隨機(jī)函數(shù)F[6]定義為：K×D→RG.其中，K為F的密鑰集合，D及RG表示F的域及區(qū)間.對k∈K，F(xiàn)k(x)=F(k，x)代表F的一個(gè)實(shí)例，設(shè)Rand={g|g∶D→RG}為從D至RG上全部的函數(shù)集合，hF為一個(gè)多項(xiàng)式時(shí)間敵手.對于Rand或F中的函數(shù)g∶D→RG，敵手hF能夠訪問預(yù)言機(jī).

設(shè)定訪問群組Vi，Vj∈V，則Vi至Vj的間接密鑰為

(1)

式中：ki，i及kj，j分別為訪問群組Vi及Vj對應(yīng)的對稱加密密鑰；wi，1及wi，2分別為經(jīng)過偽隨機(jī)函數(shù)F作用于訪問群組Vi的私有信息.

方案構(gòu)建規(guī)則如下：

2.1 Gen(lκ，G)算法的系統(tǒng)構(gòu)建

Gen(lκ，G)算法的構(gòu)建步驟如下：

1) 對類Vi隨機(jī)擇取非零向量Yi=(yi，1，yi，2)及Zi=(zi，1，zi，2)，當(dāng)做其私有信息.

2) 把全部私有向量Yi經(jīng)過偽隨機(jī)函數(shù)F映射至一個(gè)新的向量Wi，具體過程為：

① 在有限域內(nèi)隨機(jī)擇取一個(gè)公開參數(shù)r，隨之運(yùn)算wi，1=Fyi，1(r)及wi，2=Fyi，2(r)，i=1，2，…，n；

② 若wi，2=0，則重新選取參數(shù)r，然后返回至步驟①重新操作.

把Zi轉(zhuǎn)換成一個(gè)n維向量Xi，當(dāng)i=1，2時(shí)，令xi，1=zi，1、xi，2=zi，2、xi，3=xi，4、…、xi，n=0；當(dāng)i=3，4，…，n時(shí)，令xi，1=zi，1、xi，2=zi，2，對于j≠1，均有xi，j=0，則向量X可表示為

(2)

3) 檢測X1，X2，…，Xn是否線性獨(dú)立，若線性無關(guān)，執(zhí)行步驟4)；否則返回至步驟1).

4) 針對每個(gè)類擇取一個(gè)對稱加密密鑰并運(yùn)算公開矩陣A，其計(jì)算步驟如下：

① 對G中的每個(gè)類Vi，在有限域內(nèi)隨機(jī)擇取其對稱加密密鑰ki，i，運(yùn)用式(1)計(jì)算中間密鑰ki，j；

② 依照式(1)得到一個(gè)關(guān)于公開矩陣A的線性方程組，并設(shè)定Kj=(kj，1，kj，2，…，kj，n)及K=[K1，K2，…，Kn]T，則X×A=K；

③ 求解步驟②中的方程組，獲得A=X-1×K.

5) 經(jīng)過安全信道把((Yi，Zi)，ki，i)發(fā)送至Vi中的每個(gè)用戶，把F、r及A發(fā)送至云服務(wù)提供商.

2.2 派生算法Der(pub，Vi，Vj，pi，ki)的構(gòu)建

若Vi中的用戶要得到低等級訪問群組Vj對應(yīng)的共享數(shù)據(jù)，且Vi∈Anc(Vj，G)，則可以通過如下兩個(gè)步驟獲得Vj對應(yīng)的對稱加密密鑰：

1) 運(yùn)用規(guī)則2)運(yùn)算中間密鑰ki，j；

2) 經(jīng)過求解方程kj，j=wi，1ki，i+wi，2ki，j，訪問群組Vj中的用戶便能夠獲得其相對應(yīng)的對稱加密密鑰.

2.3 動(dòng)態(tài)密鑰管理

2.3.1 插入新節(jié)點(diǎn)

對Vi，Vj∈V且Vi

2.3.2 刪除一個(gè)節(jié)點(diǎn)

若等級結(jié)構(gòu)中包含n+1個(gè)群組，數(shù)據(jù)擁有者要從中刪除一個(gè)群組，并設(shè)定刪除的訪問群組是Vl，則務(wù)必要對全部訪問權(quán)限低于Vl的訪問群組進(jìn)行更新以獲得其新對稱加密密鑰，并根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)建算法的步驟重新計(jì)算獲得公開矩陣A.隨之完成對相關(guān)數(shù)據(jù)的重新加密，同時(shí)傳送至云服務(wù)提供商.

3 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證算法計(jì)算性能，對其開銷(存儲(chǔ)開銷[11]與計(jì)算開銷[12])進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析.設(shè)定有限域內(nèi)一個(gè)元素的大小及系統(tǒng)中訪問群組數(shù)量分別為L及n，各訪問群組對應(yīng)的低等級類集中元素個(gè)數(shù)平均值是c.

各訪問群組要保存其私有信息Yi及Zi，因?yàn)檫@兩個(gè)向量都包含兩個(gè)元素，所以各訪問群組中用戶的存儲(chǔ)開銷為4L，數(shù)據(jù)擁有者務(wù)必保存全部訪問群組對應(yīng)的私有信息，故其存儲(chǔ)開銷等于4nL.

設(shè)H為偽隨機(jī)函數(shù)F的一次計(jì)算代價(jià)，a、m及v分別為有限域上完成加法、乘法以及逆運(yùn)算的計(jì)算代價(jià).要得到訪問群組相應(yīng)的對稱加密密鑰，各群組成員需在有限域上運(yùn)算兩次乘法以及一次加法；要獲得一個(gè)訪問權(quán)限低的群組相應(yīng)的對稱加密密鑰，高等級類中的用戶要運(yùn)算2次F，同時(shí)還要完成4次乘法以及2次加法[15]，故其總計(jì)算開銷等于2H+(4c+2)m+(2c+1)a.

數(shù)據(jù)擁有者要運(yùn)算各群組相應(yīng)Yi的偽隨機(jī)函數(shù)F值，其計(jì)算開銷為2nH；隨后運(yùn)算中間密鑰ki，j，要完成2cn次乘法以及n次求逆運(yùn)算；還要運(yùn)算公開矩陣A，要完成不超過3n2+2n+6次的乘法以及n次求逆運(yùn)算，故數(shù)據(jù)擁有者在系統(tǒng)密鑰構(gòu)建歷程中總計(jì)算開銷等于2nH+(3n2+(2c+2)n+6)m+(3n2+(c+2)n+2)a+2nv.

設(shè)定L=160，擇取數(shù)據(jù)擁有者及云服務(wù)提供商的運(yùn)行平臺是DellT5610的工作站，用戶的運(yùn)轉(zhuǎn)平臺為HPXW4600工作站.數(shù)據(jù)擁有者完成系統(tǒng)密鑰構(gòu)建、密鑰派生以及密鑰管理的時(shí)間開銷分別如圖2～4所示.

圖2 完成系統(tǒng)密鑰構(gòu)建的時(shí)間開銷Fig.2 Overhead time of completed establishment of system key

根據(jù)圖2及圖3可知，系統(tǒng)密鑰構(gòu)建以及密鑰派生時(shí)間開銷依著訪問群組數(shù)目n及參數(shù)c的逐漸升高而逐步升高.另外實(shí)驗(yàn)中各用戶得到任何低等級訪問群組對應(yīng)的對稱加密密鑰的時(shí)間是0.001 9 ms.在確定低等級訪問群組集合的前提下，當(dāng)c=5及c=10時(shí)用戶得到全部低等級訪問群組對應(yīng)的對稱加密密鑰時(shí)間分別是0.050 8 ms及0.068 9 ms.任何一個(gè)訪問群組中的用戶在密鑰派生時(shí)，首先經(jīng)過檢測中間密鑰值是否等于0，然后再運(yùn)算全部低等級訪問群組對應(yīng)的對稱加密密鑰的時(shí)間開銷.

圖3 密鑰派生的時(shí)間開銷Fig.3 Overhead time of key derivation

圖4 動(dòng)態(tài)密鑰管理的時(shí)間開銷Fig.4 Overhead time of dynamic key management

根據(jù)圖2及圖4對比可知，動(dòng)態(tài)密鑰管理的計(jì)算時(shí)間要稍微高一點(diǎn)，其主要原因是在密鑰動(dòng)態(tài)管理時(shí)，數(shù)據(jù)擁有者需要搜索訪問圖G以獲得哪些是需要更新的節(jié)點(diǎn)，然后重新?lián)袢ΨQ加密密鑰及與運(yùn)算相關(guān)的中間密鑰.

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了基于線性幾何的等級密鑰管理云外包數(shù)據(jù)安全共享方案，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)構(gòu)建算法、密鑰派生算法以及動(dòng)態(tài)密鑰管理等3條規(guī)則.數(shù)據(jù)擁有者為各訪問群組公開一個(gè)向量，每個(gè)訪問群組的私有向量與其公開向量的內(nèi)積作為其對稱加密密鑰.運(yùn)用間接密鑰，高等級訪問群組中的用戶能夠得到低等級訪問群組的對稱加密密鑰.在解決動(dòng)態(tài)共享權(quán)限密鑰管理過程中，數(shù)據(jù)擁有者僅需更新系統(tǒng)中的公開矩陣即可.根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，該方案是安全且相對非常有效的.