CN113904768A - 基于sm9密钥封装机制的在线离线解密方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高效的基于SM9密钥封装机制的在线离线解密方法，通过外包计算，将解密阶段的中间值计算安全外包给有强大算力的云平台。在外包计算过程中，云服务中心将无法获取除计算结果以外的其他信息，在充分利用外部算力的同时，极大地减轻终端用户的解密运算压力。终端用户在已知云服务中心对原始密文部分解密后的离线密文后，通过运行在线解密算法，对离线密文数据快速解密。以上机制保证终端用户只需进行轻量级运算就能对离线密文完全解密，非常适用于计算资源有限的应用场景，本申请有效提高系统的整体解密效率。

Description

基于SM9密钥封装机制的在线离线解密方法

技术领域

本发明涉及信息安全技术领域，特别是涉及一种基于SM9密钥封装机制的在线离线解密方法。

背景技术

长期以来，大量的双线性对运算是影响IBE方案加解密效率的重要因素，关于对双线性对运算的优化已经做了很多工作，但是对于终端用户依然没有体验到解密运算负担的大幅降低，外包计算是解决此问题的一种方式，通过将SM9解密运算外包给算力强大的云服务中心，在充分利用外部设备强大算力的同时，缓解了终端用户的计算压力，从而提高解密效率。

外包计算本质上可以看作是一种在线离线技术，由于IBE方案加解密过程中经常涉及到耗时比较大的双线性对、点乘等重量级运算，需要耗费大量计算资源，成为制约终端用户解密效率的瓶颈。外包计算是通过将密文解密中大开销的运算依托给云服务中心，由服务器生成部分解密密文，终端用户只需要进行少量轻量级运算即可解密密文，以而提升总体效率。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于SM9密钥封装机制的在线离线解密方法，有效提高系统的加密效率。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于SM9密钥封装机制的在线离线解密方法，提供一解密系统，包括密钥分发中心、云服务中心、终端用户和数据拥有者，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1：密钥分发中心运行系统初始化函数，生成系统公开参数和主私钥，系统公开参数发送给云服务中心和终端用户，并秘密保存主私钥；

S2：云服务中心利用系统公开参数生成云服务中心主公私钥对，将云服务中心的主公钥公开，并秘密保存云服务中心的主私钥；

S3：终端用户利用系统公开参数生成终端用户主公私钥对，将终端用户的主公钥发送给云服务中心，并秘密保存终端用户的主私钥；

S4：终端用户向密钥分发中心提交密钥申请，密钥分发中心调用用户密钥生成算法为终端用户生成用户解密密钥；

S5:数据拥有者调用外包密钥生成函数生成外包计算密钥并在外包请求时发送给云服务中心；

S6:数据拥有者调用SM9加密函数生成密文并发送给云服务中心；

S7:云服务中心基于外包计算密钥，将密文数据部分解密生成离线密文并保存；

S8:终端用户基于外包解密生成的离线密文和用户解密私钥，利用SM9快速解密离线密文获取明文。

进一步的，所述步骤S1具体为：选取双线性群

群

和群

的生成元分别为P₁和P₂，选取一个随机数α∈[1,N-1]作为主私钥，计算

中的元素P_pub＝α·P₁作为主公钥，则主公私钥对为(α,P_pub)，密钥分发中心秘密保存α，公开(D,P₁,P₂,P_pub)，密钥分发中心选择并公开用一个字节表示的接收者解密密钥生成函数识别符hid。

进一步的，所述云服务中心利用系统公开参数生成云服务中心主公私钥对，具体为：产生随机数y_c∈[1,N-1]，令sk_c＝y_c作为云服务中心私钥，计算pp_c＝Y_c＝y_c·P₂作为云服务中心公钥并公开。

进一步的，所述终端用户生成终端用户主公私钥对，具体为：产生随机数y_u∈[1,N-1]，令sk_u＝y_u作为终端用户私钥，计算pp_u＝Z_u＝y_u·P₂作为用户公钥并公开。

进一步的，所述步骤S4具体为：设封装密钥的比特长度为klen，终端用户的身份标识为ID，计算h＝H₁(ID||hid,N)，密钥分发中心首先在有限域F_N上计算s₁＝h+α，若s₁＝0则需重新产生加密主私钥，计算和公开加密主公钥，并更新已有用户的加密私钥；否则计算

选取随机数β∈[1,N-1]，计算K₀＝β·Y_c+s₂·Z_u，K₁＝β·P₂，并输出用户解密密钥sk_s＝(K₀,K₁)。

进一步的，所述外包计算密钥为tk_s＝sk_s＝(K₀,K₁)。

进一步的，所述SM9密文生成的计算过程，具体包括：设封装密钥的比特长度为klen，终端用户的身份标识为ID，计算h＝H₁(ID||hid,N)，Q_R＝hP₁+P_pub，产生随机数r∈[1,N-1]，计算C＝rQ_R，

K＝KDF(C||w||ID,klen)，并输出(K,C)，其中K是被封装的密钥，C是封装密文。

进一步的，所述云服务中心基于外包计算密钥，将密文数据部分解密生成离线密文并保存，具体为：

进一步的，所述步骤S8具体为:计算

K'＝KDF(C||w'||ID,klen)并输出密钥K'；终端用户在恢复出封装密钥K'后，根据SM9中的解密算法部分利用K'获得对应的明文。

进一步的，所述SM9离线密文的解密计算,具体如下：

计算密钥派生函数K'＝KDF(C||w'||ID,klen)＝KDF(C||w||ID,klen)，对密文进行解封装获取明文。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明对于计算资源较少的数据拥有者来说，仅需花销少量的计算资源就可以快速完成密文数据解密操作。

附图说明

图1是本发明方法流程图；

图2是本发明一实施例中的基于SM9密钥封装机制算法的解密流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

在本实施例中，符号及定义具体如下：

阶为素数N的加法循环群。

阶为素数N的加法循环群。

阶为素数N的乘法循环群。

P₁：群

的生成元。

P₂：群

的生成元。

从

到

的双线性映射。

r:一个随机数。

α：系统加密主私钥。

[1,N-1]：不小于1且不大于N-1的整数的集合。

P_pub：系统加密主公钥。

hid：用一个字节表示的加密私钥生成函数识别符，由密钥分发中心选择并公开。

klen：封装密钥的比特长度。

y_c：云服务中心主私钥。

Y_c：云服务中心主公钥。

y_u：终端用户主私钥。

Z_u：终端用户主公钥。

sk_s：被封装的用户解密密钥。

tk_s：云服务中心生成的外包计算密钥。

sk_u：用户解密私钥。

C：封装密文，属于乘法群

中的元素。

C'：离线解密密文，属于乘法群

中的元素。

K：被封装的密钥。

K'：解密得到的密钥。

h：密码杂凑函数派生的密码函数。

w：临时变量，属于乘法群

中的元素。

w'：临时变量，属于乘法群

中的元素。

KDF(C||w||ID,klen)：密钥派生函数。

参考图1，本实施例提供一种基于SM9密钥封装机制算法的在线离线解密方法，其特征在于，包括步骤：

S101、密钥分发中心运行系统初始化函数生成系统公开参数和主私钥，系统公开参数发送给云服务中心和终端用户，并秘密保存主私钥；

S102、云服务中心利用系统公开参数生成云服务中心主公私钥对，将云服务中心的主公钥公开，秘密保存云服务中心的主私钥；

S103、终端用户利用系统公开参数生成终端用户主公私钥对，将终端用户的主公钥发送给云服务中心，秘密保存终端用户的主私钥；

S104、终端用户向密钥分发中心提交密钥申请，密钥分发中心调用用户密钥生成算法为终端用户生成用户解密密钥；

S105、数据拥有者调用外包密钥生成函数生成外包计算密钥并在外包请求时发送给云服务中心；

S106、数据拥有者调用SM9加密函数生成密文并发送给云服务中心；

S107、云服务中心基于外包计算密钥，将密文数据部分解密生成离线密文并保存；

S108、终端用户基于外包解密生成的离线密文和用户解密私钥，利用SM9快速解密离线密文获取明文。

优选的，在本实施例中，步骤S1具体为：选取双线性群

群

和群

的生成元分别为P₁和P₂，选取一个随机数α∈[1,N-1]作为主私钥，计算

中的元素P_pub＝α·P₁作为主公钥，则主公私钥对为(α,P_pub)，密钥分发中心秘密保存α，公开(D,P₁,P₂,P_pub)，密钥分发中心选择并公开用一个字节表示的接收者解密密钥生成函数识别符hid。

优选的，在本实施例中，云服务中心利用系统公开参数生成云服务中心主公私钥对，具体为：产生随机数y_c∈[1,N-1]，令sk_c＝y_c作为云服务中心私钥，计算pp_c＝Y_c＝y_c·P₂作为云服务中心公钥并公开。

优选的，在本实施例中，所述终端用户生成终端用户主公私钥对，具体为：产生随机数y_u∈[1,N-1]，令sk_u＝y_u作为终端用户私钥，计算pp_u＝Z_u＝y_u·P₂作为终端用户公钥并公开。

优选的，在本实施例中，步骤S4具体为：设封装密钥的比特长度为klen，终端用户的身份标识为ID，计算h＝H₁(ID||hid,N)，密钥分发中心首先在有限域F_N上计算s₁＝h+α，若s₁＝0则需重新产生加密主私钥，计算和公开加密主公钥，并更新已有用户的加密私钥；否则计算

选取随机数β∈[1,N-1]，计算K₀＝β·Y_c+s₂·Z_u，K₁＝β·P₂，并输出用户解密密钥sk_s＝(K₀,K₁)。

优选的，在本实施例中，外包计算密钥为tk_s＝sk_s＝(K₀,K₁)。优选的，在本实施例中，所述SM9密文生成的计算过程，具体包括：设封装密钥的比特长度为klen，终端用户的身份标识为ID，计算h＝H₁(ID||hid,N)，Q_R＝hP₁+P_pub，产生随机数r∈[1,N-1]，计算C＝rQ_R，

K＝KDF(C||w||ID,klen)，并输出(K,C)，其中K是被封装的密钥，C是封装密文。

优选的，在本实施例中，云服务中心基于外包计算密钥，对密文数据部分解密生成离线密文，具体为：

优选的，在本实施例中，步骤S8具体为:计算

K'＝KDF(C||w'||ID,klen)并输出密钥K'；终端用户在恢复出封装密钥K'后，根据SM9中的解密算法利用K'获得对应的明文。

优选的，在本实施例中，所述SM9离线密文的解密计算,具体如下：

计算密钥派生函数K'＝KDF(C||w'||ID,klen)＝KDF(C||w||ID,klen)，对密文进行解封装获取明文。

在本实施例中，参考图2，基于SM9密钥封装机制方法的解密流程示意图，由图2可以看出，解密过程一共分为9个步骤，具体为：首先需要获取系统参数、主公钥P_pub和终端用户身份标识ID，开始执行第1步，产生随机数y_c,y_u∈[1,N-1]；执行第2步，计算Y_c＝y_c·P₂，Z_u＝y_u·P₂；执行第3步，计算h＝H₁(ID||hid,N)；执行第4步，计算

K₁＝β·P₂，前4步执行完成后执行第5步，输出sk_s＝(K₀,K₁)；接下来，SM9密文C、外包计算密钥tk_s作为后续步骤的输入，开始执行第6步，计算

执行第7步，计算

执行第8步，计算K'＝KDF(C||w'||ID,klen)，第6步、第7步和第8步执行完成后，执行第9步，输出封装密钥K'。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于SM9密钥封装机制的在线离线解密方法，提供一解密系统，包括密钥分发中心、云服务中心、终端用户和数据拥有者，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1：密钥分发中心运行系统初始化函数，生成系统公开参数和主私钥，系统公开参数发送给云服务中心和终端用户，并秘密保存主私钥；

S2：云服务中心利用系统公开参数生成云服务中心主公私钥对，将云服务中心的主公钥公开，并秘密保存云服务中心的主私钥；

S3：终端用户利用系统公开参数生成终端用户主公私钥对，将终端用户的主公钥发送给云服务中心，并秘密保存终端用户的主私钥；

S4：终端用户向密钥分发中心提交密钥申请，密钥分发中心调用用户密钥生成算法为终端用户生成用户解密密钥；

S5:数据拥有者调用外包密钥生成函数生成外包计算密钥并在外包请求时发送给云服务中心；

S6:数据拥有者调用SM9加密函数生成密文并发送给云服务中心；

S7:云服务中心基于外包计算密钥，将密文数据部分解密生成离线密文并保存；

S8:终端用户基于外包解密生成的离线密文和用户解密私钥，利用SM9快速解密离线密文获取明文。

2.根据权利要求1所述的基于SM9密钥封装机制的在线离线解密方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：选取双线性群

群

和群

的生成元分别为P₁和P₂，选取一个随机数α∈[1,N-1]作为主私钥，计算

中的元素P_pub＝α·P₁作为主公钥，则主公私钥对为(α,P_pub)，密钥分发中心秘密保存α，公开(D,P₁,P₂,P_pub)，密钥分发中心选择并公开用一个字节表示的接收者解密密钥生成函数识别符hid。

3.根据权利要求1所述的基于SM9密钥封装机制的在线离线解密方法，其特征在于，所述云服务中心利用系统公开参数生成云服务中心主公私钥对，具体为：产生随机数y_c∈[1,N-1]，令sk_c＝y_c作为云服务中心私钥，计算pp_c＝Y_c＝y_c·P₂作为云服务中心公钥并公开。

4.根据权利要求1所述的基于SM9密钥封装机制的在线离线解密方法，其特征在于，所述终端用户生成终端用户主公私钥对，具体为：产生随机数y_u∈[1,N-1]，令sk_u＝y_u作为终端用户私钥，计算pp_u＝Z_u＝y_u·P₂作为终端用户公钥并公开。

5.根据权利要求1所述的基于SM9密钥封装机制的在线离线解密方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：设封装密钥的比特长度为klen，终端用户的身份标识为ID，计算h＝H₁(ID||hid,N)，密钥分发中心首先在有限域F_N上计算s₁＝h+α，若s₁＝0则需重新产生加密主私钥，计算和公开加密主公钥，并更新已有用户的加密私钥；否则计算

选取随机数β∈[1,N-1]，计算K₀＝β·Y_c+s₂·Z_u，K₁＝β·P₂，并输出用户解密密钥sk_s＝(K₀,K₁)。

6.根据权利要求1所述的基于SM9密钥封装机制的在线离线解密方法，其特征在于，所述外包计算密钥为tk_s＝sk_s＝(K₀,K₁)。

7.根据权利要求1所述的基于SM9密钥封装机制的在线离线解密方法，其特征在于，所述SM9密文生成的计算过程，具体包括：设封装密钥的比特长度为klen，终端用户的身份标识为ID，计算h＝H₁(ID||hid,N)，Q_R＝hP₁+P_pub，产生随机数r∈[1,N-1]，计算C＝rQ_R，

K＝KDF(C||w||ID,klen)，并输出(K,C)，其中K是被封装的密钥，C是封装密文。

8.根据权利要求1所述的基于SM9密钥封装机制的在线离线解密方法，其特征在于，所述云服务中心基于外包计算密钥，将密文数据部分解密生成离线密文并保存，具体为：

9.根据权利要求1所述的基于SM9密钥封装机制的在线离线解密方法，其特征在于，所述步骤S8具体为:计算

K'＝KDF(C||w'||ID,klen)并输出密钥K'，终端用户在恢复出封装密钥K'后，根据SM9中的解密算法部分利用K'获得对应的明文，

其中对SM9离线密文的解密计算,具体如下：

计算密钥派生函数K'＝KDF(C||w'||ID,klen)＝KDF(C||w||ID,klen)，对密文进行解封装获取明文。

Images