CN104967516A - 多用户加密数据可比较加密方法及加密数据比较方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多用户加密数据可比较加密方法及加密数据比较方法。用户U_j需要对数据类型L下的数据与用户U_i该类型的数据进行比较时，用户U_j发送比较请求；用户U_i收到该比较请求，若同意该比较请求，则将该数据类型的标签转换信息K_Li发送给用户U_j；U_j采用标签转换信息K_Li将其标签转换为标签T_Lj，再生成进行比较的可比较加密数据M_Lj；对可比较加密数据M_Li和可比较加密数据M_Lj进行比较，用户U_j得到该比较结果。实现了在不需要对数据解密的情况下，实现多用户不同加密体制下，对运用不同加密密钥得到的密文进行比较。

Description

多用户加密数据可比较加密方法及加密数据比较方法

技术领域

本发明涉及一种多用户加密数据可比较加密方法及加密数据比较方法，特别是涉及一种适用于数据加密共享处理领域的多用户加密数据可比较加密方法及加密数据比较方法。

背景技术

目前Furukawa提出了可比较加密的方案虽然解决了保序加密因为密文空间被充满而泄露数据信息的问题，但是只能实现单密钥加密的密文比较。在大数据时代，用户将数据加密存放到云服务器上。例如：多个医疗机构将自己的医疗数据加密后存放到云服务器上，各个医疗机构的数据是分别用自己的私钥加密的，并且各个医疗机构之间并不希望其他的医疗机构知道自己的私钥。但是很多时候各个医疗机构之间又需要共享一些数据进行医学交流(比如研究某个指标超过某个标准后的症状)，这就需要对不同密钥加密的数据进行比较，找出满足需要的指标所对应的病历记录。由于，各医疗机构不会泄露自己的私钥，因此就需要研究如何对不同密钥加密的密文进行比较的算法。

在大数据时代，我们随时都将面临相当大的信息量，如何管理好这些信息保证信息的安全是我们需要解决的首要问题。同时我们需要更为有效的利用计算资源，为用户提供形式多样的数据服务。

由于终端的存储和计算资源受限，用户无法完成对大数据操作所引起的复杂昂贵的计算任务。在大数据环境下，用户只能将这些复杂昂贵的计算任务外包给云服务器进行处理，从而方便快捷的得到处理结果。然而，为了防止服务器获取到用户的私有信息，用户将对数据进行加密。不同的用户加密自身的数据时用的密钥不同，这使得不同的加密者加密的数据比较起来十分不便。很多时候用户需要与其他用户的加密数据进行比较，然而现有的方案基本都只能实现在同一密钥加密下的密文进行比较。因此，深入研究多用户环境下的可比较的加密方案是在大数据环境下数据共享的一个关键技术问题。

标签的比较一直都是一个比较困难的问题，为了更为方便快捷的对标签进行比较，Agrawal针对传统的数据库首次提出了保序加密的方案，该方案能够在不解密的情况下对加密数据进行比较。随后又有许多保序加密的方案提被提出，但是保序加密存在一个漏洞，如果标签充满了在某个限定的范围那么攻击者就能获得所有标签的顺序。Boldyreva提出了承诺的高效有序加密方案。随后可搜索加密被提出。虽然许多方案被提出，但是保序加密的漏洞还是没有被解决。最近，Furukawa提出了可比较加密方案，解决了保序加密的漏洞问题，允许用户将加密数据外包给服务器进行比较。但是此方案用的是对称加密，只能实现单用户数据比较，不能实现多用户标签的比较。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种在不需要对数据解密的情况下，实现多用户不同加密体制下，对运用不同加密密钥得到的加密数据进行比较，且不容易被攻击的多用户加密数据可比较加密方法及加密数据比较方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种多用户加密数据可比较加密方法，具体方法步骤为：

步骤一、用户U_i判断要对其他用户用于比较使用数据的数据类型L是否为该数据类型下首次要公布的数据类型，是则进入步骤二，否则进入步骤三；

步骤二、用户U_i根据自己的随机私钥k_iL结合可信第三方分配的特定私钥K⁽ⁱ⁾生成用于进行比较的数据的标签T_Li、能够用于进行比较的可比较加密数据M_Li及标签转换信息K_Li；

步骤三、用户U_i根据数据类型L的私钥k_iL结合可信第三方分配的特定私钥K⁽ⁱ⁾生成用于进行比较的数据的标签T_Li、能够用于进行比较的可比较加密数据M_Li及标签转换信息K_Li；

所述标签用于需要与其他用户的数据进行比较时，利用对方的标签转换信息，将自己的标签转换为新的标签；所述新的标签能够生成，能够与对方的可比较加密数据进行比较的可比较加密数据；

所述标签转换信息K_Li对需要进行比较的其他用户的标签进行转换，利用转换后的标签生成的可比较加密数据能够与可比较加密数据M_Li进行比较。

作为优选，所述方法还包括：当用户U_r被删除，为了防止用户U_r再次进行加密数据的比较，可信第三方重新给其他合法用户分配新的特定私钥，并且所述其他合法用户得到新的特定私钥后更新用户U_r被删除以前的可比较加密数据、标签及标签转换信息。

基于上述加密方法的加密数据比较方法，具体方法为：用户U_i对外公布能够用于进行比较的数据类型；用户U_j需要对数据类型L下的数据与用户U_i该类型的数据进行比较时，用户U_j发送比较请求；用户U_i收到该比较请求，若同意该比较请求，则将该数据类型的标签转换信息K_Li发送给用户U_j；U_j采用标签转换信息K_Li将其需要比较的数据的标签转换为标签T_Lj，再由该标签T_Lj生成可比较加密数据M_Lj，并且将标签T_Lj与可比较加密数据M_Lj发送给云服务器；云服务器利用标签T_Lj对可比较加密数据M_Li和可比较加密数据M_Lj进行比较，用户U_j得到该比较结果。

作为优选，用户U_i将数据类型L以及其相对应的标签转换信息K_Li绑定存放到云服务器上；用户U_j需要对数据类型L下的数据与用户U_i该类型的数据进行比较时，用户U_j向云服务器发送比较请求；用户U_i通过云服务器收到该比较请求，若同意该比较请求，则云服务器将该数据类型的标签转换信息K_Li发送给用户U_j；U_j采用标签转换信息K_Li将其需要比较的数据的标签转换为标签T_Lj，再由该标签T_Lj生成可比较加密数据M_Lj，并且将标签T_Lj与可比较加密数据M_Lj发送给云服务器；云服务器利用标签T_Lj对可比较加密数据M_Li和可比较加密数据M_Lj进行比较，并将比较结果发送给用户U_j。

作为优选，用户U_i将数据类型L以及其相对应的标签转换信息K_Li进行绑定，并且公布；用户U_j需要对数据类型L下的数据与用户U_i该类型的数据进行比较时，直接获取所绑定的标签转换信息K_Li，U_j采用标签转换信息K_Li将其需要比较的数据的标签转换标签T_Lj，再由该标签T_Lj生成可比较加密数据M_Lj，并且将标签T_Lj与可比较加密数据M_Lj发送给云服务器；云服务器利用标签T_Lj对可比较加密数据M_Li和可比较加密数据M_Lj进行比较，并将比较结果发送给用户U_j。

作为优选，可比较加密数据M_Li与M_Lj为为形式为(c_t,v_t)的可比较信息，其中：c_t用于判断该数据位是否相等；v_t用于判断不相等数据位上的bit值的大小关系。

作为优选，当用户U_r被删除，为了防止用户U_r再次进行加密数据的比较，可信第三方重新给其他合法用户分配新的特定私钥，并且所述其他合法用户得到新的特定私钥后更新用户U_r被删除以前的可比较加密数据、标签及转换信息。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：实现了在不需要对数据解密的情况下，实现多用户不同加密体制下，对运用不同加密密钥得到的密文进行比较，且不容易被攻击。

附图说明

图1为本发明其中一实施例的原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本说明书(包括摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

具体实施例一

本具体以密文加密到密文比较全过程为例，以其中一种可行算法为例，进行具体举例说明。

以图1所示，在本具体实施例中以用户i(用U_i表示)和用户j(用U_j表示)通过云服务平台进行请求比较并得到比较结果为例进行详细说明。每个用户再向云服务平台发布能够用于进行比较的数据的数据类型前，均会根据要发布的数据的数据类型L的私钥结合可信第三方分配的特定私钥生成加密数据的标签、能够用于进行比较的加密数据及标签转换信息；所述标签用于需要与其他用户的数据进行比较时，利用对方的标签转换信息，将自己的标签转换为新的标签。该新的标签能够生成，能够与对方的可比较加密数据进行比较的可比较加密数据；所述标签转换信息对需要进行比较的其他用户的标签进行转换，利用转换后的标签生成的可比较加密数据能够与对方的可比较加密数据进行比较。

用户U_j需要对数据类型L下的数据与用户U_i该类型的数据进行比较时，用户U_j发送比较请求；用户U_i收到该比较请求，若同意该比较请求，则将该数据类型的标签转换信息K_Li发送给用户U_j；U_j采用标签转换信息K_Li将其标签转换为标签T_Lj，再由该标签T_Lj生成可比较加密数据M_Lj，并且将标签T_Lj与该可比较加密数据M_Lj发送给云服务器；云服务器利用标签T_Lj对可比较加密数据M_Li和可比较加密数据M_Lj进行比较，用户U_j得到该比较结果。

这样的方式用户U_i需要存储标签转换信息K_Li，U_j要对U_i的数据进行比较时需要向U_i发送请求，若同意该比较请求，则U_i将该数据类型的标签转换信息K_Li发送给用户U_j。

在本具体实施例中，包括用户、可信第三方(TTP)和云服务平台。

可信第三方(TTP)运行密钥生成算法G(·)产生用户U_i的特定私钥K⁽ⁱ⁾。TTP的主要用途是为用户生成一系列满足某种关系的密钥，以便于后期用户之间的密钥转换，在没有用户删除的情况下，每个用户对应一个TTP分配给自己的特定私钥。

用户U_i随机选择一个私钥k结合TTP分配的特定私钥K⁽ⁱ⁾生成标签(Token)及标签转换信息K_Li，以助于其他用户能通过标签转换信息K_Li转换出能与U_i的加密数据比较的可比较加密数据。

用户U_j需要与U_i的数据进行比较时，用户U_j向U_i发送比较请求；用户U_i收到该比较请求，若同意该比较请求，则将该数据类型的标签转换信息K_Li发送给用户U_j；然后U_j结合U_i公布的标签转换信息K_Li运用标签转换算法T(·)将自己的标签转换成能够比较的可比较加密数据。

用户U_i先将自己的数据转换成二进制，然后生成可比较信息(c_t,v_t)，其中：c_t用于判断该数据位是否相等；v_t用于判断不相等数据位上的bit值的大小关系。用户U_j的数据转换成二进制，结合标签转换信息K_Li生成标签Token′，再生成可比较信息(c'_t,v'_t)，然后将标签Token′，与可比较信息(c'_t,v'_t)发送给云服务器；云服务器运用比较算法C(·)，结合标签Token′，将用户U_j的可比较信息(c'_t,v'_t)与用户U_i可比较信息(c_t,v_t)进行比较。首先比较c'_t与c_t确定哪一位信息不同，然后通过比较相应的v'_t与v_t来判断加密数据的大小。

具体算法为：

TTP生成一个双线性密码***，G，G_T为两个阶为的p的循环群，g为群G的生成元，双线性映射e:G×G→G_T。同时TTP随机选择a,f,s,公布(G,G_T,g,e)以及a,f,s,l。其中：a,f,s,l为公开参数，为有限域(这里p为素数，以下运算都是在有限域中的计算)。

TTP选择一个2×2的满秩矩阵与一个私钥y，然后计算满足下列式子

TTP随机选择满足t_1i+t_2i＝1mod p，保证用户之间能进行正确的密钥转换；然后计算

然后TTP计算与的值，并将与发送给成员U_i。

用户U_i首先将自己的数据num转换成二进制(b_m-1,…,b₁,b₀)。在用户U_i收到与后，计算 然后再随机选择私钥计算e(g,g^y)^k＝e(g,g)^ky。用户U_i生成如下加密数据的Token

d_m＝H(e(g,g)^ky)H(Y,(0,0^λ,0))

d_i＝H(e(g,g)^ky)H(Y,(a,d_i+1,b_i))

其中，i＝m-1,m-2,…,1,0；H(·)为无碰撞的hash函数，λ为hash函数作用后得到的结果的长度(bit长度)，0^λ表示有λ个0，H(Y,(0,0^λ,0))可以看作H(Y||0||0^λ||0)，其中||表示连接符。

U_i输出加密数据的Token，Token＝(d_m,d_m-1,…,d₁,d₀)。

接下来U_i计算c_i，e_i与v_i。(这里c_i用于判断该数据位是否相等，e_i用于保护每个数据位上的bit值，v_i用于保护e_i的值，并且用于判断不相等数据位上的bit值得大小关系)

U_i随机选择计算

c_i＝H(d_i,(f,I,0))

e_i＝H(Y,(s,d_i+1,0))+b_i mod3

v_i＝H(d_i+1,(l,I,0))+e_i mod3

然后U_i将ciph＝(I,(c_m,…,c₁,c₀),(v_m-1,…,v₁,v₀))发送给云服务器。

同时U_i公布Token的转换信息

Token的转换：如果用户U_j想与用户U_i的标签进行比较，那么U_j就必须将自己数据的Token转换成能与U_i数据比较的Token'。

U_j将自己的数据num'首先转换成二进制(b_m-1',…,b₁',b₀')，然后运用自己的私钥与U_i公布Token的转换信息计算

这样U_j就可以运用e(g,g)^ky来计算可以与U_i数据进行比较的Token'。

d_m'＝H(e(g,g)^ky)H(Y,(0,0^λ,0))

d_i'＝H(e(g,g)^ky)H(Y,(a,d_i+1',b_i'))

其中i＝m-1,m-2,…,1,0.

U_j输出Token'＝(d_m',…,d₁',d₀')。

同时U_j随机选择并且计算

c_i'＝H(d_i',(f,I',0))，

e_i'＝H(Y,(s,d_i+1',0))+b_i'mod3，

v_i'＝H(d_i+1',(l,I',0))+e_i'mod3。

数据比较：U_j将ciph'＝(I',(c_m',…,c₁',c₀'),(v_m-1',…,v₁',v₀'))与Token'＝(d_m',…,d₁',d₀')发送给云服务器，请求云服务器与U_i的数据进行比较。

云服务器首先倒序比较(c_m',…,c₁',c₀')与(c_m,…,c₁,c₀)(即从m开始比较，最后比较0)，找出第一个不相同的c_t'与c_t，然后找出对应的v_t'与v_t(注意，如果c_t'＝c_t，则说明d_i+1'＝d_i+1，并且b_i+1'＝b_i+1)。此时

e_j＝f_j-Hash(d_j+1',(s,I,0))mod3

e′_j＝f′_j-Hash(d_j+1',(s,I′,0))mod3

服务器再计算

e_j-e′_j mod3。

因此可以得到如下结论：

如果e_j-e′_j＝1mod3，则说明num>num'；

如果e_j-e′_j＝2mod3＝-1mod3，则说明num<num'。

成员的添加与删除：

成员的添加：如果有成员U_r加入，TTP随机选择满足t_1r+t_2r＝1mod p，然后计算

然后TTP计算与的值，并将与发送给成员U_r。

这样U_r就可以根据以上步骤来与其他用户的加密数据进行比较。

成员的删除：如果有成员U_r被删除，为了防止U_r再次进行加密数据的比较，TTP需要重新给其他合法用户分配新的密钥，并且合法用户得到新的密钥后需要更新U_r被删除以前的标签的标签(Token)。分别从以下两步进行。

TTP更新合法成员的私钥：

TTP选择一个2×2的满秩矩阵但是y不变，然后计算满足下列式子

TTP随机选择满足t_1i'+t_2i'＝1，然后计算

然后TTP计算与的值，并将与发送给成员U_i(i≠r)。

合法用户对标签(Token)的更新：

用户U_i收到与后，随机选择计算e(g,g^y)^k'＝e(g,g)^k'y。用户U_i计算A＝H(e(g,g)^k'y)(H(e(g,g)^k'y))^-1，

d_m*＝H(e(g,g)^k'y)H(Y,(0,0^λ,0))＝H(e(g,g)^k'y)(H(e(g,g)^k'y))^-1d_m＝A d_m

d_i*＝H(e(g,g)^k'y)H(Y,(a,d_i+1,b_i))＝H(e(g,g)^k'y)(H(e(g,g)^k'y))^-1d_i＝A d_i

其中i＝m-2,…,1,0.

用户可用新的Token来更新密文

ciph＝(I,(c_m,…,c₁,c₀),(v_m-1,…,v₁,v₀))

更新为

ciph*＝(I,(c_m*,…,c₁*,c₀*),(v_m-1*,…,v₁*,v₀*))，

其中

c_i*＝H(d_i*,(f,I,0))

e_i*＝H(Y,(s,d_i+1*,0))+b_i mod3

v_i*＝H(d_i+1*,(l,I,0))+e_i mod3。

这样被删除的用户U_r就不能用结合的新转换密钥计算出新的Token：d_i*。

因为

同样被删除的用户U_r就不能用结合的以前的转换密钥计算出新的Token：d_i*。

因为k'≠k。

在本具体实施例中，d与c是从0到m的，e与v是0到m-1的。为了不让攻击者直接看出数据的大小，特别的将d与c增加了一位，使得所有数据的d与c的第一位都相同，让敌手无法直接判断出数据的大小关系。

具体实施例二

与具体实施例一的区别在于：用户U_i将数据类型L以及其相对应的标签转换信息K_Li息绑定(L，K_Li)存放到云服务器上；用户U_j需要对数据类型L下的数据与用户U_i该类型的数据进行比较时，用户U_j向云服务器发送比较请求；用户U_i通过云服务器收到该比较请求，若同意该比较请求，则云服务器将该数据类型的标签转换信息K_Li发送给用户U_j；U_j采用标签转换信息K_Li将其标签转换为标签T_Lj，再由该标签T_Lj生成可比较加密数据M_Lj，并且将标签T_Lj与可比较加密数据M_Lj发送给云服务器；云服务器利用标签T_Lj对可比较加密数据M_Li和可比较加密数据M_Lj进行比较，并将比较结果发送给用户U_j。

这样的方式可以减少用户U_i的存储量(因为U_i将数据类型L以及其相对应的标签转换信息K_Li息绑定(L，K_Li)存放到云服务器上)，但是数据的比较仍然需要请求(因为用户U_j向云服务器发送比较请求；用户U_i通过云服务器收到该比较请求，若同意该比较请求，则云服务器将该数据类型的标签转换信息K_Li发送给用户U_j)。

具体实施例三

与具体实施例一、二的区别在于：用户U_i将数据类型L以及其相对应的标签转换信息K_Li进行绑定，并且公布(L，K_Li)；用户U_j需要对数据类型L下的数据与用户U_i该类型的数据进行比较时，直接获取所绑定的标签转换信息K_Li，U_j采用标签转换信息K_Li将其标签转换为标签T_Lj，再由该标签T_Lj生成可比较加密数据M_Lj，并且将标签T_Lj与可比较加密数据M_Lj发送给云服务器；云服务器利用标签T_Lj对可比较加密数据M_Li和可比较加密数据M_Lj进行比较，并将比较结果发送给用户U_j。

这样的方式用户U_i不需要存储标签转换信息K_Li，并且比较的时候U_j不需要对U_i发送请求。

Claims (7)

1.一种多用户加密数据可比较加密方法，具体方法步骤为：

步骤一、用户U_i判断要对其他用户用于比较使用数据的数据类型L是否为该数据类型下首次要公布的数据类型，是则进入步骤二，否则进入步骤三；

步骤二、用户U_i根据自己的随机私钥k_iL结合可信第三方分配的特定私钥K⁽ⁱ⁾生成用于进行比较的数据的标签T_Li、能够用于进行比较的可比较加密数据M_Li及标签转换信息K_Li；

步骤三、用户U_i根据数据类型L的私钥k_iL结合可信第三方分配的特定私钥K⁽ⁱ⁾生成用于进行比较的数据的标签T_Li、能够用于进行比较的可比较加密数据M_Li及标签转换信息K_Li；

所述标签用于需要与其他用户的数据进行比较时，利用对方的标签转换信息，将自己的标签转换为新的标签；所述新的标签能够生成，能够与对方的可比较加密数据进行比较的可比较加密数据；

所述标签转换信息K_Li对需要进行比较的其他用户的标签进行转换，利用转换后的标签生成的可比较加密数据能够与可比较加密数据M_Li进行比较。

2.根据权利要求1所述的多用户加密数据可比较加密方法，所述方法还包括：当用户U_r被删除，为了防止用户U_r再次进行可比较加密数据的比较，可信第三方重新给其他合法用户分配新的特定私钥，并且所述其他合法用户得到新的特定私钥后更新用户U_r被删除以前的可比较加密数据、标签及标签转换信息。

3.基于权利要求1所述多用户加密数据可比较加密方法的加密数据比较方法，具体方法为：用户U_i对外公布能够用于进行比较的数据类型；用户U_j需要对数据类型L下的数据与用户U_i该类型的数据进行比较时，用户U_j发送比较请求；用户U_i收到该比较请求，若同意该比较请求，则将该数据类型的标签转换信息K_Li发送给用户U_j；U_j采用标签转换信息K_Li将其需要比较的数据的标签转换为标签T_Lj，再由该标签T_Lj生成可比较加密数据M_Lj，并且将标签T_Lj与可比较加密数据M_Lj发送给云服务器；云服务器利用标签T_Lj对可比较加密数据M_Li和可比较加密数据M_Lj进行比较，用户U_j得到该比较结果。

4.根据权利要求3所述的加密数据比较方法，用户U_i将数据类型L以及其相对应的标签转换信息K_Li绑定存放到云服务器上；用户U_j需要对数据类型L下的数据与用户U_i该类型的数据进行比较时，用户U_j向云服务器发送比较请求；用户U_i通过云服务器收到该比较请求，若同意该比较请求，则云服务器将该数据类型的标签转换信息K_i发送给用户U_j；U_j采用标签转换信息K_Li将其需要比较的数据的标签转换为标签T_Lj，再由该标签T_Lj生成可比较加密数据M_Lj，并且将标签T_Lj与可比较加密数据M_Lj发送给云服务器；云服务器利用标签T_Lj对可比较加密数据M_Li和可比较加密数据M_Lj进行比较，并将比较结果发送给用户U_j。

5.根据权利要求3所述的加密数据比较方法，用户U_i将数据类型L以及其相对应的标签转换信息K_Li进行绑定，并且公布；用户U_j需要对数据类型L下的数据与用户U_i该类型的数据进行比较时，直接获取所绑定的标签转换信息K_Li，U_j采用标签转换信息K_Li将其需要比较的数据的标签转换标签T_Lj，再由该标签T_Lj生成可比较加密数据M_Lj，并且将标签T_Lj与可比较加密数据M_Lj发送给云服务器；云服务器利用标签T_Lj对可比较加密数据M_Li和可比较加密数据M_Lj进行比较，并将比较结果发送给用户U_j。

6.根据权利要求3到5之一所述的加密数据比较方法，可比较加密数据M_Li与M_Lj为为形式为(c_t,v_t)的可比较信息，其中：c_t用于判断该数据位是否相等；v_t用于判断不相等数据位上的bit值的大小关系。

7.根据权利要求3到5之一所述的加密数据比较方法，所述方法还包括：当用户U_r被删除，为了防止用户U_r再次进行加密数据的比较，可信第三方重新给其他合法用户分配新的特定私钥，并且所述其他合法用户得到新的特定私钥后更新用户U_r被删除以前的可比较加密数据、标签及转换信息。