云環(huán)境下屬性基多機(jī)構(gòu)層次化密文策略權(quán)重加密方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種云環(huán)境下屬性基多機(jī)構(gòu)層次化密文策略權(quán)重加密方法，該方法包括：中央授權(quán)機(jī)構(gòu)為下級屬性授權(quán)機(jī)構(gòu)或用戶生成全局標(biāo)識AID或UID，并且為系統(tǒng)中的每個(gè)屬性計(jì)算屬性權(quán)重分割集；中央授權(quán)機(jī)構(gòu)隨機(jī)選擇雙線性映射和雙線性群，生成系統(tǒng)主密鑰MK和公鑰PK，保留MK，公開PK；中央授權(quán)機(jī)構(gòu)為下級屬性授權(quán)機(jī)構(gòu)或用戶分發(fā)主密鑰或權(quán)重屬性私鑰；數(shù)據(jù)擁有者選擇訪問策略，對文件進(jìn)行加密，并且上傳至云服務(wù)器；用戶向云服務(wù)器請求訪問加密文件，云服務(wù)器返回密文CT，用戶利用權(quán)重屬性私鑰解密文件，若私鑰中的屬性滿足訪問策略，則得到明文。本發(fā)明建立了具有等級的層次化多授權(quán)中心機(jī)制，使不同級別的授權(quán)中心掌管不同的屬性并且分發(fā)私鑰組件。
【專利說明】
云環(huán)境下屬性基多機(jī)構(gòu)層次化密文策略權(quán)重加密方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于網(wǎng)絡(luò)與信息安全技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種云環(huán)境下屬性基多機(jī)構(gòu)層次 化密文策略權(quán)重加密方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著云計(jì)算的發(fā)展，越來越多的用戶或者企業(yè)選擇把數(shù)據(jù)存儲在云端。然而，數(shù)據(jù) 的外包存儲模式容易導(dǎo)致非授權(quán)訪問，例如，云服務(wù)器可W在未經(jīng)用戶授權(quán)的情況下，獲取 用戶數(shù)據(jù)，泄露用戶隱私。此外，云服務(wù)器還有可能受到來自外部的威脅，如被黑客攻擊等。 針對數(shù)據(jù)安全問題，云服務(wù)使用者大多將數(shù)據(jù)加密后再上傳。傳統(tǒng)的公鑰加密方法可W保 障數(shù)據(jù)的安全性，但必須提前知道潛在的用戶并使用他們的公鑰分別加密數(shù)據(jù)文件，缺乏 靈活性和可操作性。
[0003] 針對傳統(tǒng)加密方法的不足，Sahai和Waters在I邸技術(shù)的基礎(chǔ)上首次提出了屬性基 加密(Attribute-Based EnciTption,簡稱ABE)機(jī)制。由于最初的A肥機(jī)制只支持口限訪問 策略，為了達(dá)到更好的靈活性，Goyal等和Bethencourt等分別提出了密鑰策略屬性基加密 化P-ABE)和密文策略屬性基加密（CP (Ciphedext-I^ 1 i巧）-A肥）兩類A肥機(jī)制。在KP-A肥方 案中，密文對應(yīng)于屬性集合，而密鑰與訪問結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián);而在CP-ABE方案中，密文與訪問結(jié) 構(gòu)相關(guān)聯(lián)，密鑰對應(yīng)于屬性集合，只有私鑰的屬性滿足了密文中的訪問結(jié)構(gòu)才能恢復(fù)明文。 CP-A邸機(jī)制是由加密方制定訪問控制策略，因此更適合于云存儲系統(tǒng)中數(shù)據(jù)屬主共享數(shù)據(jù) 文件的情形。
[0004] 上述方案都采用單一的授權(quán)中屯、機(jī)制，即由單個(gè)授權(quán)中屯、管理和分發(fā)用戶私鑰， 不僅會造成系統(tǒng)性能瓶頸，而且一旦被攻破，整個(gè)系統(tǒng)的安全也就被攻破。為了解決運(yùn)個(gè)問 題，Chase提出了多授權(quán)中屯、的屬性加密方案(MA(Multiple Authority)-A邸），在MA-A肥方 案中，有一個(gè)中央授權(quán)中屯、CA(Cen化al Authority)負(fù)責(zé)系統(tǒng)參數(shù)的生成，還有多個(gè)普通授 權(quán)中屯、負(fù)責(zé)管理和頒發(fā)用戶屬性私鑰構(gòu)件。然而，該方案沒有考慮到多個(gè)普通授權(quán)中屯、之 間的層次關(guān)系。Wang結(jié)合層次化IBE，在CP-ABE的基礎(chǔ)上提出具有等級的屬性基加密算法。 在該算法中，各個(gè)屬性在系統(tǒng)中的地位是平等的，不同層次的授權(quán)機(jī)構(gòu)所管理的屬性集也 是同等重要的。而在現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，不同屬性的重要性是不相同的。Wang等雖然引入了權(quán)重的 概念，但卻沒有考慮分發(fā)權(quán)重屬性私鑰的授權(quán)機(jī)構(gòu)之間的層次制約關(guān)系。
[0005] 現(xiàn)有專利文獻(xiàn)中，公告號為CN103327002B、名稱為"基于屬性的云存儲訪問控制系 統(tǒng)"的發(fā)明專利提出了一種基于屬性的云存儲訪問控制系統(tǒng)，系統(tǒng)包含屬性基加解密單元， W實(shí)現(xiàn)文件的加解密功能，W及用訪問控制的策略和用戶私鑰分別加解密對稱密鑰的功 能。但也未設(shè)及多授權(quán)機(jī)構(gòu)的層次化問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明目的在于提供一種云環(huán)境下多機(jī)構(gòu)層次化密文策略權(quán)重屬性基加密方案， 該方法實(shí)現(xiàn)了多授權(quán)中屯、共同管理用戶屬性的分級制度，降低了單一授權(quán)中屯、的工作量， 實(shí)現(xiàn)了靈活、細(xì)粒度的訪問控制;該方案將屬性權(quán)重引入加密方案中，利用不同層次的授權(quán) 機(jī)構(gòu)可分發(fā)的屬性權(quán)重大小的不同，使得方案更加安全可靠。
[0007] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是提出一種云環(huán)境下屬性基多機(jī)構(gòu) 層次化密文策略權(quán)重加密方法，其特征在于，該方法包含如下步驟：
[0008] 步驟1:中央授權(quán)機(jī)構(gòu)為下級屬性授權(quán)機(jī)構(gòu)或用戶生成全局標(biāo)識AID或UID，并且為 系統(tǒng)中的每個(gè)屬性計(jì)算屬性權(quán)重分割集；
[0009] 步驟2:中央授權(quán)機(jī)構(gòu)生成系統(tǒng)主密鑰MK和公鑰PK，保留MK，公開PK;
[0010] 步驟3:中央授權(quán)機(jī)構(gòu)為下級屬性授權(quán)機(jī)構(gòu)或用戶分發(fā)主密鑰或權(quán)重屬性私鑰；
[0011] 步驟4:數(shù)據(jù)擁有者選擇訪問策略，對文件進(jìn)行加密，并且將密文CT上傳至云服務(wù) 器；
[0012] 步驟5:用戶向云服務(wù)器請求訪問加密文件，云服務(wù)器返回密文CT，用戶利用權(quán)重 屬性私鑰解密文件，當(dāng)且僅當(dāng)私鑰中的屬性滿足密文中的訪問策略，才能完全解密；
[0013] 步驟6:若解密成功，則用戶得到明文;若解密不成功，則說明用戶無權(quán)訪問該文 件。
[0014] 進(jìn)一步，上述步驟1中，所述下級屬性授權(quán)機(jī)構(gòu)有多個(gè)，與中央授權(quán)機(jī)構(gòu)分布在不 同層次，形成層次化屬性授權(quán)機(jī)構(gòu)。
[0015] 進(jìn)一步，上述層次化授權(quán)機(jī)構(gòu)適用于公共域，所述用戶為單一授權(quán)機(jī)構(gòu)，適用于私 人域，不同域中的用戶有不同的密鑰分配方式。
[0016] 進(jìn)一步，上述步驟2中，中央授權(quán)機(jī)構(gòu)生成系統(tǒng)主密鑰時(shí)隨機(jī)選擇雙線性映射和雙 線性群。
[0017] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢在于建立了具有等級的層次化多授權(quán)中屯、機(jī)制， 使不同級別的授權(quán)中屯、掌管不同的屬性并且分發(fā)私鑰組件;本發(fā)明將屬性權(quán)重引入分層模 型，按照上級授權(quán)中屯、對下級授權(quán)中的信任程度來分發(fā)私鑰，W構(gòu)建更加安全可靠的系統(tǒng)。
【附圖說明】
[0018] 圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)架構(gòu)圖。
[0019] 圖2是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示意圖。
[0020] 圖3是本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 現(xiàn)結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做進(jìn)一步詳盡的說明。本發(fā)明提出了一種層 次化授權(quán)中屯、的權(quán)重屬性基加密方案，不僅將屬性權(quán)重引入加密方案中，而且采用多層次 的授權(quán)中屯、機(jī)制，利用不同層次的授權(quán)機(jī)構(gòu)可分發(fā)的屬性權(quán)重大小的不同，實(shí)現(xiàn)了更細(xì)粒 度的訪問控制。本方法在標(biāo)準(zhǔn)模型下被證明是安全的，性能分析表明本方案比現(xiàn)有方案更 適用于云環(huán)境。
[0022] 如圖1所示，劃分成兩個(gè)不同的管理區(qū)域，分別是公共域(Public Domain,PUD)和 個(gè)人域(Personal Domain,PSD)。其中的（1)為生成AID或UID，并且分發(fā)主密鑰或用戶私鑰， (2)為生成主密鑰，（3)為分發(fā)用戶私鑰，（4)為請求文件，（5)為返回密文，（6)為上傳加密文 件，（7)、（8)分別為用戶撤銷和文件撤銷。
[0023] 下面對本發(fā)明設(shè)及的數(shù)學(xué)知識給出定義：
[0024] 定義1(雙線性映射）：令群Gi和G2是W素?cái)?shù)P為階的乘法循環(huán)群，令Gi的一個(gè)生成元 為g，存在雙線性對映射e: Gi X Gi^G2滿足W下性質(zhì)：
[0025] (a)雙線性:假設(shè)對于所有的 g，heGi，a，beZp，有 e(ga，hb) = e(g，h)ab。
[00%] (b)非退化性:對于任意geG，都有e(g，g)聲1。
[0027] (C)可計(jì)算性:任意g，heGi，存在一個(gè)多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)算法計(jì)算e(g，h)結(jié)果。
[00%]定義2(訪問結(jié)構(gòu)）：
[0029] 假設(shè){pi，P2, · · ·，Pn}是參與方的集合，令P：=2l"l'&'''''""l。訪問結(jié)構(gòu)A是{pl， P2，· · ·，Ρη}的非空子集，即ΑΕΡΜ妍。若訪問結(jié)構(gòu)A是單調(diào)的，則對于VS'C，若公ei且 5 g C，那么Ce 1。在A中的集合稱為授權(quán)集合，不在A中的集合稱為非授權(quán)集合。
[0030] 運(yùn)用上述權(quán)重口限訪問結(jié)構(gòu)，葉子節(jié)點(diǎn)對應(yīng)屬性的權(quán)值，根節(jié)點(diǎn)對應(yīng)口限值。圖2 是一個(gè)權(quán)重口限訪問結(jié)構(gòu)的例子，有3個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)，分別表示一個(gè)人的職稱，年齡，民族所對 應(yīng)的權(quán)值。只有當(dāng)私鑰中運(yùn)3部分的權(quán)重之和大于或等于口限t，才能夠解密密文。假設(shè)用戶 1具有的屬性為柱任醫(yī)師，50歲，漢族}，用戶2具有的屬性為{副主任醫(yī)師，42歲，滿族}，系 統(tǒng)根據(jù)實(shí)際情況對用戶1和用戶2的3個(gè)屬性分別賦予權(quán)值{6,3,2}和{4,2,2}。如果系統(tǒng)中 的口限值t=10,那么就表示只有當(dāng)運(yùn)3個(gè)屬性的權(quán)重值之和大于等于10的時(shí)候，才可W恢 復(fù)出明文。用戶1的屬性權(quán)重之和為11，可W成功解密密文，用戶2的屬性權(quán)重之和為9，不能 成功解密密文。
[0031 ]定義3(權(quán)重口限訪問結(jié)構(gòu)）：
[0032] 設(shè)U為全體屬性的集合，令ω : U^N為一個(gè)權(quán)重函數(shù)，T e N為口限值，定義
且Γ = ?/? C。：（,,W > -Π ，側(cè)Γ為N的權(quán)重口限訪問結(jié)構(gòu)。
[0033] 定義4(屬性集分割）：
[0034] 屬性集分割算法的輸入為系統(tǒng)中的所有屬性。對于系統(tǒng)屬性集Γ ={λι，...，λη}中 的每一個(gè)屬性λ?，計(jì)算其在系統(tǒng)中的最大權(quán)值為c〇i=weight(>i)，根據(jù)c〇i對屬性λ?進(jìn)行分 害[|，分割后屬性、對應(yīng)于(、，1)，...，（、，ω i)，設(shè)定分割后的最小份額為1，且權(quán)值僅為整 數(shù)，其構(gòu)成的集合稱為屬性權(quán)重的分割集Γ^
[0035] 方法流程
[0036] 系統(tǒng)建立：
[0037] 運(yùn)一步由TA執(zhí)行。首先，隨機(jī)選擇生成元為g，階為P的雙線性群Go和雙線性映射e: GoXGo 二 Gtd
[003引在PUD中，首先，取《上的前I Γ*|個(gè)元素，也就是說，取1，...」r*|(mod P)。接 著，獨(dú)立隨機(jī)地從Zp中選擇1「1令
最后， 算法從Zp中獨(dú)立隨機(jī)地選擇元素 αι，生成公鑰和主密鑰：
[0039]
[0040]
t ,. I
[0041 ] 在PSD中，獨(dú)立隨機(jī)地從Zp中選擇/ t、- σ.令Τ |然后生 J.i .· · · * I. I..， 一. .， 1奇！; .·，，I) I I -.O '，. 成公鑰和主密鑰：
[0044] ΤΑ除了生成公鑰和主密鑰之外，還將為每個(gè)新注冊的AA和用戶生成全局標(biāo)識AID =盧1"或uiD = r{ui"，其中fbid}，r{uid} EZp
[0045] -級 AA 授權(quán)：
[0046] 在PUD中，當(dāng)ΤΑ對一級AA進(jìn)行授權(quán)時(shí)，ΤΑ根據(jù)對該一級AA的信任程度，選擇三r 作為一級AA的屬性分割集。ΤΑ為一級AA生成的主密鑰為：
[0047]
[004引一級AA為下級AA授權(quán)：
[0049]在PUD中，當(dāng)一級AA對下級AA進(jìn)行授權(quán)時(shí)，一級AA將根據(jù)對該AA的信任程度，選擇 乂*作為該AA的屬性分割集。一級AA根據(jù)該AA的全局標(biāo)識pbws為其生成主密鑰：
[(K)加]為用戶生成私鑰：
[0051] 我們運(yùn)里分成兩個(gè)區(qū)域舉例，一個(gè)是PUD，另一個(gè)是PSD，并且在PUD中，假設(shè)一級AA 給用戶分發(fā)私鑰。設(shè)用戶的屬性集為S，對應(yīng)的屬性權(quán)重分割集為 [0化2] 那么，在PUD中，用戶私鑰為：
[0化6] 加密文件：
[0057]用戶隨機(jī)選擇對稱密鑰DK，對需要上傳的數(shù)據(jù)文件m進(jìn)行加密，得到密文M。然后隨 機(jī)選擇一個(gè)階為d-1的隨機(jī)多項(xiàng)式q，使得q(0) = s，其中d為權(quán)重訪問樹的口限值。對DK進(jìn)行 加密，最終上傳到云服務(wù)器的密文形式為FCT= (CT，M)。令r為葉子節(jié)點(diǎn)的集合W所對應(yīng)的 屬性權(quán)重分割集。訪問結(jié)構(gòu)為Π ，貝化T為：
[0化引
[0059] 其中，之在PUD中表示αι，在PSD中表示曰2。P,.在PUD中表示Ti，在PSD中表示Ti '。
[0060] 文件訪問：
[0061] 用戶從云端下載加密后的數(shù)據(jù)文件FCT，從中取出密文CT，如果用戶的屬性滿足密 文CT中的訪問策略，也就是巧
則從集合K={s*nw*}中選出3個(gè)元素來 解密密文，得到對稱密鑰DK。其中，之在PUD中表示d，在PSD中表示d'。
[0062] 在PUD中，解密過程為：
[0067] 用戶解密得到對稱密鑰DK之后，就可W用DK來解密M，從而得到明文數(shù)據(jù)m。
[0068] 另一個(gè)實(shí)施例的流程如圖3所示，一個(gè)數(shù)據(jù)擁有者上傳文件至云端，用戶從云端獲 取密文文件，并使用私鑰對其進(jìn)行解密。其【具體實(shí)施方式】為：中央授權(quán)機(jī)構(gòu)為下級屬性授權(quán) 機(jī)構(gòu)或用戶生成全局標(biāo)識AID或UID，并且為系統(tǒng)中的每個(gè)屬性計(jì)算屬性權(quán)重分割集；中央 授權(quán)機(jī)構(gòu)隨機(jī)選擇雙線性映射和雙線性群，生成系統(tǒng)主密鑰Μ和公鑰PK，保留Μ，公開PK;
[0069] 中央授權(quán)機(jī)構(gòu)為下級屬性授權(quán)機(jī)構(gòu)或用戶分發(fā)主密鑰或權(quán)重屬性私鑰；
[0070] 例如，用戶有2個(gè)屬性，運(yùn)2個(gè)屬性構(gòu)成全體屬性集S= {so, si}，則對應(yīng)的屬性權(quán)重 分割集為5^={((30，1)，...，（30，《〇))，（（31，1)，...，（31，《1))}。假設(shè)一級44為其分發(fā)私 鑰，則私鑰
[0071] 數(shù)據(jù)擁有者選擇訪問策略，對文件進(jìn)行加密，并且將密文CT上傳至云服務(wù)器；
[0072] 在本方法中，數(shù)據(jù)擁有者隨機(jī)選擇一個(gè)階為d-1的隨機(jī)多項(xiàng)式q，使得q(0)=s，其 中d為權(quán)重訪問樹的口限值。對DK進(jìn)行加密，最終上傳到云服務(wù)器的密文形式為FCT=(CT， 1)。令￥^為葉子節(jié)點(diǎn)的集合￥所對應(yīng)的屬性權(quán)重分割集。訪問結(jié)構(gòu)為口，則(：1'為：
[0073] 用戶向云服務(wù)器請求訪問加密文件，云服務(wù)器返回密文CT，用戶利用權(quán)重屬性私 鑰解密文件，當(dāng)且僅當(dāng)私鑰中的屬性滿足密文中的訪問策略，才能完全解密。
[0074] 若解密成功，則用戶得到明文;若解密不成功，則說明用戶無權(quán)訪問該文件。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 云環(huán)境下屬性基多機(jī)構(gòu)層次化密文策略權(quán)重加密方法，其特征在于，該方法包含如 下步驟： 步驟1:中央授權(quán)機(jī)構(gòu)為下級屬性授權(quán)機(jī)構(gòu)或用戶生成全局標(biāo)識AID或UID，并且為系統(tǒng) 中的每個(gè)屬性計(jì)算屬性權(quán)重分割集； 步驟2:中央授權(quán)機(jī)構(gòu)生成系統(tǒng)主密鑰MK和公鑰PK，保留MK，公開PK; 步驟3:中央授權(quán)機(jī)構(gòu)為下級屬性授權(quán)機(jī)構(gòu)或用戶分發(fā)主密鑰或權(quán)重屬性私鑰； 步驟4:數(shù)據(jù)擁有者選擇訪問策略，對文件進(jìn)行加密，并且將密文CT上傳至云服務(wù)器； 步驟5:用戶向云服務(wù)器請求訪問加密文件，云服務(wù)器返回密文CT，用戶利用權(quán)重屬性 私鑰解密文件，當(dāng)且僅當(dāng)私鑰中的屬性滿足密文中的訪問策略，才能完全解密； 步驟6:若解密成功，則用戶得到明文;若解密不成功，則說明用戶無權(quán)訪問該文件。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的云環(huán)境下屬性基多機(jī)構(gòu)層次化密文策略權(quán)重加密方法，其特 征在于步驟1中，所述下級屬性授權(quán)機(jī)構(gòu)有多個(gè)，與中央授權(quán)機(jī)構(gòu)分布在不同層次，形成層 次化屬性授權(quán)機(jī)構(gòu)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的云環(huán)境下屬性基多機(jī)構(gòu)層次化密文策略權(quán)重加密方法，其特 征在于所述層次化授權(quán)機(jī)構(gòu)適用于公共域，所述用戶為單一授權(quán)機(jī)構(gòu)，適用于私人域，不同 域中的用戶有不同的密鑰分配方式。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的云環(huán)境下屬性基多機(jī)構(gòu)層次化密文策略權(quán)重加密方法，其特 征在于步驟2中，中央授權(quán)機(jī)構(gòu)生成系統(tǒng)主密鑰時(shí)隨機(jī)選擇雙線性映射和雙線性群。
【文檔編號】H04L9/08GK106059763SQ201610622662
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月29日
【發(fā)明人】陳丹偉, 劉書雅
【申請人】南京郵電大學(xué)