CN103281377A - 一种面向云的密文数据存储与查询方法 - Google Patents

一种面向云的密文数据存储与查询方法 Download PDF

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CN103281377A
CN103281377A CN2013102123247A CN201310212324A CN103281377A CN 103281377 A CN103281377 A CN 103281377A CN 2013102123247 A CN2013102123247 A CN 2013102123247A CN 201310212324 A CN201310212324 A CN 201310212324A CN 103281377 A CN103281377 A CN 103281377A
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Abstract

本发明公开了一种面向云的密文数据存储与查询方法，该方法用于由数据所有者、数据使用者和云服务器提供商组成的系统中，该方法包括：数据所有者存储密文和密文查询关键字至云服务器端中、数据使用者向数据所有者申请访问权限、数据所有者授权给数据使用者访问权限、数据使用者获取密钥、数据使用者向云服务器发送查询请求、数据使用者解密从云服务器端返回的数据及二次查询。本发明通过对数据进行加密，将密文信息存储在云服务端可有效保护用户的数据安全。对于密文数据而言，即使云服务器存在漏洞，数据被黑客窃取或由云服务商内部人员非法查阅，也无法获得有用信息，有效保护了用户的数据隐私。

Description

一种面向云的密文数据存储与查询方法
技术领域
 本发明涉及一种密文数据存储与查询方法，特别是指一种实现密文数据在云服务器中安全存储及对用户存储的密文数据准确有效查询的面向云的密文数据存储与查询方法。
背景技术
随着互联网的高速发展，云计算及其相关技术得到人们越来越多的关注。云计算为用户提供了强大的计算资源和充足的存储空间。尽管云计算为用户带来了极大的方便，但仍引起用户对云计算存储保密性和安全性的担忧。云计算中的数据安全问题一直是用户关心的主要问题，云计算中对数据安全的威胁包括来自云计算内部的威胁和云计算外部的威胁。外部的威胁指由网络犯罪分子和黑客造成的威胁，这一威胁可通过防火墙、入侵检测与安全通信协议等信息安全技术进行防范。内部威胁主要是指云计算服务商内部人员的意外删除和越权操作等导致的威胁，这一威胁对云计算的危害更大，且更难于控制。因此有必要对用户的数据进行加密得到安全保护。对用户数据的隐私可采用混合云的数据安全存储方式进行保护，把秘密数据存储在企业内部的私有云上，其他数据存储在公有云上。
而随着云计算中移动终端的加入，对数据交换速度和数据大小提出了新的要求，在进行数据交换时需采用更小的数据交换文件。JSON(JAVAScript Object Notation)是一种轻量级的数据交换格式，可以在多种语言之间进行数据交换，JSON易于阅读和编码，且它是JavaScript规范的子集，能被支持JavaScript的浏览器所解析，易于机器解析和生成。相比XML，减少了解析时带来的性能和兼容性问题，以JSON格式传输数据所消耗的时间短于以XML格式传输数据所消耗的时间。这些特性使JSON成为理想的数据交换语言。尤其在移动终端之间传输数据时，采用JSON数据进行传输时会显得更加轻便。虽然JSON和XML都是结构化的数据，但就数据的查询而言JSON数据格式无法采用传统的对XML查询的方式来获取数据，因此对用户秘密数据进行安全存储保护了用户数据隐私的同时，也给数据查询带来了困难，用户无法采用传统的对明文查询的方法对密文数据进行查询。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种既能保护用户数据隐私又可方便查询的面向云的密文数据存储与查询方法。
为达到上述目的，本发明提供一种面向云的密文数据存储与查询方法，该方法用于由数据所有者、数据使用者和云服务器提供商组成的系统中，该方法包括：
步骤一、数据所有者存储密文和密文查询关键字至云服务器端中；
步骤二、数据使用者向数据所有者申请访问权限；
步骤三、数据所有者授权给数据使用者访问权限；
步骤四、数据使用者获取密钥；
步骤五、数据使用者向云服务器发送查询请求；
步骤六、数据使用者解密从云服务器端返回的数据；
步骤七、二次查询，完成查询任务。
所述步骤一具体包括：
在客户端，数据所有者首先对原始明文文件进行处理，提取关键字                                               
Figure 2013102123247100002DEST_PATH_IMAGE002
；再使用具有同态加法特性的公钥密码算法生成的公钥对明文关键字加密，得到密文关键字集
Figure 2013102123247100002DEST_PATH_IMAGE004
；
在客户端，数据所有者采用对称加密算法对原始明文文件进行加密得到密文文件
Figure 2013102123247100002DEST_PATH_IMAGE006
；再使用签名密钥对密文进行签名得到
Figure 2013102123247100002DEST_PATH_IMAGE008
；
数据所有者对密文文件和密文关键字进行关联；
数据所有者将密文文件、签名信息和密文关键字发送至云服务器端进行存储。
所述步骤二具体包括：
若数据使用者已获得对数据的访问权限和访问密钥，可直接向云服务器端发送数据查询请求得到查询结果，否则首先要向数据所有者发起请求获得相关权限；
数据使用者用数据所有者的公开密钥将自己的唯一标识信息和签名信息进行加密，并将其发送给数据所有者。
所述步骤三具体包括：
数据所有者首先用验证密钥验证信息的完整性，若信息完整，用自己的私钥对数据使用者发来的信息进行解密得到数据使用者的唯一标识信息和签名信息；
数据所有者用基于属性的加密方法生成主密钥和公开参数，制定数据使用者的属性集
Figure DEST_PATH_IMAGE010
和数据访问结构树
Figure DEST_PATH_IMAGE012
；
基于使用者的属性集和主密钥生成用户的私钥；
使用公开参数加密秘密文件解密密钥、信息验证密钥和数据使用者的访问结构树，得到访问属性密文；
用数据使用者的公钥加密用户私钥和访问属性密文后发送至数据使用者。
所述步骤四具体包括：
数据使用者用自己的私钥解密数据所有者发来的密文信息得到用户私钥
Figure DEST_PATH_IMAGE018
和访问属性密文
Figure 11200DEST_PATH_IMAGE016
；
用密钥
Figure 644176DEST_PATH_IMAGE014
解密数据项，得到秘密文件解密密钥和验证密钥。
所述步骤五具体包括：
数据使用者录入原始查询语句；
对原始查询语句进行处理，提取查询关键字，生成查询关键字；
用数据所有者相同的具有同态加法特性的公钥加密算法对查询关键字加密，得到密文查询关键字集；
生成基于密文查询关键字的查询语句，向云服务器端发送查询请求。
所述步骤六具体包括：
云服务器端使用与数据所有者和使用者相同的具有同态特性的公钥加密算法，对数据所有者发来的密文关键字和数据使用者发来的密文查询关键字进行计算，返回相关的密文数据；
数据使用者首先用从数据所有者获取的验证密钥验证签名信息；然后用秘密文件解密密钥解密云服务器端返回来的密文数据得到明文数据，并将明文数据存储在客户端。
所述二次查询具体为：在客户端，使用原始查询语句对解密后的明文数据进行二次查询，查找数据使用者需要的数据，将明文查询结果返回并显示给数据使用者，完成查询任务。
所述步骤六中，密文数据查询原理是基于公钥密码算法Paillier的加法同态特性的；
Figure DEST_PATH_IMAGE020
是一个加法函数，满足Paillier密码算法的加法同态特性；云存储服务器端使用函数
Figure 38434DEST_PATH_IMAGE020
和Paillier密码算法生成的公钥
Figure DEST_PATH_IMAGE022
，对密文查询关键字
Figure DEST_PATH_IMAGE024
和用户所有者发来的密文关键字
Figure DEST_PATH_IMAGE026
进行运算得密文，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE030
，满足等式
Figure DEST_PATH_IMAGE032
；其中
Figure DEST_PATH_IMAGE034
是数据所有者生成的明文关键字，
Figure DEST_PATH_IMAGE036
是数据使用者生成的明文查询关键字；再对密文运算结果
Figure 75658DEST_PATH_IMAGE028
进行模二运算；由Paillier密码算法的加法同态特性可知，若密文查询关键字与密文关键词相同，模二运算结果为0，云服务器返回相关的密文数据给数据使用者；否则模二运算结果为1，云服务器不返回密文数据。
本发明通过对数据进行加密，将密文信息存储在云服务端可有效保护用户的数据安全。对于密文数据而言，即使云服务器存在漏洞，数据被黑客窃取或由云服务商内部人员非法查阅，也无法获得有用信息，有效保护了用户的数据隐私。
附图说明
图1 为本发明面向云的密文数据存储与查询方法模型图；
图2为本发明用户的数据加密存储流程图；
图3 为本发明用户的数据解密流程图。
具体实施方式
为便于对本发明的方法及达到的效果有进一步的了解，现结合附图并举较佳实施例详细说明如下。
本发明提出了一种面向云的密文数据存储与查询方法，本方法围绕数据隐私的保护问题提出秘密数据全部由数据所有者加密后以密文的形式存储于云存储服务器上，同时又可实现对存储在云存储服务器上的密文数据的查询，保证了数据所有者对数据隐私的有效掌控。本发明主要由以下两个方法组成，即（1）基于属性的加密方法和（2）数据查询方法，本发明的实现环节由加密环节、解密环节、数据存储环节和数据查询环节组成。
本发明中的密文数据存储与查询方法的整体模型如图1所示，该模型由数据所有者Owner、数据使用者User和云服务器提供商Cloud Service Provider三个实体组成。
数据所有者Owner是数据的创建者，对数据具有一切权限，包括对数据的加密方式、数据的存储方式以及其他用户对数据的访问权限；数据使用者User，是使用数据的用户，其对数据的访问权限由数据所有者决定；云服务器提供商Cloud Service Provider是可信第三方，提供存储服务，包括数据存储、查询处理、数据库日常维护与备份恢复等操作。
为充分说明本发明的技术方案，对本发明中涉及的算法及变量做如下符号表征约定：
Figure DEST_PATH_IMAGE038
：表示签名密钥；
Figure DEST_PATH_IMAGE040
：表示验证密钥；
Figure DEST_PATH_IMAGE042
：表示用户的公钥；
Figure DEST_PATH_IMAGE044
：表示用户的私钥；
Figure DEST_PATH_IMAGE046
：表示用于加密和解密文件的对称密钥；
Figure DEST_PATH_IMAGE050
：表示用于加密关键词keyword的具有加法同态特性的Paillier密码算法生成的公钥；
Figure DEST_PATH_IMAGE052
：表示访问结构树；
Figure DEST_PATH_IMAGE054
：表示有读写权限的用户访问结构树；
Figure DEST_PATH_IMAGE056
：表示有只读权限的用户访问结构树；
Figure DEST_PATH_IMAGE058
：表示加密过程；
Figure DEST_PATH_IMAGE060
：表示解密过程；
Figure 141353DEST_PATH_IMAGE006
：表示对文件加密；
：表示数据所有者对文件的签名；
Figure DEST_PATH_IMAGE062
：生成主密钥和公开参数的函数；
Figure DEST_PATH_IMAGE064
：密钥生成函数；
Figure DEST_PATH_IMAGE066
：表示主密钥；
Figure DEST_PATH_IMAGE068
：表示公开参数；
Figure DEST_PATH_IMAGE070
：表示用户私钥；
Figure 747970DEST_PATH_IMAGE016
：表示对读权限的密钥加密后的密文数据项，ro表示只读；
：表示对写权限的密钥加密后的密文数据项，rw表示读写；
Figure DEST_PATH_IMAGE074
：表示数据所有者Owner发送给云服务提供商的信息；
Figure DEST_PATH_IMAGE076
：表示数据所有者Owner发送给数据使用者User的信息；
Figure DEST_PATH_IMAGE078
：表示云服务提供商发送给数据所有者Owner的信息。
Figure DEST_PATH_IMAGE080
：表示云服务提供商发送给数据使用者User的信息；
：表示数据使用者User发送给云服务提供商的信息；
：表示数据使用者User发送给数据所有者Owner的信息。
（一）基于属性的加密方法
本发明中对数据的存储与查询过程采用基于属性的加密（ABE）机制。基于属性的加密（ABE）是一种公钥加密机制，将群体（数据使用者）的属性集合作为群体的公钥。根据属性和策略、密文和用户解密密钥结合方式的不同，ABE机制被划分为密钥策略的基于属性加密（KP-ABE）和密文策略的基于属性的加密（CP-ABE）。由于CP-ABE中加密者可以自由的选择对属性的控制，而解密者只经过一次属性密钥分发的过程，即可解密授权信息，适于解决云计算中对数据操作问题。另外，由于用户的解密密钥是与属性集相关的，CP-ABE在概念上更接近于传统的基于角色的访问控制模型。因此，CP-ABE更多地应用于云计算中密文数据的存储与查询过程。因此本发明中的模型中将采用CP-ABE的加密方法。
设
Figure DEST_PATH_IMAGE086
为数据使用者集合，
Figure DEST_PATH_IMAGE088
表示第
Figure DEST_PATH_IMAGE090
个数据使用者；
Figure DEST_PATH_IMAGE092
为系统资源集合，表示第
Figure 560637DEST_PATH_IMAGE090
个资源；根据
Figure DEST_PATH_IMAGE096
及
Figure 738678DEST_PATH_IMAGE094
的属性判断其是否能访问
Figure 578458DEST_PATH_IMAGE094
，以实现不同属性的人员具有不同的资源访问权限。
数据所有者对用户的读写权限授予过程可简要地描述为如下5个步骤：
（1）加密密钥：为了保证密钥的安全性，数据所有者Owner采用CP-ABE算法对访问属性相同的密钥进行加密：
Figure DEST_PATH_IMAGE098
。若对文件
Figure 183751DEST_PATH_IMAGE048
具有读写权限的用户访问结构树为
Figure 476193DEST_PATH_IMAGE054
，相应的密文为
Figure DEST_PATH_IMAGE100
；若对文件
Figure 644875DEST_PATH_IMAGE048
具有只读权限的用户访问结构树为，相应的密文为
Figure DEST_PATH_IMAGE102
；
（2）数据所有者Owner执行
Figure 115356DEST_PATH_IMAGE062
算法，生成主密钥
Figure 98356DEST_PATH_IMAGE066
和公开参数
Figure 493565DEST_PATH_IMAGE068
；
（3）定义数据使用者User的属性全集
Figure DEST_PATH_IMAGE104
，数据使用者
Figure 166992DEST_PATH_IMAGE088
的属性集记为
Figure 255033DEST_PATH_IMAGE010
；
（4）生成用户
Figure 714877DEST_PATH_IMAGE088
的私钥：，其中
Figure 585881DEST_PATH_IMAGE010
为用户
Figure 441710DEST_PATH_IMAGE088
的属性集；
（5）密钥的安全发放：利用用户的公钥
Figure 638336DEST_PATH_IMAGE042
将
Figure DEST_PATH_IMAGE108
安全地发送给用户。
对数据的加解密主要是指对密文文件F的加密和解密操作。用户首先通过自己的私钥解密密文信息，获得私钥；再用
Figure 441262DEST_PATH_IMAGE014
解密数据项
Figure 902330DEST_PATH_IMAGE072
或
Figure 253546DEST_PATH_IMAGE016
得到文件加密密钥和签名/验证密钥，实现对数据的加密即对数据的写操作和对数据的解密即对数据的读操作。
用户的数据加密存储流程（即对数据的写操作）如图2所示，可简要地描述为以下5步：
（1）用户在文件体中查询相应的数据项获取 
Figure DEST_PATH_IMAGE112
；
（2）用户使用
Figure DEST_PATH_IMAGE114
得到
Figure DEST_PATH_IMAGE116
和
Figure DEST_PATH_IMAGE118
；
（3）用户使用
Figure DEST_PATH_IMAGE120
加密文件 F 得到
Figure 744439DEST_PATH_IMAGE006
；
（4）使用
Figure 222825DEST_PATH_IMAGE118
对
Figure 600717DEST_PATH_IMAGE006
进行签名得到
Figure 388413DEST_PATH_IMAGE008
；
（5）用户将
Figure 789439DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 338361DEST_PATH_IMAGE008
发送到云存储服务器中进行存储。
用户的数据解密流程（即对数据的读操作）如图3所示，可简要地描述为以下5步：
（1）用户通过认证后从服务器读取文件体，在文件体中查询相应的数据项获取信息；
（2）用户使用
Figure DEST_PATH_IMAGE124
得到
Figure 898655DEST_PATH_IMAGE120
和
Figure 404723DEST_PATH_IMAGE040
；
（3）用户从云存储系统中获取加密文件
Figure 807891DEST_PATH_IMAGE006
和签名
Figure 628080DEST_PATH_IMAGE008
；
（4）用户使用
Figure 167515DEST_PATH_IMAGE040
验证签名
Figure 782167DEST_PATH_IMAGE008
的正确性；
（5）用户使用
Figure 220101DEST_PATH_IMAGE120
解密
Figure 93248DEST_PATH_IMAGE006
得到数据明文。
（二）数据查询方法
数据查询方法主要包含对录入的原始查询语句的关键字提取，对查询关键字加密，基于同态加密的查询方法查找密文数据，对云服务器端返回的密文数据进行解密，对解密后明文的储存，对解密后的明文数据的二次查询以及最终查询结果的返回和显示。
本发明的模型中对云存储系统中的密文数据的查询采用一种基于全同态加密的查询检索方法。对密文查询后得到的明文数据结果不是直接返回并显示给用户，而是用原始明文查询语句对查询得到的明文数据进行二次查询，从而得到更加精确有效的查询结果。
本发明中的同态加密体系包含四个部分：生成公私钥对，加密过程，解密过程及对密文的计算过程，该计算过程得到的结果是一个密文，而这个密文解密后的明文等于对原始明文进行相应计算的结果，同态加密步骤可简要地描述为以下4个步骤：
（1）生成公私钥对：
Figure DEST_PATH_IMAGE126
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE128
为私钥，
Figure DEST_PATH_IMAGE130
为公钥，是安全参数；
（2）加密过程：
Figure DEST_PATH_IMAGE134
，其中M为明文，C为经过加密后的密文；
（3）解密过程：
Figure DEST_PATH_IMAGE136
；
（4）密文计算过程：
Figure DEST_PATH_IMAGE138
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE140
分别是明文经过加密得到的密文，为需要进行计算的函数，
Figure DEST_PATH_IMAGE142
为经过计算返回的新密文，并且满足
Figure DEST_PATH_IMAGE144
。
密文的计算
Figure 42716DEST_PATH_IMAGE138
过程必须是对
Figure DEST_PATH_IMAGE146
函数可行并且高效的算法，其中是所有可满足同态性质的函数集合。
本发明中利用Paillier密码体质的加法同态特性，用Paillier算法对明文关键字进行同态加密。基于同态加密的查询过程可简要地描述为如下几步：
（1）基于Paillier密码算法生成公私钥对和
Figure DEST_PATH_IMAGE152
，其中为私钥，为公钥；
（2）对原始明文文件file进行处理，提取明文关键字
Figure 706282DEST_PATH_IMAGE002
；
（3）用Paillier密码算法生成的公钥
Figure 115266DEST_PATH_IMAGE150
对明文关键字加密，得到密文关键字
Figure DEST_PATH_IMAGE154
；
（4）
Figure 449165DEST_PATH_IMAGE020
是一个加法函数，满足Paillier密码算法的加法同态特性；
（5）设
Figure 414847DEST_PATH_IMAGE036
是查询关键字，
Figure DEST_PATH_IMAGE156
是用公钥对加密得到的密文；
（6）
Figure DEST_PATH_IMAGE158
，满足等式
Figure DEST_PATH_IMAGE160
；
（7）对密文运算结果进行模二运算得flag，
Figure DEST_PATH_IMAGE164
；由Paillier密码算法的加法同态特性可知，若密文查询关键词与密文关键词相同，flag=0，否则flag=1；
（8）当flag=0时，返回对应的密文数据；当flag=1时，不返回密文数据。
对上述返回的密文数据进行解密存储后即可对其进行二次查询，从而得到更加准确有效的查询结果。
本发明中的二次查询是指对解密后的明文数据的查询。通过密文查询返回的数据中会存在部分与用户查询不相关的数据，将解密后的明文数据全部作为最终的查询结果显示给用户是不合理的；故需对解密后的明文数据进行再次查询，从而筛选掉不相关数据，筛选出相关数据将其显示给用户。
本发明提出的面向云的密文数据存储与查询方法其概括为：数据所有者在客户端对秘密数据进行加密和关键字提取处理后将密文信息存储至云服务器端；同时制定用户使用者集即用户群，控制用户对数据的访问权限；云服务器端接到密文信息后对密文信息进行存储和管理；数据使用者若已有对数据的访问权限可直接查询得到查询结果，若没有对数据的查询权限则要向用户所有者申请权限后才可访问存在云服务器端的数据；云服务器端接到用户的查询请求后返回对应的密文数据；用户使用者解密密文数据后，对得到的明文数据进行二次查询得到查询结果。本发明的面向云的密文数据存储与查询方法具体实施步骤为：
步骤一、数据所有者Owner存储密文和密文查询关键字至云系统服务器中：
（1）生成密文关键字：
对原始文件file进行处理，提取明文关键字
Figure 319546DEST_PATH_IMAGE002
；
Paillier密码算法生成公钥对明文关键字加密，得到密文关键字集
Figure 10291DEST_PATH_IMAGE004
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE168
。
（2）数据加密：Owner使用和
Figure 797167DEST_PATH_IMAGE118
对原始文件file进行加密和签名；
Owner使用
Figure 105657DEST_PATH_IMAGE120
加密文件 F 得到
Figure 413142DEST_PATH_IMAGE006
；
使用
Figure 569317DEST_PATH_IMAGE118
对
Figure 553322DEST_PATH_IMAGE006
进行签名得到。
（3）关联密文查询关键字和密文：建立密文与密文关键字之间的关系，以便于数据查找；
（4）数据存储：用O表示数据所有者Owner，S表示云服务器提供商Cloud Service Provider，则数据所有者发送给云服务器的信息可表示成如下形式：
Figure DEST_PATH_IMAGE170
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE172
，
Figure DEST_PATH_IMAGE174
，云服务器获取
Figure DEST_PATH_IMAGE176
信息后，将密文数据和密文查询关键字存储到云服务器中。
从以上的描述中可以看到，加密密钥
Figure 443973DEST_PATH_IMAGE120
和签名密钥
Figure 454654DEST_PATH_IMAGE118
都保存在用户客户端，且对原始文件file的加密操作是在用户客户端完成的，发送到云服务器上的数据都是密文形式的，实现敏感数据存储过程中的机密性保护，使其不被云服务器提供商或其他非法用户查阅。
步骤二、数据使用者User向数据所有者Owner申请访问权限：
数据使用者User将自己的唯一ID和对ID的签名信息
Figure DEST_PATH_IMAGE178
用Owner的公开密钥
Figure DEST_PATH_IMAGE180
进行加密，并将其发送至数据所有者Owner，可表示成如下形式：
Figure DEST_PATH_IMAGE182
其中，，
Figure DEST_PATH_IMAGE186
是User的私有密钥。
步骤三、数据所有者Owner授权给数据使用者User：
（1）Owner用自己的私钥
Figure DEST_PATH_IMAGE188
解密User发来的信息得到User的唯一ID和签名信息；
（2）Owner验证签名信息的
Figure 23136DEST_PATH_IMAGE178
的正确性，若正确通过User的ID生成User的属性集
Figure DEST_PATH_IMAGE192
，否则丢到该数据；
（3）Owner执行CP-ABE算法的第一步
Figure 672424DEST_PATH_IMAGE062
算法，生成主密钥
Figure 990141DEST_PATH_IMAGE066
和公开参数
Figure 66682DEST_PATH_IMAGE068
；定义数据使用的属性全集，记数据使用者User的属性集记为
Figure 571481DEST_PATH_IMAGE192
，则通过私钥生成算法
Figure DEST_PATH_IMAGE194
生成用户私钥
Figure 24459DEST_PATH_IMAGE018
；
（4）设User对文件F具有读权限，则User的访问结构树记为
Figure DEST_PATH_IMAGE196
。
（5）对只读权限的访问属性密文进行加密，得到密文
Figure 134367DEST_PATH_IMAGE102
；
（6）将用户私钥
Figure 444125DEST_PATH_IMAGE018
，密文
Figure 436221DEST_PATH_IMAGE122
和同态公钥
Figure 427311DEST_PATH_IMAGE022
（即查询关键字加密密钥）用User的公开密钥
Figure DEST_PATH_IMAGE198
进行加密，发送给User，发送的相关信息可表示成如下形式：
Figure DEST_PATH_IMAGE200
。
步骤四、数据使用者获取密钥：
（1）User用自己的私有密钥
Figure 409303DEST_PATH_IMAGE186
解密Owner发送回来的信息，得到用户私钥
Figure 572617DEST_PATH_IMAGE018
，密文
Figure 351086DEST_PATH_IMAGE122
和同态公钥
Figure 248635DEST_PATH_IMAGE022
；
（2）User使用私钥
Figure 87146DEST_PATH_IMAGE018
解密密文
Figure 866884DEST_PATH_IMAGE122
，通过得到文件解密密钥和验证密钥
Figure 23561DEST_PATH_IMAGE040
。
步骤五、数据使用者User向云服务器发送查询请求：
（1）录入查询语句：用户录入原始查询语句；
（2）生成查询关键字：对原始查询语句进行处理，提取查询关键字，生成查询关键字
Figure DEST_PATH_IMAGE202
；
（3）生成密文查询关键字集，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE206
，是Paillier密码算法生成的公钥；
（4）生成基于密文查询关键字的查询语句，向云服务器端发送查询请求。U表示数据使用者User，则相关信息可表示成如下形式：
Figure DEST_PATH_IMAGE208
。
步骤六、数据使用者User解密从云服务器端返回的数据：
（1）选取一个满足Paillier加法同态特性的加法函数
Figure 676445DEST_PATH_IMAGE020
；
（2）云存储服务器端使用函数
Figure 532275DEST_PATH_IMAGE020
和公钥
Figure 463322DEST_PATH_IMAGE022
，对密文查询关键字和用户所有者之前发来的密文关键字
Figure 350735DEST_PATH_IMAGE026
进行运算得密文
Figure 874121DEST_PATH_IMAGE028
，其中
Figure 225336DEST_PATH_IMAGE030
，且满足等式
Figure 404645DEST_PATH_IMAGE032
；
（3）对密文运算结果
Figure 132298DEST_PATH_IMAGE028
进行模二运算得flag，
Figure DEST_PATH_IMAGE210
；由Paillier密码算法的加法同态特性可知，若密文查询关键词与密文关键词相同flag=0，否则flag=1；
（4）云服务器端基于上述运算结果，flag=0时，返回对应的密文数据
Figure 447873DEST_PATH_IMAGE006
及其签名信息
Figure 235570DEST_PATH_IMAGE008
；当flag=1时，不返回密文数据信息；返回的信息可表示成如下形式：
Figure DEST_PATH_IMAGE212
；
（5）User用从数据所有者Owner获得的验证密钥
Figure DEST_PATH_IMAGE214
验证签名
Figure 823546DEST_PATH_IMAGE008
的正确性，若正确则解密密文，否则丢到该数据；
（6）User使用从数据所有者Owner获得的文件密钥
Figure 167939DEST_PATH_IMAGE120
解密密文
Figure 338021DEST_PATH_IMAGE006
得到数据明文
Figure DEST_PATH_IMAGE216
。
（7）User存储解密后的明文数据M到用户客户端。
以上所使用的验证密钥
Figure 234301DEST_PATH_IMAGE214
和文件密钥
Figure 371891DEST_PATH_IMAGE120
都是用户User从数据所有者Owner处获得的，若没有和
Figure 544563DEST_PATH_IMAGE120
将无法解密从云服务器端返回的密文数据。由于非法用户的属性集不在数据所有者Owner定义的数据使用者User属性全集内，故无法获取验证密钥
Figure 674062DEST_PATH_IMAGE214
和文件密钥
Figure 111996DEST_PATH_IMAGE120
，也就无法解密从云服务器端返回的密文数据，进而无法得到数据明文，导致数据查询失败。
步骤七、二次查询：
在客户端，使用原始查询语句对解密后的明文数据进行二次查询，查找User需要的数据；将明文查询结果返回并显示给数据使用者User，完成查询任务。   
本发明有效结合了基于属性的加密方法和基于同态加密的数据查询方法，在实现了对数据隐私保护的同时也实现了数据的有效共享；对数据的存储与查询过程使用基于属性的加密方法，在实现对同类用户群的管理的同时又可实现对用户群内用户对数据的共享问题；对密文数据的查询方法采用基于同态加密的数据查询方法，可以实现对密文的加法或乘法运算等计算和查询操作，无需对密文解密即可返回唯密文查询结果；而用户群内的用户就可以对密文数据进行解密得到明文信息。
本发明面向云的密文数据存储与查询方法，其特点在于：（1）本发明围绕数据隐私的保护问题采用秘密数据全部由数据所有者加密后，以密文的形式存储于云存储服务器的方法，保证了数据所有者对数据隐私的有效掌控；（2）本发明中对数据的存储与查询过程基于属性的加密策略，实现了特定用户对特定数据的查询权限；（3）本发明采用一种基于同态加密的查询方法，保证了用户在云存储服务器上直接对密文进行计算和查询操作，无需对密文解密即可返回唯密文查询结果；（4）本方法对秘密数据的加解密过程全部在用户客户端完成，云存储服务器上只有密文数据，从而保证了数据的安全性。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种面向云的密文数据存储与查询方法，其特征在于，该方法用于由数据所有者、数据使用者和云服务器提供商组成的系统中，该方法包括：
步骤一、数据所有者存储密文和密文查询关键字至云服务器端中；
步骤二、数据使用者向数据所有者申请访问权限；
步骤三、数据所有者授权给数据使用者访问权限；
步骤四、数据使用者获取密钥；
步骤五、数据使用者向云服务器发送查询请求；
步骤六、数据使用者解密从云服务器端返回的数据；
步骤七、二次查询，完成查询任务。
2.如权利要求1所述的面向云的密文数据存储与查询方法，其特征在于，所述步骤一具体包括：
在客户端，数据所有者首先对原始明文文件进行处理，提取关键字                                                
Figure 2013102123247100001DEST_PATH_IMAGE001
；再使用具有同态加法特性的公钥密码算法生成的公钥对明文关键字加密，得到密文关键字集
Figure 258402DEST_PATH_IMAGE002
；
在客户端，数据所有者采用对称加密算法对原始明文文件进行加密得到密文文件
Figure 2013102123247100001DEST_PATH_IMAGE003
；再使用签名密钥对密文进行签名得到
Figure 673246DEST_PATH_IMAGE004
；
数据所有者对密文文件和密文关键字进行关联；
数据所有者将密文文件、签名信息和密文关键字发送至云服务器端进行存储。
3.如权利要求1所述的面向云的密文数据存储与查询方法，其特征在于，所述步骤二具体包括：
若数据使用者已获得对数据的访问权限和访问密钥，可直接向云服务器端发送数据查询请求得到查询结果，否则首先要向数据所有者发起请求获得相关权限；
数据使用者用数据所有者的公开密钥将自己的唯一标识信息和签名信息进行加密，并将其发送给数据所有者。
4.如权利要求1所述的面向云的密文数据存储与查询方法，其特征在于，所述步骤三具体包括：
数据所有者首先用验证密钥验证信息的完整性，若信息完整，用自己的私钥对数据使用者发来的信息进行解密得到数据使用者的唯一标识信息和签名信息；
数据所有者用基于属性的加密方法生成主密钥和公开参数，制定数据使用者的属性集
Figure 2013102123247100001DEST_PATH_IMAGE005
和数据访问结构树
Figure 148090DEST_PATH_IMAGE006
；
基于使用者的属性集和主密钥生成用户的私钥
Figure 2013102123247100001DEST_PATH_IMAGE007
；
使用公开参数加密秘密文件解密密钥、信息验证密钥和数据使用者的访问结构树，得到访问属性密文
Figure 97460DEST_PATH_IMAGE008
；
用数据使用者的公钥加密用户私钥
Figure 216726DEST_PATH_IMAGE007
和访问属性密文
Figure 671978DEST_PATH_IMAGE008
后发送至数据使用者。
5.如权利要求1所述的面向云的密文数据存储与查询方法，其特征在于，所述步骤四具体包括：
数据使用者用自己的私钥解密数据所有者发来的密文信息得到用户私钥
Figure 2013102123247100001DEST_PATH_IMAGE009
和访问属性密文
Figure 696435DEST_PATH_IMAGE008
；
用密钥解密数据项
Figure 485585DEST_PATH_IMAGE008
，得到秘密文件解密密钥和验证密钥。
6.如权利要求1所述的面向云的密文数据存储与查询方法，其特征在于，所述步骤五具体包括：
数据使用者录入原始查询语句；
对原始查询语句进行处理，提取查询关键字，生成查询关键字；
用数据所有者相同的具有同态加法特性的公钥加密算法对查询关键字加密，得到密文查询关键字集；
生成基于密文查询关键字的查询语句，向云服务器端发送查询请求。
7.如权利要求1所述的面向云的密文数据存储与查询方法，其特征在于，所述步骤六具体包括：
云服务器端使用与数据所有者和使用者相同的具有同态特性的公钥加密算法，对数据所有者发来的密文关键字和数据使用者发来的密文查询关键字进行计算，返回相关的密文数据；
数据使用者首先用从数据所有者获取的验证密钥验证签名信息；然后用秘密文件解密密钥解密云服务器端返回来的密文数据得到明文数据，并将明文数据存储在客户端。
8.如权利要求1所述的面向云的密文数据存储与查询方法，其特征在于，所述二次查询具体为：在客户端，使用原始查询语句对解密后的明文数据进行二次查询，查找数据使用者需要的数据，将明文查询结果返回并显示给数据使用者，完成查询任务。
9.如权利要求1所述的面向云的密文数据存储与查询方法，其特征在于，所述步骤六中，密文数据查询原理是基于公钥密码算法Paillier的加法同态特性的；
Figure 49421DEST_PATH_IMAGE010
是一个加法函数，满足Paillier密码算法的加法同态特性；云存储服务器端使用函数
Figure 623491DEST_PATH_IMAGE010
和Paillier密码算法生成的公钥
Figure 2013102123247100001DEST_PATH_IMAGE011
，对密文查询关键字
Figure 665396DEST_PATH_IMAGE012
和用户所有者发来的密文关键字进行运算得密文
Figure 946205DEST_PATH_IMAGE014
，其中
Figure 2013102123247100001DEST_PATH_IMAGE015
，满足等式；其中
Figure 2013102123247100001DEST_PATH_IMAGE017
是数据所有者生成的明文关键字，
Figure 618941DEST_PATH_IMAGE018
是数据使用者生成的明文查询关键字；再对密文运算结果进行模二运算；由Paillier密码算法的加法同态特性可知，若密文查询关键字与密文关键词相同，模二运算结果为0，云服务器返回相关的密文数据给数据使用者；否则模二运算结果为1，云服务器不返回密文数据。
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