CN109923549B - 处理倒排索引的可搜索对称加密系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种处理倒排索引的可搜索对称加密（SSE）系统和方法。SSE系统包括密钥生成（genKEY）、安全索引建立（buildSecureIndex）、令牌生成（genToken）、以及搜索操作。压缩X（compress X）被集成到安全索引建立和搜索操作中的至少一个中。压缩然后X（compress then X）获取被加密的索引的每个条目，将被加密的索引的条目压缩成压缩条目，并且然后利用函数处理压缩条目。函数包括链表函数和数组函数。搜索操作解压缩经处理的条目并且输出解压缩的条目。SSE包括客户机设备和服务器。密钥生成、安全索引建立、以及令牌生成操作被集成到客户机设备中并且搜索操作被集成到服务器中。

Description

处理倒排索引的可搜索对称加密系统和方法

技术领域

本公开一般地涉及可搜索加密，并且更特别地涉及处理倒排索引的可搜索对称加密(SSE)系统和方法。

发明内容

下面阐述了在此公开的特定实施例的概述。应当理解的是，这些方面仅仅是为了对读者提供这些特定实施例的简要概述而提出的并且这些方面不意图限制本公开的范围。实际上，本公开可以涵盖可能没有在下面阐述的各种各样的方面。

本公开的实施例涉及处理倒排索引的可搜索对称加密(SSE)系统和方法。例如，SSE系统包括密钥生成(genKey)、安全索引建立(buildSecureIndex)、令牌生成(genToken)、以及搜索操作。压缩X(Compress X)被集成到安全索引建立和搜索操作中的至少一个中。压缩然后X获取被加密的索引的每个条目，把被加密的索引的条目压缩成压缩条目，并且然后利用函数处理压缩条目。函数包括链表函数和数组函数。搜索操作解压缩经处理的条目并且输出解压缩的条目。SSE包括客户机设备和服务器。密钥生成、安全索引建立、以及令牌生成操作被集成到客户机设备中并且搜索操作被集成到服务器中。

根据本公开的另一方面，客户机-服务器系统包括服务器、包括用于搜索加密文件的加密密钥的客户机设备、以及耦合到客户机设备的计算机可读介质，其中客户机设备被配置为使用加密密钥来搜索存储在计算机可读介质中的加密文件。客户机设备进一步包括第二输入密钥，其中第二输入密钥是文件标识符、关键词、以及倒排索引。客户机设备被配置为使用具有标识符、关键词、或者倒排索引中的一个的加密密钥来搜索存储在计算机可读介质中的加密文件。计算机可读介质被集成到服务器或者云网络中。

根据本公开的另一方面，搜索被远程地存储的加密文件的方法由客户机设备执行，该方法包括生成包括搜索索引和密码密钥的密钥生成，生成包括加密密钥和明文索引的安全索引建立、生成令牌、以及组装明文索引。明文索引包括至少一个不同的关键词和文档标识符列表，每个文档标识符具有条目，条目包括至少一个元素。条目的元素被分派给预分配数组的随机选择的单元。方法进一步包括使用指示符将选择单元连接到另外的选择单元，其中所述选择单元和另外的选择单元是从相同的条目生成的。

附图说明

当参照随附附图阅读随后的对特定示例性实施例的详细描述时，本公开的这些和其它特征、方面、以及优点将变得被更好地理解，在随附附图中贯穿于附图同样的符号表示同样的事物，在附图中：

图1是依照本公开的所描述的实施例的实现可搜索对称加密(SSE)的高级架构的框图；并且

图2是依照本公开的示例性实施例的SSE系统的框图。

具体实施方式

随后的描述是为了使得本领域技术人员能够制作并且使用所描述的实施例而提供的，并且是在特定的应用及其要求的上下文中提供的。对所描述的实施例的各种修改对于本领域技术人员来说是将是容易地显见的，并且在此限定的一般原则在不脱离所描述实施例的精神和范围的情况下可以应用于其它实施例和应用。因此所描述的实施例不限制于示出的实施例，而是要符合与在此公开的原则和特征一致的最宽范围。

图1描绘客户机-服务器系统100，其实现可搜索对称加密(SSE)系统以使得客户机计算设备(客户机)104能够搜索存储在服务器144的存储器中的加密文件。SSE系统允许客户机104将数据以加密的形式外包给服务器144(即，第三方服务提供商)或者网络180(即，云网络)，同时客户机104保留加密密钥。例如，加密将诸如文件标识符的明文和加密密钥作为输入。在一些实施例中，客户机104将关键词和加密密钥作为输入并且提供针对关键词的搜索令牌。在另一个实施例中，利用搜索查询将搜索令牌提供给第三方服务提供商的客户机104，并且客户机104使用搜索令牌以接收存储在第三方服务提供商上的响应于基础关键词(underlying keyword)的一组加密文档。第三方服务提供商在没有得知与关键词和文档有关的任何信息的情况下返回所有的加密文档。可搜索加密能够通过在客户机104处保留加密密钥来使数据的外包安全。在一个实施例中，加密密钥存储在客户机104的存储器112中。取决于应用，提供基于倒排索引的SSE系统以搜索加密数据。例如，利用每个搜索令牌和返回的加密数据填充索引。在一些实施例中，当再次搜索关键词时，索引能够被用于在恒定时间内进行搜索。换句话说，对应于关键词的搜索令牌能够被作为对于索引的输入使用以检索加密数据。

系统100包括客户机104、服务器144、以及网络180，诸如局域网(LAN)、广域网(WAN)蜂窝网络、互联网、电话网络、云网络、或者使得能够在客户机104与服务器144之间进行通信的其它合适的数据网络。客户机104包括客户机处理器108和存储器112。处理器108是执行存储的程序指令的微处理器或者其它数字逻辑设备并且存储器112包括诸如随机存取存储器(RAM)的易失性数据存储设备和诸如磁盘和固态驱动器的非易失性数据存储设备这两者。客户机处理器108的一些实施例包括并行执行硬件，其合并有多个处理核心或者其它并行处理组件以同时执行文件加密和解密、搜索词条加密、文件更新操作、以及被实现为DSSE方案的部分的其它操作。客户机计算设备的示例包括便携式和台式个人计算机(PC)、智能电话、平板计算设备、可穿戴计算设备、胖客户机、瘦客户机、以及任何其它合适的数字计算设备。

服务器144包括服务器处理器148和存储器152。在服务器144中的处理器148是微处理器或者其它数字逻辑设备，其执行存储的程序指令以执行用于客户机104的搜索以及文件存储和检索服务。服务器144可以可选地集成到网络180中。在一些实施例中，一个或多个服务器可以通过网络180被通信地耦合到客户机104。在一些实施例中，虽然不是要求，但是服务器处理器148具有与客户机处理器108相比更强大的计算能力。服务器处理器148的一些实施例包括并行执行硬件，其合并有多个处理核心或者其它并行的处理组件以同时执行搜索和被实现为SSE系统的部分的其它操作。服务器144中的存储器152包括诸如随机存取存储器(RAM)的易失性数据存储设备和诸如磁盘和固态驱动器的非易失性数据存储设备这两者。在一些实施例中，虽然不是要求，但是服务器存储器152具有与客户机存储器112相比更大的容量以使得服务器存储器152能够存储大量的加密文件。虽然图1出于说明性的目的描绘了单个客户机104，但是在许多实施例中，服务器144存储用于多个客户机计算设备的加密数据。每个客户机计算设备生成加密数据，通过网络180将加密数据发送到服务器144用于存储。然后加密数据被存储在服务器存储器152中。

在系统100中，客户机104通过网络180与服务器144进行通信。客户机104和服务器144这两者都包括网络通信设备，诸如有线网络设备(例如，以太网或者其它合适的有线网络接口)以及无线网络设备(例如，蓝牙或者IEEE 802.11无线LAN和3G、4G、LTE无线WAN或者任何蜂窝无线协议WAN)。在下面的讨论中，假定客户机104和服务器144使用在现有技术中已知的并且不在此进一步详细地描述的经认证的并且被加密的通信处理进行通信。因此，通过网络180监控流量的窃听计算设备不能确定在客户机104和服务器144之间的通信的内容。“攻击者”指代如下的计算设备或者实体：其具有对服务器144和/或网络180的访问并且具有以未被客户机104允许的方式读取存储在服务器存储器152和/或网络180(诸如第三方服务提供商)中的数据的至少部分的能力。攻击者具有提取与存储在服务器存储器152和/或网络180中的加密客户文件有关的信息以减少或者消除这些文件的内容的隐私的目的。攻击者还观察在服务器144中的操作期间生成的加密搜索和数据的内容以生成关于加密文件的信息。攻击者还被推测为具有监控在服务器144和/网络180处的网络通信以规避客户机104和服务器144之间的通信消息的加密的能力。虽然攻击者能够从客户机104观察通信，但是攻击者并不具有对于客户机存储器112、服务器144的内容的直接访问，也不具有对于网络180的直接访问。

图2图示依照本公开的示例性实施例的SSE系统200的框图。SSE系统200包括四个操作：密钥生成、安全索引建立、令牌生成、以及搜索。取决于应用，SSE系统中可以包括其它合适的操作。前三个操作是在客户机设备204上运行的并且后面一个是在云服务器244(即，第三方服务提供商)上运行的。生成(gen)是用以生成搜索索引和搜索密钥的操作，密钥生成是密码密钥生成操作，安全索引建立是建立安全索引生成操作，令牌生成是令牌生成操作，并且搜索是搜索操作。在安全索引建立当中，包括加密操作和组装操作。加密操作获取明文索引和加密密钥(即，密码密钥)以产生加密数据以用于保护索引隐私。组装操作组装明文索引以保护诸如关键词频率等的统计信息。取决于应用，加密操作和组装操作的顺序可以是随机的。换句话说，可以首先进行任何一种操作。

例如，对于组装操作的输入明文索引被表示为：

DB＝{DB(w₁)，...，DB(w_n)}

DB(w_i)＝{F_i1，...，F_ic}

其中w₁，...w_n是不同的关键词，DB(w)是包含关键词w的文档标识符F_ij的列表，DB(wi)是针对1≤i≤n的DB的条目并且F_ij是针对1≤j≤c的DB(w_i)的文档标识符。

为了实现组装操作，可以使用在现有技术中己知的链表函数或者数组函数。链表函数将DB中的条目的每个元素分派给预分配数组的被随机选择的单元并且如果相应的元素属于相同的条目，则通过指示符链接所选择的单元。例如，给定的DB＝{DB(w₁)，…，DB(w_n)}包括n个条目和总共个元素(即，文档标识符)，客户机设备204预分配大小为N的数组，将每个元素放入大小为N的数组的单元，并且如果有元素属于相同的条目，则利用指示符连接那些单元。换句话说，数组中的单元将存储两个值，即，第一个值是条目的元素，其是DB(w)中的文档标识符并且第二个值是指示属于相同的条目的下一个单元的值的指示符或者NULL指示符(如果不存在关联于相同条目的更多的元素的话)。数组函数将DB的每个条目映射到指定长度的数组并且然后将那些数组以任何顺序(即，随机顺序)连结在一起。出于安全原因，指定的长度通常被设置为具有最大数量的元素的条目的大小而不将结构或者统计信息泄露给云服务器244。例如，给定DB＝{DB(w₁)，…，DB(w_n)}，其中是DB中的条目的最大大小，客户机设备204通过利用“填充”字符串填补未占用的单元来将每个条目DB(w)分派给大小为L的数组，并且然后将那些数组连结在一起。

在SSE系统200的组装操作中实现示例性的压缩然后X方案。X被限定为链表函数或是数组函数。压缩然后X方案将索引DB的每个条目压缩成压缩条目并且然后利用安全索引建立中的链表函数或是数组函数来处理压缩的条目。进而，搜索操作解压缩经处理的条目。例如，令LCA＝(压缩，解压缩)是任何的无损压缩编码操作，诸如算数编码操作或者霍夫曼编码操作(Huffman coding operation)，其中压缩将二进制字符串压缩成压缩的字符串并且解压缩将压缩的字符串恢复为未被压缩的字符串。如在上面介绍的那样，安全索引建立是建立安全索引生成操作。对于DB的每个条目而言，安全索引建立将所有元素连结成字符串str_i＝F_i1║…║F_ic，作为示例假定条目具有c个元素。无损压缩编码操作LCA.压缩(LCA.compress)被应用到字符串str_i上并且生成压缩的字符串str'_i。安全索引建立然后将str'_i划分成相等长度的分段str'_i＝str'_i1║…║str'_iz以使得str'_ij(1≤j≤z)具有与文档标识符的长度相同的长度，即|str'_ij|＝|F_ij|。在处理了DB的条目之后，压缩然后X方案将链表函数或是数组函数应用于得到的压缩字符串str'_i。当查询的时候，搜索检索压缩的字符串str'_i，使用LCA.解压缩(LCA.decompress)将压缩的字符串str'_i解压缩为str_i。如能够看到的那样，压缩然后X方案不仅改善输入和输出效率，压缩然后X方案还使存储开销最小化。作为结果，已经使当检索任何数量的条目时对磁盘访问的数目的减少得到改善。

已经通过示例的方式示出了在上面描述的实施例，并且应当理解的是这些实施例可以易于接受各种修改和替换形式。应当进一步理解的是不意图将权利要求限制于所公开的特定形式，而是相反覆盖落入本公开的精神和范围内的所有修改、等同物和替换。

在本公开的范围内的实施例还可以包括用于承载计算机可执行指令或者数据结构或者使计算机可执行指令或者数据结构存储于其上的非暂态计算机可读存储介质或者机器可读介质。这样的非暂态计算机可读存储介质或者机器可读介质可以是能够由一般目的或者特殊目的计算机访问的任何可用介质。通过示例而不是限制的方式，这样的非暂态计算机可读存储介质或者机器可读介质能够包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或者其它光盘存储、磁盘存储或者其它磁性存储设备，或者能够被用于承载或者存储采用计算机可读指令或者数据结构的形式的想要的程序代码方案的任何其它介质。以上的组合也应当被包括在非暂态计算机可读存储介质或者机器可读介质的范围内。

实施例还可以被实践在分布式计算环境中，其中任务由通过通信网络链接(或是通过硬布线链接、无线链接，或是通过它们的组合)的本地和远程处理设备来执行。

计算机可执行指令包括例如引起一般目的计算机、特殊目的计算机或者特殊目的处理设备执行特定功能或者一组功能的指令和数据。计算机可执行指令还包括由在单机或者网络环境中的计算机执行的程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或者实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件和数据结构等。计算机可执行指令、相关的数据结构、以及程序模块表示用于执行在此公开的方法的步骤的程序代码方案的示例。这样的可执行指令或者相关数据结构的特定序列表示用于实现在这样的步骤中所描述的功能的对应动作的示例。

虽然已经参照各种实施例描述了本专利，但是将理解的是这些实施例是说明性的并且本公开的范围不限制于此。许多变化、修改、添加、以及改善是可能的。更一般地，已经在上下文或者特定实施例中描述依照本专利的实施例。功能可以在本公开的各种实施例中被不同地分离或者组合成块或者被利用不同的术语进行描述。这些以及其它变化、修改、添加、以及改善可以落入如在随后的权利要求中限定的本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种客户机-服务器系统，包括：

服务器，其被配置为在存储设备中存储：(i)加密文件；以及(ii)用于存储设备中的加密文件的安全索引；以及

客户机设备，其被配置为基于明文索引使用组装操作和密码密钥来生成安全索引，明文索引具有多个条目，每个条目对应于不同的关键词并且包括用于包含不同的关键词的文件的文档标识符的列表，安全索引具有多个条目，组装操作包括压缩安全索引的每个相应的条目并且然后利用链表函数或数组函数处理安全索引的每个相应的条目，

其中客户机设备被配置为搜索存储在服务器处的加密文件。

2.如权利要求1所述的客户机-服务器系统，其中客户机设备基于明文索引和密码密钥生成安全索引。

3.如权利要求1所述的客户机-服务器系统，其中

客户机设备被配置为通过如下来搜索存储在服务器处的加密文件：(i)使用密码密钥基于关键词生成令牌；以及(ii)将令牌传输到服务器；以及

服务器被配置为使用安全索引基于令牌来检索至少一个加密文件。

4.如权利要求1所述的客户机-服务器系统，其中组装操作的压缩是使用无损压缩执行的。

5.如权利要求1所述的客户机-服务器系统，其中链表函数将明文索引的条目的每个相应的元素分派给预分配数组的被随机选择的单元并且如果相应的元素属于明文索引的相同条目，则通过指示符将所选择的单元链接到数组的另一单元。

6.如权利要求1所述的客户机-服务器系统，其中数组函数将明文索引的每个条目映射到指定长度的相应数组并且将相应数组以随机顺序连结在一起。

7.一种搜索被存储在远程服务器处的加密文件的方法，所述方法包括：

利用客户机设备接收具有多个条目的明文索引，每个条目对应于不同的关键词并且包括用于包含不同的关键词的文件的文档标识符的列表；

利用客户机设备生成密码密钥；

利用客户机设备基于明文索引使用组装操作和密码密钥生成安全索引，安全索引具有多个条目，组装操作包括压缩安全索引的每个相应的条目并且然后利用链表函数或数组函数处理安全索引的每个相应的条目；

利用客户机设备接收关键词；

利用客户机设备使用密码密钥基于所接收的关键词生成令牌；以及

使用安全索引基于令牌从服务器检索至少一个加密文件。

8.如权利要求7所述的方法，其中组装操作的压缩是使用无损压缩执行的。

9.如权利要求7所述的方法，其中链表函数包括：

将明文索引的条目的每个相应的元素分派给预分配数组的被随机选择的单元；以及

如果相应的元素属于明文索引的相同条目，则通过指示符将所选择的单元链接到数组的另一单元。

10.如权利要求7所述的方法，其中数组函数包括：

将明文索引的每个条目映射到指定长度的相应数组；以及

将相应数组以随机顺序连结在一起。