CN108737085A - 一种密钥可立即撤销的加密数据共享系统 - Google Patents

一种密钥可立即撤销的加密数据共享系统 Download PDF

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CN108737085A CN201710278024.7A CN201710278024A CN108737085A CN 108737085 A CN108737085 A CN 108737085A CN 201710278024 A CN201710278024 A CN 201710278024A CN 108737085 A CN108737085 A CN 108737085A
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谢东福
李卫明
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Abstract

数据电子化后，近年来时不时发生机密数据泄露事件。此类泄密问题的根源主要在于，数据以明文的形式存在于系统中，只要拥有根用户权限即可以无限制的访问数据。为了解决这一问题，需对数据进行加密，密钥由具有权限的人员持有。鉴于此，本发明提出一种加密数据共享系统，该系统用户私钥存在于用户终端，一人一密实现加密数据共享，人员离职时可立即将用户私钥废除。

Description

一种密钥可立即撤销的加密数据共享系统
技术领域
本发明涉及加密数据共享领域，更具体的说涉及一种密钥可立即撤销的加密数据共享系统。
背景技术
办公自动化基于工作流的概念，使企业内部人员方便快捷地共享信息，高效地协同工作；改变过去复杂、低效的手工办公方式，实现迅速、全方位的信息采集、信息处理，为企业的管理和决策提供科学的依据。然而随着办公自动化的实现，大量的数据电子化存储到电脑或网络中，也相应带来泄密隐患。
我们知道企事业单位、团体、机构均存在私密数据。这些数据只允许内部人员访问，有些机密数据只允许具有一定权限的人员访问，而绝密数据如谈判底线之类的更是只有领导层可以访问。然而数据电子化后，对数据拥有最高权限的往往是系统管理员，而一般情况下系统管理员并非领导层。事实上，目前大量的数据泄露事件是内部人员导致的，如京东事件即是系统运维人员利用系统权限非法访问数据。
此类泄密问题的根源主要在于，数据以明文的形式存在于系统中，从而使系统管理员利用根用户权限可以无限制的访问数据。为了解决这一问题，需对数据进行加密，密钥由具有权限的人员持有。鉴于此，本发明提出一种加密数据共享系统，该系统用户私钥存在于用户终端，一人一密实现加密数据共享，人员离职时可立即将用户私钥废除。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种密钥可立即撤销的加密数据共享系统，具体如下述：
密钥可立即撤销的加密数据共享系统包括数据存储器、用户终端、密钥存储器、密钥管理器和密钥生成器；数据存储器连接用户终端，用户终端分别连接密钥存储器和密钥管理器，密钥生成器分别连接密钥存储器和密钥生成器；密钥生成器生成密钥，初始化时生成主私钥和主公钥，而后根据主私钥和用户权限等级生成用户私钥，每个用户拥有唯一的用户私钥；用户私钥分成A和B两部分，用户可以获取的部分称为A存储在密钥存储器，用户无法获取的部分称为B存储在密钥管理器；密钥存储器存储A，在用户需要时提供给用户终端；用户终端加密数据时，根据主公钥和数据机密等级加密数据，并将加密后的数据存储到数据存储器；用户终端解密数据时，从数据存储器获取数据，将数据中与B对应的数据发送给密钥管理器；密钥管理器从用户终端接收数据，用B对接收到的数据进行转换，转换完成后发给用户用户终端；而后，用户用户终端根据密钥管理器返回的数据和A解密数据；用户撤销时，密钥管理器直接删除B；用户私钥更新时，密钥管理器接收新的B并替换原有的B。
令G1是阶为素数N的加法循环群，G2是阶为素数N的加法循环群，GT是阶为素数N的乘法循环群，P1是G1的生成元，P2是G2的生成元，双线性对e是G1×G2→GT的映射，对任意的整数i和j有，e([i]P2,[j]P1)＝e(P2,P1)ij；
密钥生成器以下述方式生成主私钥：
1)任取随机数t作为主密钥；
2)任取a+1个互不相同的随机数di，i∈Z,0≤i≤a，其中a是数据密级分级的数量，且a的值越小对应的数据密级越高；
3)在群G2上计算Di＝[di]P2,i∈Z,0≤i≤a；
4)则有主私钥KS＝{t,D0,D1,D2,L,Da}；
密钥生成器以下述方式生成主公钥：
1)计算双线性对Et＝e(P2,P1)t；
2)在群G1上计算
3)则有主公钥KP＝{e(P2,P1)t,T0,T1,T2,L,Ta}；
密钥生成器以下述方式生成用户私钥：
1)对1级权限用户，任取随机数σ0，有σ0+σ1＝t，且σ0≠σ1，则有1级权限用户私钥为KU＝{[σ0]D0,[σ1]D1}；
2)对2级权限用户，任取随机数σ0,σ1，有σ0+σ1+σ2＝t，且σ0≠σ1≠σ2，则有2级权限用户私钥为KU＝{[σ0]D0,[σ1]D1,[σ2]D2}；
……；
a)对a级权限用户，任取随机数σ0,σ1,L,σa-1，有σ0+σ1+L+σa＝t，且σ0≠σ1≠L≠σa，则有a级权限用户私钥为KU＝{[σ0]D0,[σ1]D1,L,[σa]Da}；
用户私钥分成A和B两个部分：B部分为用户私钥中的[σ0]D0，即有B＝[σ0]D0；A为用户私钥去掉B后的剩余部分；密钥存储器存储A；密钥管理器存储B。
上述密钥生成过程中，随机数σ0可以是用户ID的散列值，散列算法可以是SHA256、SM3等。
令明文为M，其特征在于终端以下述方式加密数据：任取随机数s，计算Ets和[s]Ti；将Ets、[s]Ti和数据ID转换成二进制序列合并，记为h；对h进行散列运算，生成一串二进制序列，并从中截取密钥K；进行加密运算，获取C＝enc(M,K)；加密算法可以是SM4、AES、RC4等加密算法，则有密文：
1)对1级秘密数据，密文{C,[s]T0,[s]T1}；
2)对2级秘密数据，密文{C,[s]T0,[s]T1,[s]T2}；
……
a)对a级秘密数据，密文{C,[s]T0,[s]T1,[s]T2,L,[s]Ta}。
密钥管理器存储每个用户的B；解密时，密钥管理器接收来自用户终端的[s]T0，提取出对应用户的B，并计算：E0＝e(B,[s]T0)＝e([σ0]D0,[s]T0)。计算完成后，密钥管理器将E0返回给用户终端。
用户终端从数据存储器获取加密数据，提取其中的[s]T0发送给密钥管理器；用户终端接收来自密钥管理器的E0，而后进行下述解密处理：
1)对1级秘密数据，具有1级以上权限的用户可以解密，解密步骤为：
2)对2级秘密数据，具有2级以上权限的用户可以解密，解密步骤为：
对1级权限用户，
对2级权限用户，
……
a)对a级秘密数据，具有a级以上权限的用户可以解密，解密步骤为：
对1级权限用户，
对2级权限用户，
……
对a级权限用户，
成功获取Ets后，将Ets、[s]Ti和数据ID转换成二进制序列合并，记为h；对h进行散列运算，获取二进制序列，并从中截取密钥K；根据加密算法进行对应的解密运算，获取明文M＝dec(C,K)。
附图说明
图1：密钥可立即撤销的加密数据共享系统图
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
一种密钥可立即撤销的加密数据共享系统的具体实施如图1所示，由数据存储器(1)、用户终端(2)、密钥管理器(3)、密钥存储器(4)和密钥生成器(5)构成。密钥生成器(5)初始化时生成主私钥KS＝{t,D0,D1,D2,L,Da}和主公钥KP＝{e(P2,P1)t,T0,T1,T2,L,Ta}。每个终端均有唯一的由密钥生成器(5)生成的用户私钥KU，用户私钥根据用户权限等级生成。用户私钥KU分成A和B两部分，用户可以获取的部分称为A存储在密钥存储器(4)，用户无法获取的部分称为B存储在密钥管理器(3)。加密时用户输入数据ID号(可选)和数据等级，输出数据加密密钥K，用密钥K加密数据。解密时，用户从数据存储器(1)获取密文，从密文中提取[s]T0，将[s]T0发给密钥管理器(3)；密钥管理器(3)计算E0并发送给用户终端；用户终端根据E0、密钥存储器(4)中的A和密文计算出密钥K，并用密钥K解密数据。
双线性对取自于SM9(国家密码管理局颁发的密码标准)，因此有下述参数：椭圆曲线方程为：y2＝x3+5
基域特征q为：B6400000 02A3A6F1 D603AB4F F58EC745 21F2934B 1A7AEEDBE56F9B27 E351457D；
群G1、G2的阶为：B6400000 02A3A6F1 D603AB4F F58EC744 49F2934B 18EA8BEEE56EE19C D69ECF25；
群G1的生成元为
93DE051D 62BF718F F5ED0704 487D01D6 E1E40869 09DC3280 E8C4E4817C66DDDD；
21FE8DDA 4F21E607 63106512 5C395BBC 1C1C00CB FA602435 0C464CD70A3EA616；
群G2的生成元为
(85AEF3D0 78640C98 597B6027B441A01F F1DD2C19 0F5E93C4 54806C11D8806141,37227552 92130B08 D2AAB97F D34EC120 EE265948 D19C17AB F9B7213BAF82D65B)
(17509B09 2E845C12 66BA0D26 2CBEE6ED 0736A96F A347C8BD 856DC76B84EBEB96,A7CF28D5 19BE3DA6 5F317015 3D278FF2 47EFBA98A71A0811 6215BBA5C999A7C7)
双线性对的识别符eid：0x04；
根据发明内容和前述SM9参数，令数据系统的分级数量为3级，用户等级为1级，加密数据等级为二级，可得下述实施例：
t：
a8e1bcf39c3cc59d2a09baf6c0ac6e938d41a5900d17bb7e8d11d919515eb10f；
D0：
1E74E872 39793132 1709C35C 39786C61 F610B570 D54DD0E6 2386BFBC 2145D6F4；
04A1F1EF B6F5957E 177DBA86 3FDB650B 93D76E61 0311244F 5EAC90C1 A0CCA5C5；
23FD23DD 4DDCA5FC F68975EA 397CB34A 162B53F6 BCDDEC21 63B8FB0F D838CEE2；
7CDAB49C B5D2D7F0 7F9403A7 C558BCA6 FA15DAD7 BAA5A30E 925B911E AC024AFF；
D1：
6B0D1E0F 133B9D92 1FF7A875 5DEB5E70 E39F46EF AE118E6F 898ECA12 00AA1D4C；
99C17AE7 7505485C 901D6FA6 400CE0DC 6D320743 57A7D46D EBA344D8 AA27BD79；
828B80BE 944E7562 3EDBDDFC 8B5D2E01 59DC8F95 F260EEBC C60C78F3 CD35D4D8；
37E3E672 26B827E3 64B20FE6 6D9160CB 8C165908 247768DD 9E2886B2 055F3DA8；
D2：
23F9BCE3 85CB0B28 14274376 DF70D50C 9D866AEC 52742FCC 007F6371 54F1B2D9；
242F0F86 9ABD807D 66F7CE54 205E95FE E15C9AF0 D0F74BAD 9FF7B4DC 5BFA8351；
4207E043 5DA25F60 3E3C707F 47667905 C3E0B6D6 73F1B787 B8C4E10F 2FF8BAC1；
566F4104 A10D491C CDF6AB4E 2897BFFB 63F69195 81C61AAD 7E559EF1 8E0D6981；
D3：
28EFC4BE B61B0AB1 184B8E2D D5024808 D450BA7D 02BA20CF 7737CC9E 8FB2B804；
956F6467 623AAABE ACAF061C 8BD507E9 1CC1C318 2E250C91 9EF0DB95 B38C94E7；
A0A34F11 A8DCF00D 166A7F28 A1C48E69 B209072C BD5EE399 6F43D07D 7C16C6CA；
5EAE6B70 E3B9FB9D 679E621D 7DD9E18D 83A2D3B5 B41BCEB5 89E09564 59DEB627；
Et：
A1454A10 F6B65ECA E51B5DED C9452129 67A6AB14 2DE1345D 436F6454 150F95F3；
42FB4A99 182B2632 C1F43643 A54E8449 FC5BAB7E 40D64F99 A96D7E77 0CB04812；
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6EF1D170 18B9CB07 7C5034A5 EE37EF64 FABFB1C1 7D382CC2 A5583FD9 DBF4F347；
9B95E53E 38894608 0BEBB148 0063FA4E 78391044 A529B553 C3B26272 A4E9EBD2；
24271265 D92A0CF2 FEB11871 CF6C6463 4594014B E6C8DE4C EE4ADE3A 140BFC06；
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T0：
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58414E2F 530058AD A2AB04C6 053E85B1 874EC9E3 07A9CC91 038365B8 2C98FFAB；
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014EF522 E3C5F640 D9CDA807 04311D38 D2B5F294 B965B5D8 76C14727 31F08EEE；
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6D429923 71A470CE 21E84DA6 8F33E47A 04F3C836 069423F6 8CB08D32 88420C67；
0ECE1D5F 59A380C3 4D1409BC 98AE3658 5BC18ABA 0CA5FC64 B387DFB2 9CAD94F4；
5BD5439F 6E0352E3 A919E5A5 3ECC772F B4FB440F 64BB6A61 23A9BAA7 5DCA3174；
令密钥的长度为32字节，根据用户终端根据E0、[σ1]D1、[s]T1，则有密钥K：
148240456f1c56bd3d7f8e5d9907036e42809522a9b4cbd08480bea747864dd4
具有权限的解密端算出和加密端相同的密钥K，从而实现基于密文的数据访问控制。
由上述实施例可以发现，本发明所提供的一种密钥可立即撤销的加密数据共享系统，解决了云环境下机密数据的非法访问问题，可以对机密数据进行高效的访问控制，一旦有人员离职，可以通过删除密钥管理器中的[σ0]D0来作废改人员手中的私钥。
本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以在存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种密钥可立即撤销的加密数据共享系统，其特征在于：密钥可立即撤销的加密数据共享系统包括数据存储器、用户终端、密钥存储器、密钥管理器和密钥生成器；数据存储器连接用户终端，用户终端分别连接密钥存储器和密钥管理器，密钥生成器分别连接密钥存储器和密钥生成器；密钥生成器生成密钥，初始化时生成主私钥和主公钥，而后根据主私钥和用户权限等级生成用户私钥，每个用户拥有唯一的用户私钥；用户私钥分成A和B两部分，用户可以获取的部分称为A存储在密钥存储器，用户无法获取的部分称为B存储在密钥管理器；密钥存储器存储A，在用户需要时提供给用户终端；用户终端加密数据时，根据主公钥和数据机密等级加密数据，并将加密后的数据存储到数据存储器；用户终端解密数据时，从数据存储器获取数据，将数据中与B对应的数据发送给密钥管理器；密钥管理器从用户终端接收数据，用B对接收到的数据进行转换，转换完成后发给用户用户终端；而后，用户用户终端根据密钥管理器返回的数据和A解密数据；用户撤销时，密钥管理器直接删除B；用户私钥更新时，密钥管理器接收新的B并替换原有的B。
2.根据权利要求1所述的一种密钥可立即撤销的加密数据共享系统，其特征在于密钥生成器、密钥存储器可以是蓝牙盾、USB盾、音频盾、智能用户终端、电脑和手机等。
3.根据权利要求1所述的一种密钥可立即撤销的加密数据共享系统，其特征在于用户终端、数据存储器、密钥管理器可以是智能用户终端、电脑、手机和服务器等。
4.根据权利要求1所述的一种密钥可立即撤销的加密数据共享系统，令G1是阶为素数N的加法循环群，G2是阶为素数N的加法循环群，GT是阶为素数N的乘法循环群，P1是G1的生成元，P2是G2的生成元，双线性对e是G1×G2→GT的映射，对任意的整数i和j有，e([i]P2,[j]P1)＝e(P2,P1)ij；其特征在于密钥生成器以下述方式生成主私钥：
1)任取随机数t作为主密钥；
2)任取a+1个互不相同的随机数di，i∈Z,0≤i≤a，其中a是数据密级分级的数量，且a的值越小对应的数据密级越高；
3)在群G2上计算Di＝[di]P2,i∈Z,0≤i≤a
4)则有主私钥KS＝{t,D0,D1,D2,L,Da}；
密钥生成器以下述方式生成主公钥：
1)计算双线性对Et＝e(P2,P1)t；
2)在群G1上计算i∈Z,0≤i≤a；
3)则有主公钥KP＝{e(P2,P1)t,T0,T1,T2,L,Ta}；
密钥生成器以下述方式生成用户私钥：
1)对1级权限用户，任取随机数σ0，有σ0+σ1＝t，且σ0≠σ1，则有1级权限用户私钥为KU＝{[σ0]D0,[σ1]D1}；
2)对2级权限用户，任取随机数σ0,σ1，有σ0+σ1+σ2＝t，且σ0≠σ1≠σ2，则有2级权限用户私钥为KU＝{[σ0]D0,[σ1]D1,[σ2]D2}；
……；
a)对a级权限用户，任取随机数σ0,σ1,L,σa-1，有σ0+σ1+L+σa＝t，且σ0≠σ1≠L≠σa，则有a级权限用户私钥为KU＝{[σ0]D0,[σ1]D1,L,[σa]Da}；
用户私钥分成A和B两个部分：B部分为用户私钥中的[σ0]D0，即有B＝[σ0]D0；A为用户私钥去掉B后的剩余部分；密钥存储器存储A；密钥管理器存储B。
5.根据权利要求1所述的一种密钥可立即撤销的加密数据共享系统，令明文为M，其特征在于用户终端以下述方式加密数据：
任取随机数s，计算Ets和[s]Ti；将Ets和[s]Ti转换成二进制序列合并，记为h；对h进行散列运算，生成一串二进制序列，并从中截取密钥K；进行加密运算，获取C＝enc(M,K)；加密算法可以是SM4、AES、RC4等加密算法；
1)对1级秘密数据，密文{C,[s]T0,[s]T1}；
2)对2级秘密数据，密文{C,[s]T0,[s]T1,[s]T2}；
……
a)对a级秘密数据，密文{C,[s]T0,[s]T1,[s]T2,L,[s]Ta}。
6.根据权利要求1所述的一种密钥可立即撤销的加密数据共享系统，其特征在于密钥管理器存储每个用户的B；解密时，密钥管理器接收来自用户终端的[s]T0，提取出对应用户的B，并计算：
E0＝e(B,[s]T0)＝e([σ0]D0,[s]T0)
计算完成后，密钥管理器将E0返回给用户终端。
7.根据权利要求1所述的一种密钥可立即撤销的加密数据共享系统，其特征在于用户终端以下述方式解密数据：用户终端从数据存储器获取加密数据，提取其中的[s]T0发送给密钥管理器；用户终端接收来自密钥管理器的E0，而后进行下述解密处理，
1)对1级秘密数据，具有1级以上权限的用户可以解密，解密步骤为：
2)对2级秘密数据，具有2级以上权限的用户可以解密，解密步骤为：
对1级权限用户，
对2级权限用户，
……
a)对a级秘密数据，具有a级以上权限的用户可以解密，解密步骤为：
对1级权限用户，
对2级权限用户，
……
对a级权限用户，
成功获取Ets后，将Ets、[s]Ti转换成二进制序列合并，记为h；对h进行散列运算，获取二进制序列，并从中截取密钥K；根据加密算法进行对应的解密运算，获取明文M＝dec(C,K)。
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