可计算密文加密体制研究

可计算密文加密体制是指对密文可以进行的一系列指定函数运算的加密体制,与传统加密体制最大的不同是加密后的密文不再是“混乱”的,而是具有某些隐含关系,其可成为某些特定函数的有效输入并且经过函数计算后可成为用户的有效信息。由于可直接对密文进行操作,可计算密文加密体制在保证信息机密性的前提下大大提高了信息的可用性效率,已经成为现代公钥密码学研究的热点方向。文章对谓词加密、全同态加密、函数加密3类可计算密文加密技术做了具体概述,介绍了各类可计算密文加密体制的关系,分析了可计算密文加密体制的计算隐私与应用要求,为以后研究可计算密文加密技术提供了指导。     

单断言的密文区间检索方案的安全分析

为保护用户数据隐私,用户通常将敏感数据加密后外包存储在半可信的服务器上。为防止泄露用户隐私信息,蔡克等(蔡克,张敏,冯登国.基于单断言的安全的密文区间检索［J］.计算机学报, 2011, 34(11):2093-2103)首次提出单断言密文区间检索方案,而之前在密文数据上的区间检索都通过多次断言实现。使用三角函数关系和矩阵理论,通过密文区间索引直接产生敏感数据的排列信息,证明该单断言密文检索方案不是唯密文安全的。为避免这种安全缺陷,通过引入随机元素构造了安全的单断言密文检索改进方案,并分析了改进方案的复杂性。     

改进的多接收者签密方案

针对现有签密方案存在的可能泄漏接收者隐私、解签密不公平和无公开验证性等问题,采用拉格朗日插值函数方法对其进行改进,提出了一个新的基于身份的多接收者签密方案.新方案将接收者解签密所需的身份信息揉合在一起,实现对接收者隐私的保护,具有解签密匿名性;每一个接收者解密所需密文信息相同,满足解签密公平性;任何第三方在仅拥有密文时就可验证密文发送方的身份,满足公开可验证性.与现有签密方案相比,新方案具有更小的计算量和密文长度.在随机预言模型下,给出了新方案基于双线性Diffie-Hellman (bilinear Diffie-Hellman,BDH)问题假设和计算Diffie-Hellman(computational Diffie-Hellman,CDH)问题假设的安全性证明.     

基于SM9的CCA安全广播加密方案

选择密文安全模型能有效刻画主动攻击,更接近现实环境.现有抵抗选择密文攻击的密码算法以国外算法为主,缺乏我国自主设计且能抵抗选择密文攻击的密码算法.虽然实现选择密文安全存在通用转化方法,代价是同时增加计算开销和通信开销.基于国密SM9标识加密算法,提出一种具有选择密文安全的标识广播加密方案.方案的设计继承了SM9标识加密算法结构,用户密钥和密文的大小都是固定的,其中用户密钥由一个群元素组成,密文由3个元素组成,与实际参与加密的接收者数量无关.借助随机谕言器,基于GDDHE困难问题可证明方案满足CCA安全.加密算法的设计引入虚设标识,通过该标识可成功回复密文解密询问,实现CCA的安全性.分析表明,所提方案与现有高效标识广播加密方案在计算效率和存储效率上相当.     

格上基于身份哈希证明系统的新型构造

隐私保护是当前大数据信息时代所亟待解决的重要安全问题。而密码学是实现对内容和身份等隐私信息进行有效保护的关键理论和技术基础之一。基于身份哈希证明系统（Identity-based hash proof system）是一个基本的密码学原型,能够用来构造多种对隐私信息进行保护的密码方案。本文通过分析得知,已有基于格的基于身份哈希证明系统的密文尺寸较大,会对所构造密码方案的效率产生较大的影响。如何降低基于格的基于身份哈希证明系统的密文尺寸,是一个有意义的研究问题。为此,本文首先基于标准带错误学习（Learning with errors,简记为LWE）困难假设,在标准模型下构造了一个新的哈希证明系统,并利用随机格上离散高斯分布与光滑参数的性质,证明其是光滑（Smooth）的;再在随机谕言机（Random oracle）的作用下,利用Gentry等人所提出的原像抽样函数提取身份私钥,从而得到一个光滑并且密文尺寸较小的基于身份哈希证明系统。作为对所构造新型哈希证明系统的扩展,本文也在标准模型下提出一个可更新的哈希证明系统。最后,详细分析本文所提出新型构造的效率,并与已有相关构造进行对比。     

基于云服务器辅助的多方隐私交集计算协议

隐私集合交集(Private Set Intersection,PSI)技术允许私有集合数据持有方联合计算出集合交集而不泄露交集外的任何隐私信息.作为安全多方计算中的重要密码学工具,该技术已被广泛应用于人工智能和数据挖掘的安全领域.随着多源数据共享时代的到来,大多数PSI协议主要解决两方隐私集合交集问题,一般无法直接推广到多方隐私交集计算场景.文中设计了基于云服务器辅助的多方隐私交集计算协议,能将部分计算和通信外包给不可信云服务器而又不会泄露任何隐私数据,通过使用不经意伪随机函数、秘密共享和键值对打包方法使得协议更高效.通过模拟范例证明了协议在半诚实模型下能够安全地计算多方隐私集合交集,所有参与方和云服务器都无法窃取额外数据.与现有方案相比,所提协议受限制更少,适用范围更广.     

面向网络内容隐私的基于身份加密的安全自毁方案

针对网络内容生命周期隐私保护问题,结合多级安全、基于身份的加密(Identity-Based Encryption,IBE)和分布式Hash表(Distributed Hash Table,DHT)网络,提出了一种面向网络内容隐私的基于身份加密的安全自毁方案.为了实现密文安全,将网络内容划分为不同安全等级的隐私内容块,经对称密钥加密转变为原始密文;借助耦合和提取方法,将原始密文变换为耦合密文并进一步分解成提取密文和封装密文,然后将封装密文保存到存储服务提供商.为进一步保护网络内容过期后的隐私安全,对称密钥经IBE加密后的密文与提取密文一起经拉格朗日多项式处理生成混合密文分量并分发到DHT网络中.当超过生存期限,DHT网络节点将自动丢弃所存密文分量,从而使对称密钥和原始密文不可恢复,实现网络内容安全自毁.综合分析表明,与已有方案相比,该方案满足设计目标,不仅能抵抗传统密码分析攻击和蛮力攻击,还能抵抗DHT网络的跳跃和嗅探等Sybil攻击.     

密码学智能化研究进展与分析

人工智能、5G网络技术的迅速发展开启了万物互联的新时代,计算能力的大幅提高使得基于计算困难性理论的传统密码算法受到威胁,数据安全和通讯安全已成为物联网时代亟待解决的首要问题,密码学由此进入智能化时代。新一代智能化密码学包括基于神经网络的智能密码算法和以机器学习为工具的智能密码分析这两大核心技术。前者利用神经网络的非线性特征设计加密过程,提高密文安全性;后者通过明密文数据集训练机器学习模型获得密文特征,提高密文破译效率。文中简要回顾了密码算法的发展历程,论述了密码学智能化常用的机器学习方法,重点梳理了国内外密码算法及密码分析智能化的最新进展,分析了目前密码学智能化的优势与不足,并探讨了未来的研究方向和面临的挑战。     

基于整数多项式环的全同态加密算法

为确保云计算环境下用户数据的安全性,利用同态加密算法对数据和加密函数的隐私保护功能,设计一种基于整数多项式环的全同态加密算法。该算法包括同态算法和重加密算法,前者针对明文数据进行加密,后者针对密文数据进行二次加密。分析结果表明,该算法的计算复杂度为O(n5),低于理想格全同态加密算法。     

基于Gauss和LLL规约的新型格基规约算法

格是多维空间中点的规则排列,基于格的公钥密码体制是密码学中研究的热点。针对传统格基规约算法效率较低、消耗时间较长的问题,分析Gauss和LLL规约算法,在此基础上提出一种新型格基规约算法（Gauss—LLL）,对算法进行正确性验证,并给出实现伪码。该算法可对格的任意一组基进行规约,最终获得一组长度较短的规约基。分析结果表明,与LLL算法相比,Gauss—LLL算法得到的规约基较优,规约效率较高。     

支持结果排序的安全密文检索方法研究

越来越多的企业和个人用户将数据部署到低成本、高质量的云存储中。为了保护敏感数据,用户在部署前会对其进行加密处理,但海量的加密数据给检索工作带来很大挑战。文中将传统的倒排索引结构改造成密文倒排索引,并在密文倒排索引上构建计数布隆过滤器,进而提出了基于计数布隆过滤器的密文安全索引(SICBF),其在保证隐私安全的前提下实现了对密文的快速检索。为减少SICBF索引中的数据冗余,设计了计数布隆过滤器的剪枝算法。为保护密文倒排索引中相关分的隐私安全,采用一对多保序加密机制(OPME)对相关分进行加密,并在密文相关分上对检索结果直接进行排序,将最相关检索结果top-k返回给授权用户。安全分析表明, 不同于原始数据分布,OPME算法加密后的相关分分布隐藏了数据的峰值,能防止针对相关分的统计攻击。实验结果表明,SICBF的检索效率高,计算量小,适用于海量加密数据文件的快速安全检索。     

区块链密码学隐私保护技术综述

近年来,数据隐私问题日益明显,如何在区块链中实现有效的隐私保护是研究热点。针对区块链在隐私保护上的研究现状与发展态势,阐述了区块链在交易地址、预言机以及智能合约上的隐私保护方法,归纳出区块链在基本要素防护上的隐私策略。基于国内外高水平文献梳理分析了特殊密码学原语、后量子密码学两类区块链密码学防护方法及使用场景,综述其研究思路,并给出属性基加密、特殊数据签名、同态加密、安全多方计算、零知识证明、格密码等适用于区块链隐私保护的密码学技术的优缺点,得出区块链应用的隐私防护离不开密码学技术支持的结论。针对区块链隐私保护技术,从基本要素防护和密码学防护两个方面进行了分析,总结出仅从区块链的应用层、合约层出发难以有效解决隐私问题,还需要利用各类密码学技术根据需求和应用场景的不同进行优势互补。根据区块链隐私加密技术发展现状,从区块链基本要素防护和基于密码学的防护展开叙述。从内生性基本要素安全和外生性密码学隐私安全两个角度出发,先研究基本要素隐私防护,再深入分析区块链隐私密码学防护技术。在对应防护措施中以技术联合实际应用发展,考虑技术时效性的同时,衡量其隐私处理方面的优劣势以及潜在价值。展望了未来区块...     

面向云存储的基于全同态密码技术的文档相似度计算方法

针对云存储服务中存在的用户隐私保护需求,提出了一种在密文状态下的文档相似度计算方法。数据拥有者将文档ID、加密后的文档密文以及文档simhash值的密文上传到云服务器中;云服务提供者进行待计算相似度文档的simhash密文值和数据拥有者文档simhash密文值的全同态加法运算,获得文档间汉明距离的密文;数据拥有者解密汉明距离密文获得文档相似度排序结果。云端在不获悉数据内容及其simhash明文的情况下完成数据对象相似度运算,保护了数据隐私。给出了该方法的详细过程及相关的实验数据,验证了该方法的可行性。     

MIMO格密码的设计与实现

对大规模MIMO物理层安全通信进行了研究,提出了一种基于OAEP+算法的MIMO格密码实现方案。在适当的限制条件下,可将窃听者对大规模MIMO的解码复杂性问题归约为解标准格问题。由于在方案设计中利用格密码和OAEP+密码的特性,使得所提方案具有抗量子计算攻击和选择性密文攻击的能力,并且合法通信双方不需要预共享密钥,有效地简化密钥管理。在Matlab中对所提方案进行了仿真实现,仿真结果证明了该方案的可行性。另外,仿真计算结果显示在格基归约算法下MIMO信道可计算保密容量跟发射天线数目之间呈较强的线性关系。     

标准模型下格上的密钥封装机制

密钥封装机制(key encapsulation mechanism,KEM)使得会话双方能够安全地共享一个随机的会话密钥,改善了使用公钥加密明文时空间受限的问题,是大规模网络中密钥分发和密钥管理问题的有效解决方案之一。提出一种标准模型下安全高效的格上的密钥封装机制,将陷门函数与带误差学习问题(learning with errors,LWE)算法相结合,并引入参与者的身份信息,保证密钥封装机制的机密性和可认证性,可抵抗现有已知量子算法攻击。采用密文压缩技术,对封装后的密文元素进行压缩,分析结果表明,能够有效提高传输效率。在标准模型下,该机制安全性归约至判定性LWE的难解性,并包含严格的安全性证明。其安全性为可证明的选择密文安全,适用于多种类型基于格的密钥交换协议方案。     

基于低密度生成矩阵码的签密方案

基于编码的密码系统具备抵抗量子计算的天然优势。针对传统的基于Goppa码构造的密码方案存在密文扩展率大和密钥量大的问题,利用低密度生成矩阵 （LDGM） 码和哈希函数构造了一个可证明安全的签密方案。LDGM码的生成矩阵是稀疏的,能有效减小数据量,哈希函数计算效率很高。方案满足随机预言机下的适应性选择密文攻击下的不可区分性（IND-CCA2）和选择消息攻击下存在性不可伪造（EUF-CMA）安全。在保证数据机密性和完整性的同时,与传统的先签名后加密的方法相比,输出密文总量减少了25%;与“一石二鸟”和SCS签密方案相比,计算效率有较大提高。     

针对全同态加密体制的反馈攻击

全同态加密体制能够在不解密的条件下对密文进行任意的函数运算,是解决云计算中数据隐私保护难题的关键技术。构造全同态加密方案的核心是有效控制密文同态运算中的噪声增长,稀疏子集和问题是实现该目标所需的基本困难性问题。针对基于该问题困难性的全同态加密方案,提出一种改进的反馈攻击方法,使攻击者可以对公钥中的部分数据进行特定计算,通过访问解密谕示得到完整的私钥。分析结果表明,该方法能够充分利用预计算提高攻击效率,对基于稀疏子集和问题的全同态加密方案具有良好的适用性。     

针对全同态加密体制的反愤攻击

全同态加密体制能够在不解密的条件下对密文进行任意的函数运算,是解决云计算中数据隐私保护难题的关键技术。构造全同态加密方案的核心是有效控制密文同态运算中的噪声增长,稀疏子集和问题是实现该目标所需的基本困难性问题。针对基于该问题困难性的全同态加密方案,提出一种改进的反馈攻击方法,使攻击者可以对公钥中的部分数据进行特定计算,通过访问解密谕示得到完整的私钥。分析结果表明,该方法能够充分利用预计算提高攻击效率,对基于稀疏子集和问题的全同态加密方案具有良好的适用性。     

一种可证明安全的有效无证书签密方案

无证书密码体制消除了基于身份密码系统中固有的密钥托管问题,同时又克服了传统公钥密码系统中复杂的证书管理问题,它具有两者的优点。签密是一个通过数字签名和公钥加密而同时实现认证和保密的密码学原语,而它却比分别签名和加密具有更低的计算量。提出了一种可证安全的无证书签密方案,其只在解签密阶段需要两个双线性对计算,因而具有较高的效率。最后,在随机预言模型下利用困难问题假设证明了方案满足适应性选择密文攻击下的不可区分性以及适应性选择消息和身份攻击下的存在不可伪造性。     

新环境下的密码应用专栏序言(中英文)

<正>密码学是网络空间安全的基础理论,能够为各种信息系统提供数据机密性、数据完整性、身份鉴别、不可否认性等安全服务.在新环境下密码学的应用潜力得到不断挖掘和释放,例如不暴露原始数据而完成模型训练的联邦学习技术、保护各自数据隐私安全并完成计算的多方计算技术、去中心化的分布式记账的区块链技术以及隐私保护技术等密码学应用新技术.然而,在实际的密码学应用中却面临密钥泄露、密码协议实现漏洞等诸多安全威胁.这使得新环境下的密码应用成为学术界、标准化组织及各国政府机构高度关注的重要领域.在国际,标准化组织(ISO)、国际电信联盟(ITU)、万维网联盟(W3C)、IEEE标准委员会(SASB)等标准化机构纷纷启动区块链、联邦学习等标准制定工作,意图推广新环境下的密码应用.在国内,科技企业积极参与上述国际标准制定工作.相关职能部门发布区块链、隐私保护等密码学新应用技术的国家标准制定工作计划,促进新环境下的密码应用发展.