CN105490806B - 一种同态密钥生成、共享方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及密钥生成方法，尤其是一种同态密钥生成、共享方法及装置。本发明针对现有技术存在的问题，提供一种同态密钥生成、共享方法及装置。通过同态密钥的生成与共享，有效防止密钥管理中心人为操作或者黑客攻击导致的密钥泄露。本发明用户通过用户公钥pk对z进行加密生成Epk(z)，并将Epk(z)和相应的共享文件名发送给密钥管理中心；密钥管理中心选取随机数lk，使用用户公钥pk加密产生Epk(lk)，计算Epk(z)*Epk(lk)，并将Epk(z)*Epk(lk)发送给用户；用户通过用户私钥sk解密Epk(z)*Epk(lk)，得到文件加密密钥key=z*lk，然后用户通过加密密钥加密文件得到加密密文。

Description

一种同态密钥生成、共享方法及装置

技术领域

本发明涉及密钥生成方法，尤其是一种同态密钥生成、共享方法及装置。

背景技术

目前传统的密钥管理技术已经较为成熟，其技术状况如下所示：

(1)传统的密钥分割技术，必须密钥管理中心获得完整的密钥然后进行分割，密钥管理中心操作人员的不适当操作容易导致密钥泄露。

(2)传统的密钥共享技术通过公钥加密传送密钥，缺乏一个有效的第三方监控密钥的流转。传统的密钥共享技术，用户可以获得自己文件的加密密钥并将其任意分发，密钥管理中心无法对密钥的流转进行有效的监控。

(3)传统的密钥共享技术通过公钥加密传送密钥，共享者无法控制被共享者的阅读次数或者时间。共享者将密钥传送给被共享用户之后，被共享用户既需要将密钥存储在本地，共享者无法限制被共享用户的阅读次数和时间。

(4)传统的密钥共享技术通过公钥加密传送密钥，共享者无法取消被共享者的阅读权利。同(3)所述，被共享用户将密钥存储在本地之后，共享者无法取消被共享者的阅读权利。

公有云的密钥管理和移动互联网中的密钥管理，由于在公有云和移动互联网中，无法存在一个可信的第三方实现对用户的密钥管理，但每个用户又需要大量的加密密钥用于文件的加密，因此如何解决公有云和移动互联网中的密钥管理是十分重要的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，提供一种同态密钥生成、共享方法及装置。通过同态密钥的生成与共享，有效防止密钥管理中心人为操作或者黑客攻击导致的密钥泄露；在整个密钥合成和分配的过程中，用户主密钥以及文件的加密密钥均是以密文状态进行的，因此密钥管理中心不当的人为操作或者黑客对密钥管理中心的攻击都不会影响用户密钥使用的安全性。

本发明采用的技术方案如下：

一种同态密钥生成方法包括：

步骤1：用户使用主密钥mk和文件f的文件名相乘，继而通过杂凑函数加密得到字符串z；其中主密钥mk是由用户随机选取的随机数。

步骤2：用户通过同态合成公钥pk对z进行加密生成Epk(z)，并将Epk(z)和相应的文件名发送给密钥管理中心；

步骤3：密钥管理中心选取随机数lk，使用用户公钥pk加密产生Epk(lk)，计算Epk(z)*Epk(lk)，并将Epk(z)*Epk(lk)发送给用户，同时将所述lk与步骤1中文件f的文件名进行对应存储；

步骤4：用户通过同态合成私钥sk解密Epk(z)*Epk(lk)，得到文件加密密钥key＝z*lk，然后用户通过加密密钥key文件f，得到文件f的文件密文。

进一步的，所述文件f的文件密文通过用户直接发送给云端存储或者通过用户本地存储。

进一步的，所述用户同态合成公钥pk与用户同态合成私钥sk是通过RSA或Paillier加密算法生成的一一对应的公私钥对；同态合成公钥pk交由密钥管理中心进行管理，同态合成私钥sk由用户本地存储。

所述文件f的文件密文是通过SM4算法，使用加密密钥key对文件f进行加密得到。

一种同态密钥共享方法包括：

步骤11：假设用户U想将自己的文件p共享给其他用户U1，则用户U使用用户U的主密钥mk和共享文件p的文件名相乘，继而通过杂凑函数求的字符串为z；所述用户U主密钥mk通过密钥生成协议或者用户随机选取随机数生成主密钥mk；

步骤12：用户U使用其他用户U1的同态合成公钥pk1加密z，产生Epk1(z)，并将Epk1(z)以及对应文件p的文件名发送给密钥管理中心，并通知密钥管理中心要将该文件共享给其他用户U1；

步骤13：密钥管理中心得到用户U发送的Epk1(z)以及对应文件p的文件名，根据文件名查询对应lk，密钥管理中心使用用户U1公钥pk1加密产生Epk1(lk)，计算Epk1(z)*Epk1(lk)＝Epk1(z*lk)，密钥管理中心将Epk1(z*lk)发送给其他用户U1；

步骤14：其他用户U1使用自己的同态合成私钥sk1解密Epk1(z*lk)，获得文件加密密钥key＝z*lk；

步骤15：其他用户U1根据加密密钥key，对文件p解密，获得文件p中的明文。

进一步的，所述其他用户U1同态合成公钥pk1与其他用户U1同态合成私钥sk1是通过RSA或Paillier加密算法生成的一一对应的公私钥对；同态合成公钥pk1交由密钥管理中心进行管理，同态合成私钥sk1由其他用户U1本地存储。

一种同态密钥生成装置包括：

用户，用于使用主密钥mk和文件的文件名相乘，继而通过杂凑函数加密得到字符串z；然后使用同态合成公钥pk对z进行加密生成Epk(z)，并将Epk(z)和相应的文件名发送给密钥管理中心；当密钥管理中心接收到Epk(z)*Epk(lk)后，用户通过同态合成私钥sk解密Epk(z)*Epk(lk)，得到文件加密密钥key＝z*lk，然后用户通过加密密钥key加密文件，得到文件的文件密文；所述文件f的文件密文通过用户直接发送给云端存储或者通过用户本地存储；

密钥管理中心，用于选取随机数lk，使用用户公钥pk加密产生Epk(lk)，计算Epk(z)*Epk(lk)，并将Epk(z)*Epk(lk)发送给用户，同时将lk对应其共享文件名进行存储。

进一步的，所述同态合成公钥pk与同态合成私钥sk是通过RSA或Paillier加密算法生成的一一对应的公私钥对；同态合成公钥pk交由密钥管理中心进行管理，同态合成私钥sk由用户本地存储；所述加密密文是通过SM4算法，使用加密密钥key对文件进行加密得到

一种同态密钥共享装置包括：

用户U，当用户U将本地文件f共享给其他用户U1，则用户U使用主密钥mk和共享文件f的文件名相乘，继而通过杂凑函数求的字符串为z；然后用户U使用其他用户U1的同态合成公钥pk1加密z，产生Epk1(z)，并将Epk1(z)以及对应文件f的文件名发送给密钥管理中心，并通知密钥管理中心要将该文件共享给其他用户U1；

密钥管理中心，用于接收用户U发送的Epk1(z)以及对应文件f的文件名，根据文件名查询对应lk，密钥管理中心使用用户U1公钥pk1加密产生Epk1(lk)，计算Epk1(z)*Epk1(lk)＝Epk1(z*lk)，密钥管理中心将Epk1(z*lk)发送给其他用户U1；

其他用户U1，用于使用自己的同态合成私钥sk1解密Epk1(z*lk)，获得文件加密密钥key＝z*lk；然后其他用户U1根据加密密钥key，对文件f解密，获得文件f中的明文。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

(1)密文数据流转不可控。通过同态密钥分割实现对密钥的全生命周期的监控，从而实现对密文数据的控制。

(2)密钥管理中心操作人员失误操作导致密钥泄露。通过同态密码技术进行密钥的分割，保证了在密钥管理中心存储的均是密钥密文，防止了密钥管理中心的密文泄露。

(3)密钥的智能化管理。通过同态密码技术实现密钥的分割，使得用户一个主密钥便可以秘密的生成不同文件的加密密钥，继而通过密钥管理中心进行密钥管理，实现密钥的智能化管理。

(5)实现安全高效的密文共享；密钥与密文数据进行分开传送与管理，通过密钥实现对密文的控制和管理，使得密文的共享安全高效；

(6)通过密钥实现对用户共享出去的数据进行控制和监控；用户共享出去的密文数据如果得不到用户的授权则无法获得密钥，同时用户可以自己控制被共享者对于数据的读取权限，随时进行次数及阅读时间的设置。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1本发明同态密钥生成技术原理图。

图2是本发明同态密钥共享技术原理图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、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。

本专利相关说明：

1、密钥管理中心(KM)：同态密钥合成，监控密钥使用情况，根据共享用户需求对被共享者的密钥进行控制，拥有一对通信密钥和一对签名密钥。

2、用户(U)：密钥的使用者，拥有一个文件加密主密钥mk，可通过密钥管理中心的部分密钥合成用户的每个文件加密密钥；

3、云端(Cloud)：密文文件存储(根据需求可有可无)。

4、公钥pk用来加密，私钥sk用来解密。公钥是本用户以及其他用户都可知的，但是私钥只有本用户可知。

5、同态密钥生成过程中用户使用用户公钥pk对z进行加密的公钥加密算法，应具有半同态性，例如RSA，Paillier等，文中主要使用的是乘法单同态算法。其中Paillier算法的原理，具体包括：

初始化阶段：n＝pq，其中p，q为2个大素数，选择使得gcd(L(g^λmodn²)，n)＝1(gcd为最大公约数，)，公钥为(n，g)，私钥为(p，q)等价为λ(λ＝lcm(p-1，q-1))(lcm为最小公倍数).

加密阶段：设有明文m∈Z_n，且m<n。选择一个随机数r<n，则密文为c＝g^m·rⁿmodn².

解密阶段：密文c<n²，明文

经研究分析Paillier满足加法同态性：

本设计中都是假设用户拥有加密的通信信道，保证其与密钥管理中心通信过程是安全的。

实施方式1：同态密钥生成过程具体为：

第一步：用户U使用自己的主密钥mk和文件名相乘，继而通过杂凑函数求的字符串为z，使用自己的同态密钥合成公钥pk加密z，产生Epk(z)，并将其也对应的文件名发送给密钥管理中心KM；

第二步：密钥管理中心KM得到用户发送的Epk(z)，选取随机数lk，使用用户公钥加密产生Epk(lk)，计算Epk(z)*Epk(lk)，将其发送给用户，同时将所述lk与步骤1中所述文件名进行对应存储；

第三步：用户U通过同态合成私钥sk解密获得文件加密密钥key＝z*lk，然后用户通过加密密钥加密文件得到加密密文；

进一步的，加密密文通过用户本地存储或者用户将加密密文发送至云端存储。

其中当用户需要使用该文件时可以从云端获取密文，然后按照上述步骤向密钥管理中心请求密钥，唯一不同的是在第二步密钥管理中心不是随机选取lk，而是根据文件名查找其对应的lk，因此便可以恢复出正确的解密密钥，实现用户文件的解密。

实施方式2：密钥共享过程具体包括：

本协议主要实现不同用户之间密钥的安全共享及密钥管理中心对于密钥的控制和监控。密钥共享之前必须先通过密钥生成协议生成密钥，然后才可以共享给其他用户。假设U用户想将自己的文件f共享给用户U1。

协议描述：

第一步：用户U使用自己的主密钥mk和文件名相乘，继而通过杂凑函数求的字符串为z，用户U使用其他用户U1的同态合成公钥pk1加密z，产生Epk1(z)，并将Epk1(z)与对应的文件名发送给密钥管理中心，并通知密钥管理中心要将该文件共享给其他用户U1；

第二步：密钥管理中心KM得到用户U发送的Epk1(z)以及对应的文件名，根据文件名查询对应lk，密钥管理中心使用用户U1公钥pk1加密产生Epk1(lk)，计算Epk1(z)*Epk1(lk)＝Epk1(z*lk)，将其发送给用户U1；

第三步：用户U1使用自己的同态合成私钥sk1解密Epk1(z*lk)，获得文件加密密钥key＝z*lk；

第四步：用户U1根据文件对应的加密密文，使用加密密钥key解密获得明文。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (9)

1.一种同态密钥生成方法，其特征在于包括：

步骤1：用户使用主密钥mk和文件f的文件名相乘，继而通过杂凑函数加密得到字符串z；其中主密钥mk是由用户随机选取的随机数；

步骤2：用户通过同态合成公钥pk对z进行加密生成Epk(z)，并将Epk(z)和相应的文件名发送给密钥管理中心；

步骤3：密钥管理中心选取随机数lk，使用用户公钥pk加密产生Epk(lk)，计算Epk(z)*Epk(lk)，并将Epk(z)*Epk(lk)发送给用户，同时将所述lk与步骤1中文件f的文件名进行对应存储；

步骤4：用户通过同态合成私钥sk解密Epk(z)*Epk(lk)，得到文件加密密钥key＝z*lk，然后用户通过加密密钥key加密文件f，得到文件f的文件密文。

2.根据权利要求1所述的一种同态密钥生成方法，其特征在于所述文件f的文件密文通过用户直接发送给云端存储或者通过用户本地存储。

3.根据权利要求1所述的一种同态密钥生成方法，其特征在于所述用户同态合成公钥pk与用户同态合成私钥sk是通过RSA或Paillier加密算法生成的一一对应的公私钥对；同态合成公钥pk交由密钥管理中心进行管理，同态合成私钥sk由用户本地存储。

4.根据权利要求1所述的一种同态密钥生成方法，其特征在于所述文件f的文件密文是通过SM4算法，使用加密密钥key对文件f进行加密得到。

5.一种同态密钥共享方法，其特征在于包括：

步骤11：假设用户U想将自己的文件p共享给其他用户U1，则用户U使用用户U的主密钥mk和共享文件p的文件名相乘，继而通过杂凑函数求的字符串为z；所述用户U主密钥mk通过密钥生成协议或者用户随机选取随机数生成主密钥mk；

步骤12：用户U使用其他用户U1的同态合成公钥pk1加密z，产生Epk1(z)，并将Epk1(z)以及对应文件p的文件名发送给密钥管理中心，并通知密钥管理中心要将该文件共享给其他用户U1；

步骤13：密钥管理中心得到用户U发送的Epk1(z)以及对应文件p的文件名，

根据文件名查询对应lk，密钥管理中心使用用户U1公钥pk1加密产生Epk1(lk)，计算Epk1(z)*Epk1(lk)＝Epk1(z*lk)，密钥管理中心将Epk1(z*lk)发送给其他用户U1；

步骤14：其他用户U1使用自己的同态合成私钥sk1解密Epk1(z*lk)，获得文件加密密钥key＝z*lk；

步骤15：其他用户U1根据加密密钥key，对文件p解密，获得文件p中的明文。

6.根据权利要求5所述的同态密钥共享方法，其特征在于所述其他用户U1同态合成公钥pk1与其他用户U1同态合成私钥sk1是通过RSA或Paillier加密算法生成的一一对应的公私钥对；同态合成公钥pk1交由密钥管理中心进行管理，同态合成私钥sk1由其他用户U1本地存储。

7.一种同态密钥生成装置，其特征在于包括：

用户，用于使用主密钥mk和文件的文件名相乘，继而通过杂凑函数加密得到字符串z；然后使用同态合成公钥pk对z进行加密生成Epk(z)，并将Epk(z)和相应的文件名发送给密钥管理中心；当用户接收到Epk(z)*Epk(lk)后，用户通过同态合成私钥sk解密Epk(z)*Epk(lk)，得到文件加密密钥key＝z*lk，然后用户通过加密密钥key加密文件，得到文件的文件密文；所述文件f的文件密文通过用户直接发送给云端存储或者通过用户本地存储；

密钥管理中心，用于选取随机数lk，使用用户公钥pk加密产生Epk(lk)，计算Epk(z)*Epk(lk)，并将Epk(z)*Epk(lk)发送给用户，同时将lk对应其共享文件名进行存储。

8.根据权利要求7所述的一种同态密钥生成装置，其特征在于所述同态合成公钥pk与同态合成私钥sk是通过RSA或Paillier加密算法生成的一一对应的公私钥对；同态合成公钥pk交由密钥管理中心进行管理，同态合成私钥sk由用户本地存储；所述加密密文是通过SM4算法，使用加密密钥key对文件进行加密得到。

9.一种同态密钥共享装置，其特征在于包括：

用户U，当用户U将本地文件f共享给其他用户U1，则用户U使用主密钥mk和共享文件f的文件名相乘，继而通过杂凑函数求的字符串为z；然后用户U使用其他用户U1的同态合成公钥pk1加密z，产生Epk1(z)，并将Epk1(z)以及对应文件f的文件名发送给密钥管理中心，并通知密钥管理中心要将该文件共享给其他用户U1；

密钥管理中心，用于接收用户U发送的Epk1(z)以及对应文件f的文件名，根据文件名查询对应lk，密钥管理中心使用用户U1公钥pk1加密产生Epk1(lk)，计算Epk1(z)*Epk1(lk)＝Epk1(z*lk)，密钥管理中心将Epk1(z*lk)发送给其他用户U1；

其他用户U1，用于使用自己的同态合成私钥sk1解密Epk1(z*lk)，获得文件加密密钥key＝z*lk；然后其他用户U1根据加密密钥key，对文件f解密，获得文件f中的明文。