CN107317675A - 一种可发送私人信息的广播加密方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于计算机网络保密通信技术领域，具体涉及一种可发送私人信息的广播加密方法，包括步骤：1、设定广播加密系统参数，建立用户集合空间、生成广播系统所需的公钥及主私钥；2、PKG为每个广播用户生成其私钥并秘密发送给用户；3、利用密钥为K的对称加密算法加密广播的信息，利用密钥为的对称加密算法加密广播者与每个用户通信的信息，而后将生成的密文广播出去；4、用户在接收到密文信息后，若用户属于授权用户集合，则可利用自身私钥与广播密文头Hdr恢复出密钥K与，最后分别解密对应的加密信息，恢复出明文信息。本发明同时满足了机密性、抗合谋攻击性和选择明文攻击安全性，具有低开销、可发送私人信息的优点。

Description

一种可发送私人信息的广播加密方法
技术领域
本发明属于计算机网络保密通信技术领域，具体涉及一种可发送私人信息的广播加密方法。
背景技术
广播加密的概念最先由Fiat与Naor提出，是一种面向多接收者的秘密通信方式。在一般的广播加密系统中，广播者首先选择一个能解密广播加密信息的授权用户集 合S，而后对广播加密的对称密钥K进行加密得到广播密文头Hdr，最后利用对称密 钥K加密所要广播的消息并利用广播信道发布出去。只有授权用户集合S中的用户 才能利用其私钥进行解密得到广播消息。若所有的非授权用户合谋也无法解密广播 信息，则该广播加密系统具有完全抗合谋特性。广播加密在数字版权管理、付费电 视、卫星通信、电视电话会议以及无线传感网络中有着广泛的应用。
广播加密有效的实现了一对多的加密通信，但是在日常应用中，为保护用户的 隐私，还需要广播者与用户间一对一的通信。
Fiat与Naor在1994年首先提出了广播加密的概念，随后一系列的广播加密方法被提出，但是这些方法的密文长度均与用户的数目成线性关系。在2005年，Boneh 等人利用双线性对构造的BGW方法，密文长度与用户私钥长度均为常数，但其公钥 长度与用户的数目成线性关系。这样，随着用户数目的增加，其公钥长度随之增加， 将会增加广播系统的存储开销。
为降低公钥存储开销，Boneh等人利用多线性映射构造了低开销的广播加密方法，在 保证其密文与用户私钥长度均为常数的前提下，公钥长度仅为O(log(N))(Boneh D,Waters B,Zhandry M.Low overhead broadcast encryption from multilinear maps[C]//International Cryptology Conference.Springer Berlin Heidelberg,2014:206-223.)；其他如基于身份的广播加密方法、可撤销的广播加密方法等也相继被提 出，但是这些方法均不能有效的实现个人秘密信息的传输。
直到2010年，Ohtake等人提出了第一个可发送私人信息的广播加密方法才实现了其灵活的广播加密方式(Ohtake G,Hanaoka G,Ogawa K.Efficient broadcastencryption with personalized messages[C]//International Conference onProvable Security. Springer Berlin Heidelberg,2010:214-228.)，该方法不仅能够发送广播加密信息以实 现一对多的安全通信，还能够向每个用户发送秘密的信息来实现用户的隐私保护。 该方法可应用于医疗系统中。对于病人的病历等敏感信息，医院则需要利用每个病 人的私人密钥进行加密传输来保护病人的隐私，对于其他如医生的出诊信息等，则 可以以广播的形式发送给所有的病人。但是该方法的公钥长度为3N+2个群元素(N 为广播用户的数目)，存储成本比较高。
因此，设计低开销的可发送私人信息的广播加密方法仍然值得进一步的研究。
发明内容
本发明的目的在于提出一个低开销的可发送私人信息的广播加密方法，该方法不仅能够向一个接收者的用户集合发送加密的消息，还能够单独的向每个用户发送 秘密的信息。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方法如下：
一种可发送私人信息的广播加密方法，包括以下步骤：
步骤一：设定广播加密系统参数，建立用户集合空间、生成广播系统所需的公 钥及主私钥；
步骤二：密钥生成中心PKG利用广播用户的身份信息ID及步骤一中生成的系统 公钥与主私钥信息，计算每个用户的私钥信息SKID并秘密发送给用户；
步骤三：广播者计算广播对称密钥K、广播者与用户私密通信的密钥以及广播密文头Hdr，利用密钥为K的对称加密算法加密广播的信息，利用密钥为的对称加密 算法加密广播者与每个用户通信的信息，而后将生成的密文信息广播出去；
步骤四：用户在接收到密文信息后，若用户属于授权用户集合，则可利用自身 私钥与广播密文头Hdr恢复出广播者与所有授权用户的通信密钥K与广播者与每个 用户通信的密钥Ki，最后分别解密对应的加密信息，恢复出明文信息。
进一步地，所述步骤一具体操作为：
输入参数生成多线性群组(G1,…,Gl,…,Gn+l-1)，群的阶为p,gi为群Gi的生成元，用户身份ID∈I且身份长度n，汉明重量为l＜n；随机选取γ∈ZP，随机 选取α∈ZP；令i＝0,…,n,随机选择令其中i∈[1,n],β∈[0,1]；可得到系统公钥 PK＝{W,Y,{Xi}i∈{0,…,n}(B1,0,B1,1),…,(Bn,0,Bn,1)}，系统主私钥 MSK＝{α，γ，(b1,0,b1,1),…,(bn,0,bn,1)}。
进一步地，所述步骤二具体操作为：
广播系统主私钥为MSK＝{α，γ，(b1,0,b1,1),…,(bn,0,bn,1)}，这里的 α，γ，(b1,0,b1,1),…,(bn,0,bn,1)均是在有限域Zp中随机选择的；
系统公钥信息为i＝0，…，n，其中 i∈[1,n],β∈[0,1]，g1是乘法循环群G1的生成元，gn+l-1是乘法循环群Gn+l-1的生成元；
用户私钥定义为SKID＝(SKID1,SKID2)；其中，ID＝(id1,id2,…,idn),idi＝{0,1}是一 个长度为n比特的{0，1}字符串；
令设中间参量 计算用户的私钥为 而后将私钥发送给用户。
进一步地，所述步骤三具体操作为：
广播者根据系统参数信息、用户的身份信息等生成对应的密文信息，其具体过 程如下：随机选取t∈ZP，根据系统的公钥信息，计算所使用的广播对称密钥 广播者与用户间通信的密钥其中ID表示用户的身份信息；广播密文头 而后分别利用K与KID对广播信 息与私人信息进行对称加密，得到对应的密文C与CID，最终广播者将(Hdr,C,CID)通 过广播信道发布。
进一步地，在步骤二中，用户的身份ID＝(id1,…,idn)，由于身份ID的汉明重量 为l，故仅有l个idi为1，其余均为0。
进一步地，所述步骤四具体操作为：
输入系统参数，用户私钥，密文Hdr，根据公式
计算出K与KID，然后用户分别利用K与KID对广播加密信息C与私人加密信息 CID进行对称解密，得到其对应的信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)提供私人信息的发送：通过利用K与KID对广播信息与私人信息进行对称 加密，得到对应的密文C与CID，本发明的方法不仅能够向一个接收者的用户集合发 送加密的消息，还能够单独的向每个用户发送秘密的信息；
(2)广播系统的存储开销低：由于本发明的方法中采用了多线性映射这一技术，使得方法中的密文长度与用户私钥长度均为常量、公钥长度也远远小于用户数量， 减少了存储开销；
(3)计算效率高:在加密及加密过程中，仅需做常数次对运算，对具体的消息 进行加密时采用的是对称加密，提高了效率；
(4)安全性高：由于本发明所基于的困难假设是NP问题(非多项式时间可解的 问题)，因此本发明的方法同时满足了机密性、抗合谋攻击性和选择明文攻击安全性。
附图说明
图1是本发明方法中加解密计算过程的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明是一个标准模型下抗选择明文攻击安全的广播加密方法，广播者利用广播信道发送密文信息，广播用户接收密文信息后，利用自身私钥，解密信息恢复出 相应的明文信息。
本发明的可发送私人信息的广播加密方法，包括以下步骤：
步骤一：设定广播加密系统参数，建立用户集合空间、生成广播系统所需的公 钥及主私钥。
步骤二：密钥生成中心PKG利用广播用户的身份信息ID及步骤一中生成的系统 公钥与主私钥信息，计算每个用户的私钥信息SKID并秘密发送给用户。
步骤三：广播者计算广播对称密钥K、广播者与用户私密通信的密钥以及广播密文头Hdr，利用密钥为K的对称加密算法加密广播的信息，利用密钥为的对称加密 算法加密广播者与每个用户通信的信息，而后将生成的密文信息广播出去；该方法 不仅能够向一个接收者的用户集合发送加密的消息，还能够单独的向每个用户发送 秘密的信息；此外，对具体的消息进行加密时采用的是对称加密，提高了加密效率。
步骤四：用户在接收到密文信息后，若用户属于授权用户集合，则可利用自身 私钥与广播密文头Hdr恢复出广播者与所有授权用户的通信密钥K与广播者与每个 用户通信的密钥Ki，最后分别解密对应的加密信息，恢复出明文信息。在步骤四计 算广播者与所有授权用户的通信密钥和广播者与每个用户通信的密钥时，重复利用 了广播密文头Hdr中的信息，减少密文量。
本发明方法中加解密计算过程的流程如图1所示。
上述步骤具体操作为：
初始化(n,l)：输入参数生成多线性群组(G1,…,Gl,…,Gn+l-1)，群的阶为p,gi为群Gi的生成元,用户身份ID∈I且身份长度n，汉明重量为l＜n。随机选取γ∈ZP,随机选取α∈ZP,令i＝0,…,n,随机选择 令其中i∈[1,n],β∈[0,1]，故系统公钥 PK＝{W,Y,{Xi}i∈{0,…,n}(B1,0,B1,1),…,(Bn,0,Bn,1)}，系统主私钥 MSK＝{α，γ，(b1,0,b1,1),…,(bn,0,bn,1)}。
私钥生成(PK,MSK,ID)：输入系统参数和身份信息ID＝(id1,…,idn),计算身份ID对应的私钥为SKID＝(SKID1,SKID2)。其中，设(对于身份ID＝(id1,…,idn)，由于身份ID的汉明重量为l，故仅有l个 idi为1，对应l个Xi，设为X1′,…,Xl′)。因此
加密(ID,PK)：输入系统参数,身份信息ID，随机选取t∈ZP计算：
而后分别利用K与KID对广播信息与私人信息进行对称加密，得到对应的密文C 与CID。
解密(PK,ID,SKu,C,CID)：输入系统参数,用户私钥,密文Hdr等.计算:
用户分别利用K与KID对广播加密信息C与私人加密信息CID进行对称解密，得 到其对应的信息。
本方法是一个标准模型下抗选择明文攻击安全的广播加密方法。当攻击者猜测密文对应的明文信息时，其猜测正确的可能性为
其猜测错误的可能性为
因此，猜测正确与错误的可能性相差Pr[Bwin]-Pr′[Bwin]＝/2。由于ò是可以忽 略的，因此猜测正确与错误的可能性相同，故无法猜测出对应的明文信息，因此本 发明的方法具有极高的安全性。
方法的执行效率具体包括计算效率和存储效率两个方面，而本发明的方法中计算效率方面，加密共用了2次对运算，解密共用了3次模指数运算，与其它同类方 法比，本发明的方法简单高效；存储效率方面，案中的密文长度与用户私钥长度均 为常量、系统公钥长度仅为3log(N)+2，系统主私钥长度仅为2log(N)+2，其中N为 广播用户的数目。因此，本发明的方法非常高效。
综上所述，本发明的方法既安全又高效。
本发明同时满足了机密性、抗合谋攻击性和选择明文攻击安全性。综合利用了 广播加密与密钥封装的方法，降低了广播加密的密文量，拓展了广播加密的应用范 围。本发明适用于需保护用户隐私的广播系统，如医疗系统、付费电视系统等。不 仅能够实现一对多的安全广播加密通信的前提下，还通过向每个用户发送秘密信息 的功能提供了用户隐私保护服务。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视 为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种可发送私人信息的广播加密方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：设定广播加密系统参数，建立用户集合空间、生成广播系统所需的公钥及主私钥；
步骤二：密钥生成中心PKG利用广播用户的身份信息ID及步骤一中生成的系统公钥与主私钥信息，计算每个用户的私钥信息SKID并秘密发送给用户；
步骤三：广播者计算广播对称密钥K、广播者与用户私密通信的密钥以及广播密文头Hdr，利用密钥为K的对称加密算法加密广播的信息，利用密钥为的对称加密算法加密广播者与每个用户通信的信息，而后将生成的密文信息广播出去；
步骤四：用户在接收到密文信息后，若用户属于授权用户集合，则可利用自身私钥与广播密文头Hdr恢复出广播者与所有授权用户的通信密钥K与广播者与每个用户通信的密钥Ki，最后分别解密对应的加密信息，恢复出明文信息。
2.根据权利要求1所述的可发送私人信息的广播加密方法，其特征在于：所述步骤一具体操作为：
输入参数生成多线性群组(G1,…,Gl,…,Gn+l-1)，群的阶为p,gi为群Gi的生成元，用户身份ID∈I且身份长度n，汉明重量为l＜n；随机选取γ∈ZP，随机选取α∈ZP；令随机选择令其中i∈[1,n],β∈[0,1]；可得到系统公钥PK＝{W,Y,{Xi}i∈{0,…,n}(B1,0,B1,1),…,(Bn,0,Bn,1)}，系统主私钥MSK＝{α，γ，(b1,0,b1,1),…,(bn,0,bn,1)}。
3.根据权利要求2所述的可发送私人信息的广播加密方法，其特征在于：所述步骤二具体操作为：
广播系统主私钥为MSK＝{α，γ，(b1,0,b1,1),…,(bn,0,bn,1)}，这里的α，γ，(b1,0,b1,1),…,(bn,0,bn,1)均是在有限域中随机选择的；
系统公钥信息为其中i∈[1,n],β∈[0,1]，g1是乘法循环群G1的生成元，gn+l-1是乘法循环群Gn+l-1的生成元；
用户私钥定义为SKID＝(SKID1,SKID2)；其中，ID＝(id1,id2,…,idn),idi＝{0,1}是一个长度为n比特的{0，1}字符串；
令设中间参量 计算用户的私钥为 而后将私钥发送给用户。
4.根据权利要求3所述的一种可发送私人信息的广播加密方法，其特征在于：所述步骤三具体操作为：
广播者根据系统参数信息、用户的身份信息等生成对应的密文信息，其具体过程如下：随机选取t∈ZP，根据系统的公钥信息，计算所使用的广播对称密钥广播者与用户间通信的密钥其中ID表示用户的身份信息；广播密文头而后分别利用K与KID对广播信息与私人信息进行对称加密，得到对应的密文C与CID，最终广播者将(Hdr,C,CID)通过广播信道发布。
5.根据权利要求4所述的可发送私人信息的广播加密方法，其特征在于：在步骤二中，用户的身份ID＝(id1,…,idn)，由于身份ID的汉明重量为l，故仅有l个idi为1，其余均为0。
6.根据权利要求5所述的可发送私人信息的广播加密方法，其特征在于：所述步骤四具体操作为：
输入系统参数，用户私钥，密文Hdr，根据公式
计算出K与KID，然后用户分别利用K与KID对广播加密信息C与私人加密信息CID进行对称解密，得到其对应的信息。
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