CN114142996B - 一种基于sm9密码算法的可搜索加密方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于SM9密码算法的可搜索加密方法，通过基于SM9加密算法构建秘钥模型，以为用户生成公私钥对；获取公共参数、目标接收者的唯一身份标识和相应的关键字，以生成关键字对应的密文索引；获取公共参数、关键词和公私钥对中的私钥，生成密文检索陷门；基于公共参数和密文检索陷门对密文索引进行逐个对比，并将满足条件的密文数据返回给检索者。实现了基于非对称双线性对构造的可搜索加密方案可与国密SM9密码算法结合使用，大大提高了运算的效率，并且有利于推广国密算法，加强信息安全。

Description

一种基于SM9密码算法的可搜索加密方法

技术领域

本发明属于信息安全技术领域，具体涉及一种基于SM9密码算法的可搜索加密方法。

背景技术

在信息安全理论中，加密技术用来保证数据的保密性，可搜索加密技术可以让服务器在密文场景下对密文文件进行检索，提高密文数据的可用性。在数据的储存场景中，为了保证数据的保密性，通常需要先对数据进行加密，但这种方法的代价是加密后的数据使用极为不便，若用户想检索数据，只能将全部的密文数据下载到本地，在本地解密之后再在明文数据上进行检索操作，过程繁琐且效率较低。可搜索加密(SE,searchableencryption)的核心思想就是让服务器能在密文场景下对数据进行检索，再将检索结果返回给用户，这样用户就只需要在本地解密密文数据，从而降低检索操作的计算量和通信成本。

而目前绝大部分可搜索加密方案都是通过对称双线性对来实现，计算效率较低。

发明内容

为了解决现有技术存在的效率低的问题，本发明提供了一种基于SM9密码算法的可搜索加密方法，其具有提高了运算的效率，有利于推广国密算法，加强信息安全等特点。

根据本发明的具体实施方式的一种基于SM9密码算法的可搜索加密方法，包括：

基于SM9加密算法构建秘钥模型，以为用户生成公私钥对；

获取公共参数、目标接收者的唯一身份标识和相应的关键字，以生成所述关键字对应的密文索引；

获取所述公共参数、所述关键词和所述公私钥对中的私钥，生成密文检索陷门；

基于所述公共参数和所述密文检索陷门对所述密文索引进行逐个对比，并将满足条件的密文数据返回给所述检索者。

进一步的，所述基于SM9加密算法构建秘钥模型，以为用户生成公私钥对包括：

基于SM9加密算法中的初始化算法获取主密钥和主公钥；

获取已经公布的两个哈希函数；

调用密钥生成算法基于所述两个哈希函数、所述主密钥和所述主公钥生成所述公私钥对。

进一步的，所述基于SM9加密算法中的初始化算法获取主密钥和主公钥包括：

调用国密SM9加密算法中的初始化算法SysSetup(λ)，生成系统公共参数

其中，λ为安全参数，为双线性对映射/>G₁×G₂→G_T，G₁和G₂是阶为大素数q的循环群，P₁是G₁的生成元，P₂是G₂的生成元；

通过随机选择整数s∈[1,q-1]作为主密钥，并计算主公钥P_pub＝sP₁。

进一步的，所述获取已经公布的两个哈希函数包括：

获取密钥生成中心公布的两个哈希函数：H₁:H₂:G_T→{0,1}^*。

进一步的，所述调用密钥生成算法基于所述两个哈希函数、所述主密钥和所述主公钥生成所述公私钥对包括：

调用密钥生成算法UserKeyGen(ID,s)，为用户生成公私钥对，其中ID表示用户的唯一身份标识；

对于用户ID_A，在有限域F_N上计算t₁＝H₁(ID_A)+s，若t₁＝0则重新计算主密钥并更新已有用户的私钥，否则继续计算

用户私钥d_A＝[t₂]P₂，用户公钥Q_A＝[H₁(ID_A)]P₁+P_pub＝[t₁]P₁。

进一步的，所述获取公共参数、目标接收者的唯一身份标识和相应的关键字，以生成所述关键字对应的密文索引包括：

输入公共参数Params、目标接收者的唯一身份标识ID_R以及关键字w，计算并生成所述关键字w对应的密文索引I＝(I₁,I₂,I₃)，包括：

随机选择整数r∈[1,q-1]；

计算I₁＝[r]Q_R，I₂＝[r]P₂；

调用哈希函数H₁和H₂，并计算输出I。

进一步的，所述获取所述公共参数、所述关键词和所述公私钥对中的私钥，生成密文检索陷门包括：

在检索者ID_A对密文数据进行检索时，基于公共参数Params、关键词w′、私钥d_A生成密文检索陷门T＝(T₁,T₂)，包括：

选择随机整数t∈[1,q-1]；

计算T₁＝[t]P_pub；

调用哈希函数H₁和H₂，并计算T₂＝[H₁(w′)-t]d_R，H₁(w′)-t≠0，否则重新选取t并更新已经计算好的T₁，输出T。

进一步的，所述基于所述公共参数和所述密文检索陷门对所述密文索引进行逐个对比，并将满足条件的密文数据返回给所述检索者包括：

计算和/>的值；

调用哈希函数H₂，计算

判断是否成立，若成立则匹配成功并将相应的密文数据返回给所述检索者。

本发明的有益效果为：通过基于SM9加密算法构建秘钥模型，以为用户生成公私钥对；获取公共参数、目标接收者的唯一身份标识和相应的关键字，以生成关键字对应的密文索引；获取公共参数、关键词和公私钥对中的私钥，生成密文检索陷门；基于公共参数和密文检索陷门对密文索引进行逐个对比，并将满足条件的密文数据返回给检索者。实现了基于非对称双线性对构造的可搜索加密方案可与国密SM9密码算法结合使用，大大提高了运算的效率，并且有利于推广国密算法，加强信息安全。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据一示例性实施例提供的基于SM9密码算法的可搜索加密方法的流程图；

图2是根据一示例性实施例提供的基于SM9密码算法的可搜索加密方法和索引生成算法运行时间对比图；

图3是根据一示例性实施例提供的陷门生成算法运行时间对比图；

图4是根据一示例性实施例提供的检索匹配算法运行时间对比图；

图5是根据一示例性实施例提供的整体方案运行时间对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

参照图1所示，本发明的实施例提供了一种基于SM9密码算法的可搜索加密方法，包括以下步骤：

101、基于SM9加密算法构建秘钥模型，以为用户生成公私钥对；

102、获取公共参数、目标接收者的唯一身份标识和相应的关键字，以生成所述关键字对应的密文索引；

103、获取所述公共参数、关键词和公私钥对中的私钥，生成密文检索陷门；

104、基于公共参数和密文检索陷门对密文索引进行逐个对比，并将满足条件的密文数据返回给检索者。

具体的，数据发送者使用基于身份的密码体制加密文件(所有知道接收者ID的人都可以用这个ID来计算接收者的公钥，并以公钥加密文件后发送到服务器，接收者使用自己的私钥即可解密所有的文件)。如果要应用可搜索加密，则：

1)数据发送者在发送密文的同时，可以同时发送文件的密文索引(用可搜索加密中的索引生成算法来产生密文索引)。

2)当接收者需要检索密文数据时，用自己的私钥为想要检索的关键词生成检索陷门(用可搜索加密方案中的陷门生成算法来产生搜索陷门)，并发送给服务器。

3)服务器按照预先设置的可搜索加密检索匹配算法，在密文基础上逐个对比所存储的密文索引，并返回所有符合条件的密文数据给接收者。

SM9加密算法结合使用的可搜索加密算法，以保证加密数据的可用性。现有的基于身份的可搜索加密算法大多数是通过对称双线性对构造，计算效率较低。而非对称双线性对求值运算，因相对于对称双线性对运算在计算效率上有较大的优势，适合于解决传统基于身份的可搜索加密方案运算效率不高的问题。

SM9密码算法主要包括数字签名算法、密钥交换协议、密钥封装机制和公钥加密算法几部分内容。其密钥长度为256bit，采用了运算速度快、安全性能高的R-ate双线性对,可以有效减少Miller算法循环次数，提高计算效率。

在本发明的一些具体实施例中，基于SM9加密算法构建秘钥模型，以为用户生成公私钥对包括：

基于SM9加密算法中的初始化算法获取主密钥和主公钥；

获取已经公布的两个哈希函数；

调用密钥生成算法基于两个哈希函数、主密钥和主公钥生成公私钥对。

其中，基于SM9加密算法中的初始化算法获取主密钥和主公钥包括：

调用国密SM9加密算法中的初始化算法SysSetup(λ)，生成系统公共参数

其中，λ为安全参数，为双线性对映射/>G₁×G₂→G_T，G₁和G₂是阶为大素数q的循环群，P₁是G₁的生成元，P₂是G₂的生成元；

通过随机选择整数s∈[1,q-1]作为主密钥，并计算主公钥P_pub＝sP₁。

获取已经公布的两个哈希函数包括：

获取密钥生成中心并公布的两个哈希函数：H₁:H₂:G_T→{0,1}^*。

调用密钥生成算法基于两个哈希函数、主密钥和主公钥生成公私钥对包括：

调用密钥生成算法UserKeyGen(ID,s)，为用户生成公私钥对，其中ID表示用户的唯一身份标识；

对于用户ID_A，在有限域F_N上计算t₁＝H₁(ID_A)+s，若t₁＝0则重新计算主密钥并更新已有用户的私钥，否则继续计算

用户私钥d_A＝[t₂]P₂，用户公钥Q_A＝[H₁(ID_A)]P₁+P_pub＝[t₁]P₁。

获取公共参数、目标接收者的唯一身份标识和相应的关键字，以生成所述关键字对应的密文索引包括：

输入公共参数Params、目标接收者的唯一身份标识ID_R以及关键字w，计算并生成所述关键字w对应的密文索引I＝(I₁,I₂,I₃)，包括：

随机选择整数r∈[1,q-1]；

计算I₁＝[r]Q_R，I₂＝[r]P₂；

调用哈希函数H₁和H₂，并计算输出I。

获取公共参数、关键词和公私钥对中的私钥，生成密文检索陷门包括：

在检索者ID_A对密文数据进行检索时，基于公共参数Params、关键词w′、私钥d_A生成密文检索陷门T＝(T₁,T₂)，包括：

选择随机整数t∈[1,q-1]；

计算T₁＝[t]P_pub；

调用哈希函数H₁和H₂，并计算T₂＝[H₁(w′)-t]d_R，H₁(w′)-t≠0，否则重新选取t并更新已经计算好的T₁，输出T。

基于公共参数和密文检索陷门对密文索引进行逐个对比，并将满足条件的密文数据返回给所述检索者包括：

计算和/>的值；

调用哈希函数H₂，计算

判断是否成立，若成立则匹配成功并将相应的密文数据返回给所述检索者。

在本发明的另一些具体实施例中，可在2.40GHz的4核64位Intel(R)Core(TM)i5-10200H处理器，8GB内存(RAM)，Windows10操作系统的实验环境进行运行，选用myeclipse10作为平台，Java作为编程语言，运用JPBC密码库，分别对SM9SE方案的索引生成算法、陷门生成算法和匹配检索算法进行模拟运行，使用不同数量的关键词进行对比，比较了不同方案之中相同算法间的执行时间，以达到对各个方案的计算效率进行验证的目的，如图2至图5所示，可以明显的看出其效率相对于其它算法具有明显的提升。

本发明上述实施例所提供的基于SM9密码算法的可搜索加密方法，利用非对称双线性对构造可搜索加密方案，实现密文场景下的检索功能，并且能够有效解决基于对称双线性对构造的可搜索加密方案检索效率低下的问题。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于SM9密码算法的可搜索加密方法，其特征在于，包括：

基于SM9加密算法构建秘钥模型，以为用户生成公私钥对；

获取公共参数、目标接收者的唯一身份标识和相应的关键字，以生成所述关键字对应的密文索引；

获取所述公共参数、关键词和所述公私钥对中的私钥，生成密文检索陷门；

基于所述公共参数和所述密文检索陷门对所述密文索引进行逐个对比，并将满足条件的密文数据返回给所述目标接收者；

其中，所述获取公共参数、目标接收者的唯一身份标识和相应的关键字，以生成所述关键字对应的密文索引包括：

输入公共参数Params、目标接收者的唯一身份标识ID_R以及关键字w，计算并生成所述关键字w对应的密文索引I＝(I₁,I₂,I₃)，包括：

随机选择整数r∈[1,q-1]；

计算I₁＝[r]Q_R，I₂＝[r]P₂；

调用哈希函数H₁和H₂，并计算I₃＝H₂(ê(H₁(w)I₂,P_pub))，输出I；

其中，q为素数；P₂为阶为大素数q的一个循环群的生成元；P_pub为主公钥；ê为双线性对映射；Q_R为所述目标接收者的公钥；

以及

所述获取所述公共参数、关键词和所述公私钥对中的私钥，生成密文检索陷门包括：

在所述目标接收者ID_R对密文数据进行检索时，基于公共参数Params、关键词w′、私钥d_R生成密文检索陷门T＝(T₁,T₂)，包括：

选择随机整数t∈[1,q-1]；

计算T₁＝[t]P_pub；

调用哈希函数H₁和H₂，并计算T₂＝[H₁(w′)-t]d_R，H₁(w′)-t≠0，否则重新选取t并更新已经计算好的T₁，输出T；

以及

所述基于所述公共参数和所述密文检索陷门对所述密文索引进行逐个对比，并将满足条件的密文数据返回给所述目标接收者包括：

计算ê(T₂,I₁)和ê(T₁,I₂)的值；

调用哈希函数H₂，计算H₂(ê(T₂,I₁)ê(T₁,I₂))；

判断I₃＝H₂(ê(T₂,I₁)ê(T₁,I₂))是否成立，若成立则匹配成功并将相应的密文数据返回给所述目标接收者。

2.根据权利要求1所述的基于SM9密码算法的可搜索加密方法，其特征在于，所述基于SM9加密算法构建秘钥模型，以为用户生成公私钥对包括：

基于SM9加密算法中的初始化算法获取主密钥和主公钥；

获取已经公布的两个哈希函数；

调用密钥生成算法基于所述两个哈希函数、所述主密钥和所述主公钥生成所述公私钥对。

3.根据权利要求2所述的基于SM9密码算法的可搜索加密方法，其特征在于，所述基于SM9加密算法中的初始化算法获取主密钥和主公钥包括：

调用国密SM9加密算法中的初始化算法SysSetup(λ)，生成系统公共参数Params＝{G₁,G₂,G_T,P₁,P₂,ê,P_pub,q}；

其中，λ为安全参数，ê为双线性对映射ê：G₁×G₂→G_T，G₁和G₂是阶为大素数q的循环群，P₁是G₁的生成元，P₂是G₂的生成元；

通过随机选择整数s∈[1,q-1]作为主密钥，并计算主公钥P_pub＝sP₁。

4.根据权利要求3所述的基于SM9密码算法的可搜索加密方法，其特征在于，所述获取已经公布的两个哈希函数包括：

获取密钥生成中心公布的两个哈希函数：H₁:H₂:G_T→{0,1}^*。

5.根据权利要求4所述的基于SM9密码算法的可搜索加密方法，其特征在于，所述调用密钥生成算法基于所述两个哈希函数、所述主密钥和所述主公钥生成所述公私钥对包括：

调用密钥生成算法UserKeyGen(ID,s)，为用户生成公私钥对，其中ID表示用户的唯一身份标识；

对于用户ID_A，在有限域F_N上计算t₁＝H₁(ID_A)+s，若t₁＝0则重新计算主密钥并更新已有用户的私钥，否则继续计算

用户私钥d_A＝[t₂]P₂，用户公钥Q_A＝[H₁(ID_A)]P₁+P_pub＝[t₁]P₁。