一種基于層級鏈技術(shù)的數(shù)據(jù)保護方案

【摘 要】 隨著云計算技術(shù)的發(fā)展，越來越多的數(shù)據(jù)被存儲在云端，但云服務(wù)器并不一定安全，存在數(shù)據(jù)泄露的風險。針對此問題，本文提出一種基于層級鏈技術(shù)的數(shù)據(jù)保護方案，在保證數(shù)據(jù)安全的前提下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的密態(tài)檢索。該方案將數(shù)據(jù)資產(chǎn)存儲在私有鏈上，為方便對加密數(shù)據(jù)的靈活檢索，生成加密關(guān)鍵詞索引存儲在聯(lián)盟鏈上，通過數(shù)據(jù)存儲域與訪問域的隔離保證數(shù)據(jù)資產(chǎn)的機密性、完整性和不可篡改性。基于可搜索加密技術(shù)與屬性加密技術(shù)，實現(xiàn)密文關(guān)鍵詞檢索、細粒度訪問控制與搜索結(jié)果的可驗證。本文還通過安全分析與性能評估證明了該方案的安全性，同時具有更高的計算效率。

【關(guān)鍵詞】 區(qū)塊鏈 可搜索加密 數(shù)據(jù)保護

1 引言

隨著各領(lǐng)域數(shù)據(jù)量的激增，越來越多的機構(gòu)選擇將數(shù)據(jù)存儲在云端，但有的云服務(wù)器可能是惡意的，因此存在著一定的信息泄露風險，必須對數(shù)據(jù)進行加密存儲，由此導致加密數(shù)據(jù)的檢索變得十分困難，只能頻繁下載全部數(shù)據(jù)解密后再進行使用，這無疑會消耗大量的計算資源與時間。

隨著區(qū)塊鏈3.0時代的到來，區(qū)塊鏈技術(shù)被廣泛應(yīng)用到日常生產(chǎn)生活中的各個領(lǐng)域。區(qū)塊鏈是一種適用于存儲和查詢的高度分布式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使關(guān)鍵詞查詢能夠通過所有相關(guān)方的共識得到驗證和記錄，并通過共識機制保證數(shù)據(jù)的完整性、不可篡改性。

雖然區(qū)塊鏈的特性可以很好地保護被檢索數(shù)據(jù)的隱私，但依舊無法解決加密數(shù)據(jù)檢索困難的問題。而可搜索加密技術(shù)恰好可以解決密文檢索困難問題，其通常的策略是：首先創(chuàng)建索引，然后將索引和加密數(shù)據(jù)分開存儲，通過對索引遍歷來查詢關(guān)鍵詞對應(yīng)的文件，從而達到密文檢索的目的。但其他授權(quán)用戶若要進行同樣的查詢操作，只能先獲取數(shù)據(jù)擁有者的密鑰，這顯然是不安全的。此外，屬性加密技術(shù)可以為靈活的細粒度訪問控制提供支持，其將訪問結(jié)構(gòu)巧妙嵌入加密技術(shù)，當用戶的屬性滿足該訪問結(jié)構(gòu)方可成功解密。目前研究最多的是密文策略屬性加密，該方案將訪問策略嵌入密文，將用戶的屬性作為密鑰，當屬性滿足密文的訪問策略時即可進行解密，否則無權(quán)進行訪問，以此達到細粒度訪問控制的目的。

本文提出了一種基于層級鏈技術(shù)的數(shù)據(jù)保護方案，在保證數(shù)據(jù)機密性、完整性的同時，實現(xiàn)數(shù)據(jù)密態(tài)檢索、細粒度訪問控制與搜索結(jié)果的可驗證。本方案具有以下3個特點。

（1）采用層級鏈和可搜索加密技術(shù)，將加密數(shù)據(jù)存儲在私有鏈，加密關(guān)鍵詞索引存儲在聯(lián)盟鏈，通過數(shù)據(jù)存儲域和數(shù)據(jù)訪問域的隔離，實現(xiàn)數(shù)據(jù)機密性、完整性和不可篡改性。

（2）通過密文策略的屬性加密技術(shù)，實現(xiàn)細粒度的訪問控制，并由聯(lián)盟鏈服務(wù)器為用戶執(zhí)行耗時的中間解密過程，減小用戶的計算開銷。

（3）通過結(jié)果的可驗證，保證搜索結(jié)果的正確性，防止被惡意攻擊。

論文對本方案進行了安全分析和性能評估，結(jié)果表明，本方案具有較高安全性和計算效率。

2 相關(guān)工作

2.1 可搜索加密

可搜索加密（Searchable Encryption，SE）是一種在不需要解密的情況下，可以直接對存儲在云端服務(wù)器上的加密數(shù)據(jù)文件進行關(guān)鍵詞檢索的技術(shù)。常見的可搜索加密方案包括對稱可搜索加密（Symmetric Searchable Encryption，SSE）與公鑰可搜索加密（Public Key Encryption with Keywords Search，PEKS）。最初，Goldreich和Ostrovsky于2000年提出可搜索加密的概念�；�于此，Song等人提出第一個實用的對稱可搜索加密的構(gòu)造方案。該方案通過使用特殊的2層加密結(jié)構(gòu)來搜索加密數(shù)據(jù)，使用順序掃描來搜索密文。但由于每次搜索都需要遍歷整個密文文件，搜索時間和文件大小線性相關(guān)，搜索效率低。Goh等人構(gòu)造了第一個基于索引的方案，利用Bloom過濾器以及偽隨機函數(shù)來構(gòu)建安全索引。Chen首次提出了S-HashMap索引結(jié)構(gòu)，在實現(xiàn)多關(guān)鍵字模糊密文檢索的同時，使數(shù)據(jù)的更新更高效、更安全。Stefanov等人首次提出前向安全的概念并設(shè)計了相應(yīng)方案，該方案泄露信息更少且效率更高，在最壞的情況下該方案支持亞線性時間內(nèi)的更新和搜索，同時保持僅線性大小的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

但隨著技術(shù)發(fā)展，單一可搜索加密技術(shù)已不能滿足數(shù)據(jù)的功能性和安全性需求，迫切需要新技術(shù)的加入來解決此問題。

2.2 可搜索加密與區(qū)塊鏈的結(jié)合

利用可搜索加密技術(shù)實現(xiàn)鏈上數(shù)據(jù)加密及密文搜索是當前常見的一種解決方案。可搜索加密搜索的對象是加密密文，因此需要事先選擇搜索關(guān)鍵詞，加密生成查詢目標密文。在構(gòu)建鏈上可搜索加密方案時，研究人員將關(guān)注點放在加密搜索安全性及性能上的提升，區(qū)塊鏈僅僅作為方案實現(xiàn)的平臺，提供可信的數(shù)據(jù)存儲及檢索功能。例如，Chen等人針對醫(yī)療數(shù)據(jù)，提出基于區(qū)塊鏈的電子病例（EHR）可搜索加密方案，該方案中索引存儲在區(qū)塊鏈中，區(qū)塊鏈技術(shù)的使用確保EHR索引的完整性、防篡改性和可追溯性。Li等人提出了一種基于區(qū)塊鏈的索引分層可搜索加密方案，該方案首先設(shè)計了一種分層搜索索引結(jié)構(gòu)并將其外包給區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)可靠的分層搜索。Ali等人提出將區(qū)塊鏈作為一個分布式數(shù)據(jù)庫，采用同態(tài)加密技術(shù)，以確保對數(shù)據(jù)庫的安全搜索和基于關(guān)鍵詞的訪問。

但是這些工作中，區(qū)塊鏈只提供存儲與檢索功能，如何利用區(qū)塊鏈的其他特性來滿足方案的需求值得去深入研究。本方案提出利用聯(lián)盟鏈服務(wù)器性能優(yōu)勢，為用戶提供中間解密功能，可以大大縮短用戶解密時間，提升用戶使用體驗。

2.3 基于屬性的可搜索加密

屬性加密是Sahai和Waters在2005年提出的概念，他們將訪問結(jié)構(gòu)結(jié)合在密文中，從而達到訪問控制的目的。屬性加密可分為密文策略屬性加密（CP-ABE）和密鑰策略屬性加密（KP-ABE），當前學者針對CP-ABE的研究較多。Sun等人受屬性加密的啟發(fā)提出了第一個基于屬性的關(guān)鍵詞檢索方案，從而實現(xiàn)了細粒度訪問控制。Qiu等人提出了支持隱藏訪問策略的基于屬性的可搜索加密方案，如果數(shù)據(jù)用戶的屬性憑證不能滿足數(shù)據(jù)所有者指定的訪問控制策略，則數(shù)據(jù)用戶無法搜索加密數(shù)據(jù)并了解有關(guān)訪問結(jié)構(gòu)的任何信息。Liu等人為解決密鑰管理等安全問題，引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)，利用其去中心化的性質(zhì)，負責系統(tǒng)參數(shù)與密鑰生成等過程，使方案更加安全。

但是，現(xiàn)有的基于屬性的可搜索加密方案，均需把關(guān)鍵詞一同通過屬性進行加密，這大大增加了加密耗時與陷門生成耗時。本方案將關(guān)鍵詞與文件索引單獨加密，屬性加密只對加密文件的對稱密鑰進行加密，效率更高。

3 系統(tǒng)模型

本方案采用層級區(qū)塊鏈架構(gòu)，加密數(shù)據(jù)存儲在私有鏈上，關(guān)鍵詞索引等存儲在聯(lián)盟鏈，從而有效降低數(shù)據(jù)泄露的風險，并保證用戶數(shù)據(jù)的不可篡改。層級鏈示意圖如圖1所示。

本方案提出的系統(tǒng)模型主要包含4大實體，分別是：數(shù)據(jù)擁有者（DO）、數(shù)據(jù)用戶（DU）、私有鏈（PB）和聯(lián)盟鏈（CB）。

圖1 層級鏈技術(shù)

DU可根據(jù)關(guān)鍵詞搜索DO發(fā)布的加密數(shù)據(jù)。PB是DO維護的私有區(qū)塊鏈，負責存儲DO加密后的數(shù)據(jù)。CB由各數(shù)據(jù)使用方共同構(gòu)成和維護，負責存儲加密索引、文件哈希值等，并通過智能合約執(zhí)行搜索算法，CB還可代替DU完成中間解密工作，減少DU的計算耗時，提高效率和體驗。該方案的系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)模型

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

基于上一節(jié)提到的系統(tǒng)模型，本節(jié)基于屬性加密技術(shù)和可搜索加密技術(shù)，構(gòu)建了一個基于層級區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)安全保護方案。該方案兼顧了數(shù)據(jù)存儲的機密性、完整性與數(shù)據(jù)檢索的靈活性。

本方案的設(shè)計思想是采用層級鏈的架構(gòu)，私有鏈PB存儲數(shù)據(jù)密文，聯(lián)盟鏈CB存儲關(guān)鍵詞索引等信息，通過數(shù)據(jù)存儲域和數(shù)據(jù)訪問域的隔離，達到數(shù)據(jù)保護的目的，保護數(shù)據(jù)的機密性、完整性和不可篡改性。其具體工作流程如圖3所示：

圖3 系統(tǒng)工作流程

（1）CB先進行系統(tǒng)初始化，生成公共參數(shù)和主密鑰，公開公共參數(shù)并保留主密鑰；

（2）DO將自己的數(shù)據(jù)文件進行加密后上傳至PB；

（3）PB返回文件的存儲位置給DO；

（4）DO根據(jù)關(guān)鍵詞及文件列表生成加密索引，連同文件存儲位置、文件哈希值、訪問策略等信息上傳至CB；

（5）DU向DO發(fā)起關(guān)鍵詞查詢請求；

（6）DO根據(jù)DU提供的關(guān)鍵詞為其生成對應(yīng)的陷門；

（7）DU將陷門上傳至CB發(fā)起關(guān)鍵詞查詢請求；

（8）CB首先判斷DU的屬性是否滿足訪問策略的要求，若滿足則執(zhí)行檢索算法并向PB獲取加密文件；

（9）PB將密文文件返回給CB；

（10）CB首先生成解密密鑰并執(zhí)行耗時的中間解密過程得到中間密文，連同文件哈希值等信息發(fā)送至數(shù)據(jù)用戶DU；

（11）DU執(zhí)行最后一步輕量級解密算法獲得明文，并可根據(jù)哈希值判斷文件的完整性，驗證結(jié)果是否正確。

5 安全分析與性能評估

5.1 安全分析

（1）機密性

所有隱私信息均加密存儲，其中原始數(shù)據(jù)加密存儲在PB上，索引加密存儲在CB上，密鑰使用屬性加密保護，只有屬性滿足訪問策略的用戶才能成功解密；同時關(guān)鍵詞也進行加密處理，除了DO和DU，沒有參與方可以獲取到關(guān)鍵詞的明文信息。因此，機密性得以保證。

（2）不可篡改性和完整性

首先，數(shù)據(jù)存儲在鏈上，區(qū)塊鏈不可篡改的性質(zhì)保證了數(shù)據(jù)完整性，惡意用戶無法修改鏈上數(shù)據(jù)。其次，數(shù)據(jù)用戶收到數(shù)據(jù)密文的同時得到原始數(shù)據(jù)的哈希值，由此可以驗證數(shù)據(jù)的完整性。

通過以上分析，在本方案中，數(shù)據(jù)加密存儲以保證機密性，使用屬性加密保護密鑰，實現(xiàn)了安全的訪問控制。數(shù)據(jù)鏈上存儲，利用區(qū)塊鏈的共識機制，保證數(shù)據(jù)的完整性和不可篡改性。因此本文所提的數(shù)據(jù)保護方案在各個環(huán)節(jié)中均很好地保護了數(shù)據(jù)的安全。

5.2 性能評估

本節(jié)將從功能性和計算開銷來評估本文方案和其他方案的主要性能。

表1給出了本文所提出方案與文獻[11]-[13]所提出方案的功能性對比。從表1可以看出，文獻[11]-[13]所提出方案均支持隱私保護、訪問控制與可搜索加密，文獻[13]所提出方案引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)以防止惡意行為，使方案更安全。而相比這3種方案，本文所提方案支持外包解密和結(jié)果可驗證功能，由聯(lián)盟鏈代替用戶進行耗時的中間解密工作，用戶只需要進行輕量級解密即可獲得最終明文，大大提升用戶體驗。結(jié)果可驗證功能的加入，可以使用戶對搜索結(jié)果完整性進行驗證，防止收到錯誤結(jié)果。總的來說，本文所述方案在隱私保護、訪問控制、可搜索加密、外包解密、結(jié)果可驗證等方面均具有優(yōu)勢，兼具功能性和安全性。

表1 功能性對比

在算法計算開銷方面，綜合評估了本方案在系統(tǒng)初始化、密鑰生成和加密3個階段的計算開銷，并與文獻[11]-[13]所提出方案進行對比。在3個階段的整體計算開銷上，文獻[11]所提方案所需時間為5n的群運算時間，文獻[12]所提方案需要4n的群運算時間，而文獻[13]所提方案需要20n的群運算時間。本文方案整體需要4n的群運算時間，但相比文獻[12]方案需要更少的哈希計算時間。因此本方案計算開銷明顯優(yōu)于其他方案。

6 結(jié)語

本文提出了一種基于層級鏈技術(shù)的數(shù)據(jù)保護方案。該方案融合區(qū)塊鏈技術(shù)、可搜索加密技術(shù)與屬性加密技術(shù)，將密文數(shù)據(jù)存儲在私有區(qū)塊鏈上，加密關(guān)鍵詞索引存儲在聯(lián)盟鏈中，并通過屬性加密進行細粒度訪問控制，使得只有滿足訪問控制策略的用戶才能對數(shù)據(jù)進行解密訪問，保證了數(shù)據(jù)的機密性、完整性和不可篡改性。相較于其他方案，本方案在計算開銷上有一定優(yōu)勢。未來的研究工作中，我們將結(jié)合具體應(yīng)用場景，進一步完善方案，使方案滿足更多安全需求的同時，效率更高。

（原載于《保密科學技術(shù)》雜志2023年3月刊）