CN108650268B - 一种实现多级访问的可搜索加密方法及*** - Google Patents

一种实现多级访问的可搜索加密方法及*** Download PDF

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CN108650268B CN201810462200.7A CN201810462200A CN108650268B CN 108650268 B CN108650268 B CN 108650268B CN 201810462200 A CN201810462200 A CN 201810462200A CN 108650268 B CN108650268 B CN 108650268B
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Abstract

本发明公开了一种实现多级访问的可搜索加密方法，包括以下步骤：数据拥有者将文件和用户端的权限分等级，并生成公钥、密钥并分配给用户端，对文件生成标签和加密文件号，通过加密算法加密文件权限，生成链表，依据链表生成字典并上传检索服务器，加密文件号上传到文件服务器；用户端通过密钥和关键字查询，并在字典上进行搜索，用户权限与文件权限相同或者大于文件权限，则成功解出，再通过密钥解密文件号，并获得加密文件号对应的文件；本发明以可搜索对称加密为基础，将数据分级的基础上，将可查询用户进行权限分级，实现分级管理，并设置判断条件，实现查询用户的权限访问功能的加密方法。

Description

一种实现多级访问的可搜索加密方法及***
技术领域
本发明涉及计算机网络安全的研究领域，特别涉及一种实现多级访问的可搜索加密方法及***。
背景技术
随着云计算的高速发展，越来越多用户将自己的文件外包到云服务器中，在用户外包到云服务器中的文件，可能包含某些敏感数据。可搜索的对称加密(SSE)允许将数据以密文形式存储在不受信任的服务器上，然后在保证安全性隐私性的前提下，给定关键字直接在密文上进行搜索，解密后得到原来的数据。可搜索对称加密过程中，解密过程所使用的密钥与加密过程相同，其算法为加密过程的逆算法。
David Cash等人在2014年提出了一种对称加密方案。该方案提出了静态方案，随后改进了存储方式，进一步提出了动态方案。James Alderman*等人在2017年发表的文献中提出了一种实现多级访问的对称可搜索加密模型，允许数据拥有者添加或删除用户，或者修改他们的权限。
可交换加密算法是指一个加密算法满足
Figure GDA0002543515970000011
其中K1，K2为2个不同的密钥。为实现文件与用户的权限管理，引入了集合相交问题的双方保密计算知识。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种实现多级访问的可搜索加密方法。
本发明的另一目的是提供一种实现多级访问的可搜索加密***。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种实现多级访问的可搜索加密方法：包含以下步骤：
S1、数据拥有者将文件和用户端的权限分等级，分别形成文件号-关键字-文件权限关系表和用户-访问权限关系表，并由文件号-关键字-文件权限关系表整理形成关键字-文件号-文件权限关系表；
S2、数据拥有者随机生成公钥PK，密钥Ka、Kb，再根据关键字-文件号-文件权限关系表，对关键字Wi生成两个密钥K1、K2，过程如下：
K1←F(PK,1||Wi)，
K2←F(PK,2||Wi)；
S3、对关键字Wi对应的文件分别生成标签label及加密文件号di，加密对应文件的权限，
Figure GDA0002543515970000021
其中，level_fi为第i个文件权限，
Figure GDA0002543515970000022
为使用加密算法Enc和密钥Ka加密level_fi；
Figure GDA0002543515970000023
为使用加密算法Enc和密钥Kb加密EncKa(level_fi)；
将每一个
Figure GDA0002543515970000024
加入到链表L，按照label字典顺序排列；
其中，
Figure GDA0002543515970000025
表示使用加密算法Enc和密钥Kb加密
Figure GDA0002543515970000026
后，与加密文件号di和00拼接的新字符串做异或运算；
S4、根据链表L生成字典γ，即γ←Create(L)，并上传到检索服务器，将每个加密文件号上传到文件服务器；
S5、数据拥有者根据用户-访问权限关系表，对每个用户端的每个权限计算：
Figure GDA0002543515970000027
构成用户权限集合，并将
Figure GDA0002543515970000028
和密钥PK、Kb返回给对应的查询用户端；
其中，level_ui为用户权限集合的第i个权限；
Figure GDA0002543515970000029
表示使用加密算法Enc和密钥Ka加密level_ui；
S6、用户端查询信息时，用公钥PK和需要查询的关键字Wi，进行计算：
K1←F(PK,1||Wi)，
其中，F为伪随机函数，将(Wi，K1)发送给检索服务器；
S7、检索服务器接收用户端查询信息后，在字典上进行搜索，检索到包含关键字的文件数量有X个，则有：
c:0→找不到关键字为止；即0≤c<X，c从0开始搜索，搜索进行X次，得到：
label←F(K1,c)；
Figure GDA0002543515970000031
检索服务器将
Figure GDA0002543515970000032
K2发送给用户端；
用户端计算
Figure GDA0002543515970000033
和
Figure GDA0002543515970000034
做异或运算，若用户端权限和文件权限相同，则解出di||00；
异或运算过程：
Figure GDA0002543515970000035
如果
Figure GDA0002543515970000036
与
Figure GDA0002543515970000037
相同，则解出di||00，
用户端将di||00发送给文件服务器，文件服务器检测加密文件号，如果加密文件号最后两位数为00，则结果正确，并将加密文件号对应的文件返回给用户端；否则，不返回任何内容；
用户端用解密算法Dec和密钥K2进行解密，得到文件号：
Figure GDA0002543515970000038
步骤S1中，文件和用户端的权限分成三个等级，所述权限等级，其中level1为最高访问权限，level2为相对较高访问权限，level3为最低访问权限；所述用户端可以访问等于和小于自己访问权限的文件。
步骤S2中，所述密钥PK由数据拥有者生成，分配给用户；所述密钥Ka、Kb由数据拥有者生成，数据拥有者使用密钥Ka、Kb加密文件权限，使用密钥Ka加密用户权限；数据拥有者将密钥Kb分配给用户；所述密钥K1、K2为数据拥有者在按照关键字加密文件时使用，用户发送查询命令后，生成K1并发送给检索服务器。
步骤S3中，所述加密文件权限使用加密算法Enc。
步骤S7中，所述解密使用解密算法Dec。
本发明的另一目的通过以下技术方案实现：
一种实现多级访问的可搜索加密***，包括数据拥有者、检索服务器、文件服务器、用户端；
所述数据拥有者对文件和用户权限加密，将密文上传到文件服务器与检索服务器，并将加密权限和密钥返回给用户端；
所述检索服务器用于提供查询功能，返回密文，由用户端自行解出文件号；
所述文件服务器用于提供查找文件的功能，返回加密的文件号；
所述用户端用于发送查询请求，接收查询结果。
所述的一种现实多级访问的可搜索加密***工作过程：
加密时：数据拥有者将自身的文件按照关键字进行加密；加密后将密文上传到检索服务器，将加密文件号上传到文件服务器，并加密用户权限，返回给用户端；
查询时：用户端发送查询请求给检索服务器，检索服务器按照标签进行匹配，将加密后的文件号以及加密文件的密钥返回给用户端，用户端利用自身的密钥和权限进行解密，得到文件号，并到文件服务器查找文件号，获取文件。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明基于在可搜索对称加密的基础上，支持在密文上进行单关键字的文件搜索，保证了其效率与安全性，不影响其效率和效果；在将数据分级的基础上，将可查询用户进行权限分级，并设置判断条件，实现多级访问。
2、实现多级访问的可搜索加密对称加密是有范围的，其限定在一个机构或体系中，有固定的用户，且每位用户都将分配有各自的访问权限；比如学校的教务管理***，***的使用人数稳定，教务员、教职工、学生分别有不同的访问权限，操作简便，使用范围广。
附图说明
图1是本发明的方法流程图。
图2是本发明的方法密钥分配示意图。
图3是本发明的文件加密上传流程图。
图4是本发明的文件查询流程图。
图5是本发明的一种实现多级访问的可搜索加密***示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1所示，一种实现多级访问的可搜索加密方法：包含以下步骤：
第一步：数据拥有者将文件和用户的权限分成三个等级，即分别形成文件号-关键字-文件权限关系表和用户-访问权限关系表，并由文件号-关键字-文件权限关系表整理形成关键字-文件号-文件权限关系表；
数据拥有者存储两张表：文件号-关键字-文件权限关系表和用户-访问权限关系表；
文件号-关键字-文件权限关系表：
Figure GDA0002543515970000051
用户-访问权限关系表：
用户(user) 访问权限(level_u)
Alice {level2，level3，0…0}
Bob {level1，level2，level3}
… …
其中，用户的访问权限包含当前用户权限以及小于该访问权限的所有权限，并整理成数量相等的集合，不足的用0字符串补充。
加密时，由上述两个表，形成下面表格，关键字-文件号-文件权限关系表：
Figure GDA0002543515970000052
Figure GDA0002543515970000061
文件和用户的权限分成三个等级，所述权限等级，其中level1为最高访问权限，level2为相对较高访问权限，level3为最低访问权限；所述用户可以访问等于和小于自己访问权限的文件。
第二步：数据拥有者随机生成密钥PK、Ka、Kb，再根据关键字-文件号-文件权限关系表，对关键字Wi生成两个密钥K1、K2，K1←F(PK,1||Wi)，K2←F(PK,2||Wi)；
所述密钥PK由数据拥有者生成，分配给用户；所述密钥Ka、Kb由数据拥有者生成，数据拥有者使用密钥Ka、Kb加密文件权限，使用密钥Ka加密用户权限；数据拥有者将密钥Kb分配给用户；所述密钥K1、K2为数据拥有者在按照关键字加密文件时使用，用户发送查询命令后，生成K1并发送给检索服务器，密钥分配情况如图2所示。
第三步：对关键字Wi对应的文件分别生成标签label及加密文件号di，使用加密算法Enc，如图3所示，加密对应文件的权限：
Figure GDA0002543515970000062
其中，level_fi为文件权限，
Figure GDA0002543515970000063
为使用加密算法Enc和密钥Ka加密
Figure GDA0002543515970000064
为使用加密算法Enc和密钥Ka加密
Figure GDA0002543515970000065
将每一个
Figure GDA0002543515970000066
加入到链表，按照label字典顺序排列；
其中，
Figure GDA0002543515970000067
表示使用加密算法Enc和密钥Kb加密
Figure GDA0002543515970000068
后，与加密文件号di和00拼接的新字符串做异或运算；
第四步：根据链表生成字典γ←Create(L)，并上传到检索服务器，将每个加密文件号上传到文件服务器；
第五步：每个用户计算
Figure GDA0002543515970000069
的集合，并将
Figure GDA00025435159700000610
和密钥PK、Kb返回给对应的查询用户；
第六步：用户查询信息时，如图4所示，用公钥PK和需要查询的关键字，根据公开的算法，计算出K1←F(PK,1||Wi)，将(Wi，K1)发送给检索服务器；
第七步：检索服务器接收用户查询信息后，在字典上进行搜索：
检索服务器接收用户端查询信息后，在字典上进行搜索，检索到包含关键字的文件数量有X个，则有：
c:0→找不到关键字为止；即0≤c<X，c从0开始搜索，搜索进行X次，得到：
label←F(K1,c)；
Figure GDA0002543515970000071
检索服务器将
Figure GDA0002543515970000072
K2发送给用户端；
用户端计算
Figure GDA0002543515970000073
和
Figure GDA0002543515970000074
做异或运算，若用户端权限和文件权限相同，则解出di||00；
异或运算过程：
Figure GDA0002543515970000075
如果
Figure GDA0002543515970000076
与
Figure GDA0002543515970000077
相同，则解出di||00，
用户端将di||00发送给文件服务器，文件服务器检测加密文件号，如果加密文件号最后两位数为00，则结果正确，并将加密文件号对应的文件返回给用户端；否则，不返回任何内容；
用户端用解密算法Dec和密钥K2进行解密，得到文件号：
Figure GDA0002543515970000078
同时，文件能进行更新，实现添加文件和删除文件；
添加文件过程：为实现添加文件功能，在数据拥有者以及检索服务器处分别添加数据结构链表L+，字典γ+；假设数据拥有者有一份待添加的文件表格；添加文件的过程如下：
管理端生成密钥K+<--F(PK，3)，返回给数据拥有者；数据拥有者；对每个关键字，生成K1+←F(K+,1||w)，K2+←F(K+,2||w)；在链表L+中搜索，看该关键字的文件是否曾经更新过，得到返回结果c，表示添加过的文件的数量。若没有更新的记录，则c＝0；计算label←F(K1+,c)；d←Enc(K2+,id)；
Figure GDA0002543515970000079
将
Figure GDA00025435159700000710
添加到链表L和L+；根据L+生成字典γ+，将γ+发送到检索服务器；将每个加密的文件号d上传到文件服务器；
当需要查询时，用密钥K1在字典γ上搜索，用密钥K1+在字典γ+上进行搜索。将两个字典符合结果的文件号返回；过程与静态方案大致相同。
删除文件过程：为实现删除文件功能，我们在数据拥有者以及检索服务器处分别添加数据结构链表Lrev，集合Srev。假设数据拥有者有一份待删除的文件的表格，并整理成如下：
关键字w 文件号id
计算机 1，3，5
科学 2
… …
删除过程如下：
管理端生成密钥K-<--F(PK,4)，并发送给数据拥有者；数据拥有者处：对于每个关键字，分别K1-←F(K-,w)，revid←F(K1-,id)；将revid添加到链表Lrev；将链表内容添加到服务端的集合Srev处；
当需要查询时，在字典γ和γ+上搜索后，用密钥K-生成K1-和revid。当在文件服务器搜索文件时，判断revid是否在集合Srev中，若在，表示该文件已经删除，不用返回；否则，返回文件号。
对检索服务器而言，若检索服务器是不可信任的，它试图窃取某些数据，或者根据一些规律来试图解密部分数据。假设检索服务器截取到部分密文，并且知道了label和加密文件的密钥K2。检索服务器得到
Figure GDA0002543515970000081
由于没有密钥Ka和Kb，检索服务器无法破解该公式。所以，检索服务器即使拥有了用于解密的密钥，也无法得到加密后的文件号。检索时，检索服务器仅仅知道某个关键字拥有的文件数量，而用户权限和文件权限对其而言是未知的。
对用户而言，若用户是恶意的，并试图监听数据。用户拥有公钥PK，加密的用户权限。假设用户收到了检索服务器返回的密文，并用密钥Kb加密访问权限，用访问权限与密文中的权限做异或运算。若权限相同则能得到正确的文件号。若不正确，则得到错误的结果。用户使用该结果到文件服务器进行文件搜索，文件服务器根据后缀是否为“00”来判断用户是否解密正确，即是否有该权限来查看文件，从而返回加密后的文件号给用户。用户使用密钥K2进行解密文件。若用户没有权限，解密失败。
如果外界攻击数据，截取到密文。因为加密过程中需要创建链表，并且对表中数据进行排序，解密过程中也要进行线性搜索，外界掌握了文件数量。外界获取密文后，试图用不同的密钥来解密，由于每个关键字的K1、K2是不相同的，对手要做多次穷举才能得到正确的密钥。而在短期内，对手获取到正确的密钥的概率是非常低的，也就是对手匹配标签、获得正确的数据的成功概率是非常低的。这和假设服务端是不可信的情况大致相同，无法得到正确的明文。
一种实现多级访问的可搜索加密***，如图5所示，包括数据拥有者、检索服务器、文件服务器、用户端；
所述数据拥有者对文件和用户权限加密，将密文上传到文件服务器与检索服务器，并将加密权限黄和密钥返回给用户端；
所述检索服务器用于提供查询功能，返回密文，由用户端自行解出文件号；
所述文件服务器用于提供查找文件的功能，返回加密的文件号；
所述用户端用于发送查询请求，接收查询结果。
所述的一种现实多级访问的可搜索加密***工作过程：
加密时：数据拥有者将自身的文件按照关键字进行加密；加密后将密文上传到检索服务器，将加密文件号上传到文件服务器，并加密用户权限，返回给用户端；
查询时：用户端发送查询请求给检索服务器，检索服务器按照标签进行匹配，将加密后的文件号以及加密文件的密钥返回给用户端，用户端利用自身的密钥和权限进行解密，得到文件号，并到文件服务器查找文件号，获取文件。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种实现多级访问的可搜索加密方法：其特征在于，包含以下步骤：
S1、数据拥有者将文件和用户端的权限分等级，分别形成文件号-关键字-文件权限关系表和用户-访问权限关系表，并由文件号-关键字-文件权限关系表整理形成关键字-文件号-文件权限关系表；
S2、数据拥有者随机生成公钥PK，密钥Ka、Kb，再根据键字-文件号-文件权限关系表，对关键字Wi生成两个密钥K1、K2，过程如下：
K1←F(PK,1||Wi)，
K2←F(PK,2||Wi)；
S3、对关键字Wi对应的文件分别生成标签label及加密文件号di，加密对应文件的权限，
Figure FDA0002543515960000011
其中，level_fi为第i个文件权限，
Figure FDA0002543515960000012
为使用加密算法Enc和密钥Ka加密level_fi；
Figure FDA0002543515960000013
为使用加密算法Enc和密钥Kb加密
Figure FDA0002543515960000014
将每一个
Figure FDA0002543515960000015
加入到链表L，按照label字典顺序排列；
其中，
Figure FDA0002543515960000016
表示使用加密算法Enc和密钥Kb加密
Figure FDA0002543515960000017
后，与加密文件号di和00拼接的新字符串做异或运算；
S4、根据链表L生成字典γ，即γ←Create(L)，并上传到检索服务器，将每个加密文件号上传到文件服务器；
S5、数据拥有者根据用户-访问权限关系表，对每个用户端的每个权限计算：
Figure FDA0002543515960000018
构成用户权限集合，并将
Figure FDA0002543515960000019
和密钥PK、Kb返回给对应的查询用户端；
其中，level_ui为用户权限集合的第i个权限；
Figure FDA00025435159600000110
表示使用加密算法Enc和密钥Ka加密level_ui；
S6、用户端查询信息时，用公钥PK和需要查询的关键字Wi，进行计算：
K1←F(PK,1||Wi)，
其中，F为伪随机函数，将(Wi，K1)发送给检索服务器；
S7、检索服务器接收用户端查询信息后，在字典上进行搜索，检索到包含关键字的文件数量有X个，则有：
c:0→找不到关键字为止；即0≤c<X，c从0开始搜索，搜索进行X次，得到：
label←F(K1,c)；
Figure FDA0002543515960000021
检索服务器将
Figure FDA0002543515960000029
发送给用户端；
用户端计算
Figure FDA0002543515960000023
和
Figure FDA0002543515960000024
做异或运算，若用户端权限和文件权限相同，则解出di||00；
异或运算过程：
Figure FDA0002543515960000025
如果
Figure FDA0002543515960000026
与
Figure FDA0002543515960000027
相同，则解出di||00，
用户端将di||00发送给文件服务器，文件服务器检测加密文件号，如果加密文件号最后两位数为00，则结果正确，并将加密文件号对应的文件返回给用户端；否则，不返回任何内容；
用户端用解密算法Dec和密钥K2进行解密，得到文件号：
Figure FDA0002543515960000028
2.根据权利要求1所述的一种实现多级访问的可搜索加密方法，其特征在于，步骤S1中，所述权限等级分为三个等级：level1为最高访问权限，level2为相对较高访问权限，level3为最低访问权限；所述用户端根据权限访问等于和小于自己访问权限的文件。
3.根据权利要求1所述的一种实现多级访问的可搜索加密方法，其特征在于，步骤S1中，所述关键字-文件号-文件权限关系表包含关键字、文件号、文件权限。
4.根据权利要求1所述的一种实现多级访问的可搜索加密方法，其特征在于，步骤S2中，所述公钥PK由数据拥有者生成，分配给用户；所述密钥Ka、Kb由数据拥有者生成，数据拥有者使用密钥Ka、Kb加密文件权限，使用密钥Ka加密用户权限；数据拥有者将密钥Kb分配给用户；所述密钥K1、K2为数据拥有者在按照关键字加密文件时使用，用户发送查询命令后，生成K1并发送给检索服务器。
5.根据权利要求1所述的一种实现多级访问的可搜索加密方法，其特征在于，步骤S3中，所述加密文件权限使用加密算法Enc，所述链表L为一种物理单元上非连续、非顺序的存储结构。
6.根据权利要求1所述的一种实现多级访问的可搜索加密方法，其特征在于，步骤S4中，所述字典为一种存储结构，每个元素由键和值组成；所述键为label，是唯一的；值包含
Figure FDA0002543515960000031
构成字典。
7.一种实现多级访问的可搜索加密***，用于实现权利要求1至6任一权利要求所述的一种实现多级访问的可搜索加密方法，其特征在于，包括数据拥有者、检索服务器、文件服务器、用户端；
所述数据拥有者对文件和用户权限加密，将密文上传到文件服务器与检索服务器，并将加密权限和密钥返回给用户端；
所述检索服务器用于提供查询功能，返回密文，由用户端自行解出文件号；
所述文件服务器用于提供查找文件的功能，返回加密的文件号；
所述用户端用于发送查询请求，接收查询结果。
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