無安全信道的注冊用戶公鑰可搜索加密方案

鄧銀娟,杜紅珍,竇曉霞

(寶雞文理學(xué)院數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院,陜西 寶雞 721013)

0 引 言

2000年Song等人[1]在對稱密碼體制的基礎(chǔ)上提出了可搜索加密的概念，標(biāo)志著可搜索加密技術(shù)的誕生。此技術(shù)解決了在云存儲下進行數(shù)據(jù)搜索時可能產(chǎn)生的用戶敏感數(shù)據(jù)泄露的問題。通過可搜索加密技術(shù)，將與搜索關(guān)鍵詞相對應(yīng)的陷門提供給云端服務(wù)器，服務(wù)器匹配密文文件與陷門，從而將包含特定關(guān)鍵詞的文件檢索出來，并將文件返回給用戶。就服務(wù)器而言，除可以猜測任意2個搜索到的文件是否包含相同關(guān)鍵詞以外，不會得到存儲在云中的原始文件的任何信息。Goh[2]給出了一個對稱的可搜索加密方案，并且對其安全性給出了形式化定義。

2004年Boneh等人[3]給出了一個新的密碼原語——公鑰可搜索加密(Public key Encryption with Keyword Search, PEKS)，從而解決了存儲在云中數(shù)據(jù)的安全性同搜索效率之間的矛盾。隨后Park等人[4-5]在文獻[3]方案的基礎(chǔ)上給出了連接關(guān)鍵詞搜索方案和數(shù)據(jù)外包下的可搜索方案，擴展了可搜索加密的實用性。但傳統(tǒng)的PEKS方案在實用性方面存在著一個很大的缺陷，即陷門在接收者與服務(wù)器之間需要由安全信道來傳送，但此要求在大多數(shù)情況下是無法實現(xiàn)或?qū)崿F(xiàn)時代價過高。

2008年Baek等人[6]給出了一種無安全信道的可搜索公鑰加密(Secure-Channel Free Public key Encryption with Keyword Search, SCF-PEKS)技術(shù)，該技術(shù)避免了PEKS方案必須要安全信道的缺陷。然而該方案的安全性是基于隨機預(yù)言機模型的。2009年，F(xiàn)ang等人[7]首次在標(biāo)準(zhǔn)模型下，提出了一個可證明安全的SCF-PEKS方案，該方案是基于Gentry[8]身份進行加密方案構(gòu)造的，因為方案中利用了檢測算法，所以效率不是很高。2011年，Emura等人[9]構(gòu)造了具有自適應(yīng)安全的SCF-PEKS方案，該方案利用了實時性加密技術(shù)。2014年，孫婷等人[10]利用模糊身份加密的方法,在解決分布式系統(tǒng)進行關(guān)鍵字搜索的情景中，給出了一個新的公鑰可搜索加密方案，并分析了方案的完善性。同時，劉鵬亮等人[11]給出了一種基于EIGamal算法的公鑰可搜索加密方案，而非一般的基于雙線性對。2015年，Emura等人[12]在文獻[9]的基礎(chǔ)上，利用劃分密文結(jié)構(gòu)的基于身份的加密方法構(gòu)造了效率更高的SCF-PEKS方案。同年，Guo等人[13]提出的SCF-PEKS方案不僅抵抗選擇關(guān)鍵字攻擊(INDistinguishability of SCF-PEKS against Chosen Keyword Attack, IND-SCF-CKA)，而且抵抗關(guān)鍵字猜測攻擊(IND-KGA)，使得該方案更加安全。同時，林楠等人[14]為了優(yōu)化返回搜索結(jié)果的目的而提出了一種排序非對稱的PEKS方案。李真等人[15]給出了一個多用戶可搜索方案，滿足自主授權(quán)，且不需要可信的用戶管理中心，但該方案是在隨機預(yù)言機模型下證明的安全性。2016年，Wang等人[16]提出了一個多個關(guān)鍵字的SCF-PEKS，與文獻[6]的多關(guān)鍵詞PEKS方案相比有更好的性能。Lu等人[17]給出了一種連接關(guān)鍵詞的可搜索加密方案，具有很好效率。徐磊等人[18]提出了一個高效的PEKS方案，因為該方案減短了系統(tǒng)參數(shù)。Jiang等人[19]提出了一個新的授權(quán)SCF-PEKS方案，可抗關(guān)鍵字猜測攻擊，并且使得授權(quán)口令與授權(quán)集合長度獨立，大大降低了帶寬負載。2019年，程晉雪等人[20]提出了一個雙系統(tǒng)可搜索加密方案，解決了如何將雙系統(tǒng)轉(zhuǎn)化至非安全信道。曹素珍等人[21]給出了一種多關(guān)鍵詞公鑰PEKS，對用戶進行身份驗證，該方案可以抗關(guān)鍵字猜測。王少輝等人[22]給出了一種更高效的公鑰可搜索加密方案，抗內(nèi)部關(guān)鍵字攻擊。曾琦等人[23]結(jié)合公鑰加密和可搜索加密給出了一種新的加密方案。李士強等人[24]給出了一個標(biāo)準(zhǔn)模型下的SCF-PEKS方案，相對于之前的方案更高效，方案基于判定性子群和DBDH假設(shè)，抗選擇關(guān)鍵詞攻擊。

本文在標(biāo)準(zhǔn)模型下提出一種可以允許多用戶注冊使用的安全高效的SCF-PEKS方案，在靜態(tài)假設(shè)下驗證了該方案的安全性，基于判定性子群假設(shè)，在選擇關(guān)鍵詞的攻擊下是安全的，并與文獻[24]進行對比，具有更好的驗證效率。

1 預(yù)備知識

1.1 合數(shù)階雙線性群

定義1合數(shù)階雙線性群。設(shè)G、GT都為階等于N=p1p2p3的雙線性循環(huán)群，p1、p2、p3是3個互不相同的素數(shù)。雙線性映射e:G×G→GT滿足以下3個性質(zhì)：

1)雙線性。?g,h∈G，a,b∈ZN，有e(ga,hb)=e(g,h)ab。

2)非退化性。?g∈G，e(g,g)≠1。

3)可計算性。群G和群GT中的所有運算，雙線性運算e都可以在多項式時間內(nèi)完成。

設(shè)Gp1、Gp2和Gp3分別表示群G的子群，其階依次為p1、p2和p3，則Gp1、Gp2和Gp3相互正交。

1.2 判定性子群假設(shè)

對于給定群生成器G，輸入安全參數(shù)λ，定義以下分布：

D=(gi,gj,g(i,j))

1.3 SCF-PEKS定義

定義2SCF-PEKS。SCF-PEKS方案由以下6個算法構(gòu)成：

1)GlobalSetup(λ):以安全參數(shù)λ為輸入，輸出全局參數(shù)GP。

2)KeyGenserver(GP)：輸入上述算法得到的全局參數(shù)GP，用以生成服務(wù)器S的公私鑰對(pks,sks)。

3)KeyGenReceiver(GP)：輸入全局參數(shù)GP，輸出接收者R公私鑰對(pkR,skR)。

4)SCF-PEKS(GP,pks,pkR,w′):輸入全局參數(shù)GP，服務(wù)器的公鑰pks，接收者的公鑰pkR和關(guān)鍵詞w′，生成關(guān)鍵詞w′的PEKS密文C。

5)Trapdoor(GP,skR,w):輸入全局參數(shù)GP，接收者私鑰skR和關(guān)鍵詞w，生成陷門信息Tw。

6)Test(GP,Tw,sks,C):輸入全局參數(shù)GP，陷門Tw，服務(wù)器私鑰sks和w′的PEKS密文C，若w=w′，則輸出“yes”，否則輸出“no”。

1.4 改進SCF-PEKS模型

由1.3節(jié)定義2可以看到SCF-PEKS步驟中需要用到接收者R的公鑰，因此數(shù)據(jù)擁有者上傳的關(guān)鍵詞密文僅與數(shù)據(jù)接收者R提供的陷門能夠匹配，這就將云服務(wù)器的搜索服務(wù)局限于某一用戶。鑒于SCF-PEKS方案的這一缺陷，下面提供一個新的SCF-PEKS方案，此方案采用用戶向密鑰中心(KGC)注冊的方式提供搜索服務(wù)給需要的用戶。方案模型如圖1所示。

圖1 新SCF-PEKS方案安全模型

安全模型中參與者主要涉及4個角色:數(shù)據(jù)擁有者、數(shù)據(jù)接收者R、云服務(wù)器S、密鑰注冊中心K。

安全模型中主要的通信有以下5個步驟：

1)數(shù)據(jù)擁有者上傳加密數(shù)據(jù)和關(guān)鍵詞密文到云服務(wù)器S。

2)數(shù)據(jù)接收者R向密鑰注冊中心K上傳個人信息申請密鑰。

3)密鑰注冊中心K下發(fā)與數(shù)據(jù)接收者R相關(guān)的密鑰密文。

4)數(shù)據(jù)接收者R向云服務(wù)器S上傳關(guān)鍵詞陷門申請數(shù)據(jù)搜索服務(wù)。

5)云服務(wù)器S搜索驗證成功后，向數(shù)據(jù)接收者R傳輸與陷門相對應(yīng)的加密數(shù)據(jù)。

定義3注冊SCF-PEKS。無安全信道的注冊用戶可搜索公鑰加密方案由下面幾個算法組成：

1)GlobalSetup(λ):輸入安全參數(shù)λ，生成全局參數(shù)GP。

2)KeyGenKGC(GP):輸入全局參數(shù)GP，生成密鑰生成中心K的公私鑰對(pkK,skK)。

3)KeyGenserver(GP,pkK):輸入全局參數(shù)GP，密鑰生成中心公鑰pkK，生成服務(wù)器S的公私鑰對(pks,sks)。

4)SCF-PEKS(GP,pks,pkK,w′):輸入全局參數(shù)GP，密鑰生成中心的公鑰pkK，服務(wù)器的公鑰pks以及關(guān)鍵詞w′，生成關(guān)于關(guān)鍵詞w′的PEKS密文C。

5)KeyRegReceiver(GP):輸入全局參數(shù)GP，接收者R向密鑰生成中心K申請注冊搜索私鑰，K向R分發(fā)搜索私鑰skR。

6)Trapdoor(GP,skR,w):輸入全局參數(shù)GP，接收者的搜索私鑰skR以及關(guān)鍵詞w，生成陷門Tw。

7)Test(GP,Tw,sks,C):輸入全局參數(shù)GP，陷門Tw，服務(wù)器的私鑰sks以及w′的PEKS密文C，若w=w′，則輸出“yes”，否則輸出“no”。

1.5 安全性定義及攻擊游戲的描述

定義4選擇關(guān)鍵詞攻擊IND-SCF-CKA。設(shè)安全參數(shù)為λ，A是一個多項式時間敵手，B為模擬者。定義A和B之間的2個攻擊游戲：

Game1 假設(shè)A是內(nèi)部敵手(云服務(wù)器)，模擬攻擊游戲如下：

1)setup：運行定義3中的算法GlobalSetup(λ)，生成系統(tǒng)的公共參數(shù)GP，運行算法KeyGenKGC(GP)、KeyGenserver(GP)、KeyRegReceiver(GP)，生成密鑰注冊中心和服務(wù)器的公私鑰對(pkK,skK)、(pks,sks)，以及接收者的搜索密鑰skR。然后B將(pks,sks)和pkK發(fā)送給A。

2)Queryphase1：對于關(guān)鍵詞w∈SKw，敵手A自適應(yīng)的向模擬者B詢問加密陷門，B計算Tw=Trapdoor(GP,skR,w)，返回Tw給A。

3)Challenge：當(dāng)A決定Queryphase1結(jié)束時，就給B發(fā)出挑戰(zhàn)關(guān)鍵詞對(w0,w1)，要求w0,w1不能出現(xiàn)在Queryphase1詢問過程中，B隨機地選取b∈(0,1)，C*=SCF-PEKS(GP,pks,pkk,wb)，并作為挑戰(zhàn)密文發(fā)送給A。

4)Queryphase2：敵手A繼續(xù)對關(guān)鍵詞w∈SKw進行陷門詢問，但不能詢問w0和w1。

5)Guess：A輸出猜測b′，若b′=b，則A勝利，否則A失敗。

A以以下優(yōu)勢攻破Gamel：

Game2 假設(shè)A為外部攻擊者(可為接收者)，模擬攻擊游戲如下：

1)setup：運行算法GlobalSetup(λ)，生成系統(tǒng)的公共參數(shù)GP，運行以下算法KeyGenKGC(GP)、KeyGenserver(GP)，生成密鑰注冊中心和服務(wù)器的公私鑰對(pkK,skK)、(pks,sks)，以及接收者的搜索密鑰skR。B將pks、pkK發(fā)送給A。

3)Challenge：A向B發(fā)送挑戰(zhàn)關(guān)鍵詞對(w0,w1)，B隨機選取b∈(0,1)，計算挑戰(zhàn)密文C*=SCF-PEKS(GP,pks,pkK,wb)返回給A。

4)Guess：A輸出猜測b′，若b′=b，則A勝利，否則A失敗。

A以以下優(yōu)勢攻破Game2：

2 新的SCF-PEKS方案

基于經(jīng)典SCF-PEKS方案，構(gòu)造允許用戶注冊的可搜索公鑰加密方案，具體步驟如下：

1)GlobalSetup(λ)：λ為安全參數(shù)，(N,G,GT,e)為雙線性映射的參數(shù)，N=p1p2p3為G和GT的階，且g為G的生成元。e是G×G→GT的雙線性映射。選取一個抗碰撞的哈希函數(shù)H:{0,1}*→ZN。設(shè)關(guān)鍵詞空間為KSw={0,1}*，可得全局參數(shù)為GP={N,G,GT,e,H,KSw}。

方案的正確性證明:

3 安全性分析

在進行安全性分析以前不失一般性地，給出以下2個假定條件：

1)敵手的詢問w1,w2,…,wq是不同的，給定R3可以完美隨機化陷門Tw。

2)密鑰注冊中心是安全且忠誠的，敵手不能是密鑰注冊中心。

引理1如果判定性子群假設(shè)是困難的，那么本文方案在內(nèi)部敵手的游戲Game1中是語義安全的。

證明：假設(shè)在Game1中存在多項式時間敵手A，A至多可進行q次詢問，B為游戲模擬者，游戲Game1過程如下：

2)Queryphase1：A自適應(yīng)地向B詢問關(guān)鍵詞w∈SKw的陷門。B計算Tw=Trapdoor(GP,skK,w)，并返回給A。

4)Queryphase2：A繼續(xù)進行n2次關(guān)鍵詞詢問，不能詢問w0和w1，其中要求n1+n2

5)Guess：A輸出猜測b′，如果b′=b，則A獲得勝利，否則A失敗。

引理2如果判定性子群假設(shè)是困難的，那么本文方案在外部敵手的游戲Game2中是語義安全的。

證明：假設(shè)存在多項式時間敵手A可以攻擊本文的方案，A至多可進行q次詢問，B為模擬者，游戲Game2過程如下：

4)Guess：A輸出猜測b′，如果b′=b，則返回1，A挑戰(zhàn)成功，否則返回0，挑戰(zhàn)失敗。

4 性能對比

如表1所示，本文方案與一些經(jīng)典的SCF-PEKS方案在安全性和效率方面進行比較，其中|G|、|GT|、|ZN|分別表示G、GT、ZN中元素的長度，S-M表示標(biāo)準(zhǔn)模型。

表1 方案對比分析數(shù)據(jù)表

從表1的對比結(jié)果可以看出，本方案在標(biāo)準(zhǔn)模型下滿足靜態(tài)困難假設(shè)，并且實現(xiàn)了為多用戶數(shù)據(jù)服務(wù)的功能，且陷門長度及密文長度比較適中。系統(tǒng)運行過程中，云服務(wù)器上的加密數(shù)據(jù)和加密關(guān)鍵詞僅需要一次性上傳即可，用戶進行數(shù)據(jù)搜索服務(wù)時僅生成一次相關(guān)陷門，但服務(wù)器需要對云上所有加密數(shù)據(jù)的關(guān)鍵詞密文進行驗證。因此，驗證步驟的運行次數(shù)與云服務(wù)器的關(guān)鍵詞密文個數(shù)成正比，運行次數(shù)遠遠大于關(guān)鍵詞加密和陷門生成。

圖2給出了在Inter(R) Core(TM)2 Duo T6670 CPU 2.2 GHz、2 GB RAM的計算機下，本文方案與文獻[24]的方案所需的平均時間對比，過程用JPBC庫在eclipse上實現(xiàn)。

圖2 算法的平均運行時間對比

在圖2中通過將本文方案與文獻[24]方案的平均運行時間比較可以看出，最頻繁使用的檢測步驟的運行時間有所減少，增加了整體服務(wù)效率。

5 結(jié)束語

在分析經(jīng)典SCF-PEKS方案的基礎(chǔ)上，根據(jù)其存在局限單一用戶使用的缺陷，提出了一個可注冊用戶使用的高效的SCF-PEKS方案，基于判定性子群假設(shè)，該方案滿足IND-SCF-CKA安全。相較于傳統(tǒng)的SCF-PEKS方案，本文方案的效率有所提高。下一步計劃在此方案的基礎(chǔ)上構(gòu)造多關(guān)鍵詞方案，讓其使用場景更廣泛。