CN114912127A - 一种基于区块链的多客户端可搜索加密方法 - Google Patents

一种基于区块链的多客户端可搜索加密方法 Download PDF

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CN114912127A
CN114912127A CN202210236982.9A CN202210236982A CN114912127A CN 114912127 A CN114912127 A CN 114912127A CN 202210236982 A CN202210236982 A CN 202210236982A CN 114912127 A CN114912127 A CN 114912127A
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万震宇
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Abstract

本发明公开了一种基于区块链的多客户端可搜索加密方法，属于可搜索加密技术领域。其中包括如下步骤：系统初始化；针对数据动态添加，构建索引；针对数据动态删除，构建索引；数据拥有者为用户分发属性密钥，并赋予某些关键字的搜索能力；用户生成关键字令牌，发起搜索请求；智能合约生成搜索令牌，执行搜索；用户解析搜索结果。该方法具有本地存储开销小、细粒度访问控制、支持多客户端搜索、支持数据动态更新、无单点故障、防篡改等优点，可用于医疗、教育等数据共享场景。

Description

一种基于区块链的多客户端可搜索加密方法
技术领域
本发明属于可搜索加密领域，具体为一种基于区块链的多客户端可搜索加密方法。
背景技术
随着云计算和大数据的发展，越来越多的个人和组织将数据外包给云服务提供商进行存储和共享。这种外包给第三方的行为可以有效降低本地的计算和存储开销，但也有可能造成敏感数据泄露或者第三方滥用数据的问题。为了解决这些问题，可以将数据加密后存储到云端，但加密后的数据就会失去原有的灵活性和可操作性，比如无法通过常规的关键字检索方法获取预期的数据。
可搜索加密是一种支持用户在密文上进行关键字查找的密码学原语，它能够为用户节省大量的网络和计算开销，并充分利用云端服务器庞大的计算资源进行密文上的关键字查找。区块链是一个分布式的共享账本和数据库，具有去中心化、不可篡改、可追溯等特点。因此，利用区块链实现去中心化的可搜索加密方案具有重要的研究意义。
在实际应用场景中，数据拥有者还希望根据用户的角色授予不同的访问能力。此外，数据是不断产生的，其他客户端也有搜索密文的需求。因此，一个成熟的可搜索加密方案还要具备细粒度访问控制、数据动态添加及支持多客户端搜索等特性。
发明内容
本发明的目的在于针对背景技术里提到的问题，提出一种基于区块链的多客户端可搜索加密方法，该方法可应用于各种数据搜索和共享场景。
实现本发明目的的具体技术方案是：
一种基于区块链的多客户端可搜索加密方法，包括如下步骤：
步骤1：系统初始化
(1.1)初始时，数据拥有者输入安全参数λ，选择一个对称加密方案SE、一个属性基加密方案ABE、一个伪随机函数F和一个密码学哈希函数H；
(1.2)数据拥有者随机选择一个密钥k和两个大素数p、q；令n＝pq，并选择一个元素
Figure BDA0003540303190000011
最后，公布公钥PK，并保密系统主密钥SK；
(1.3)数据拥有者选择一个大正整数CLen，并初始化智能合约的全局参数ctr＝CLen，将智能合约部署到区块链中；其中，智能合约中初始化了一个空的哈希表结构EDB用于存储索引；
步骤2：数据动态添加操作
一次动态添加操作针对的是文档集；
(2.1)对于文档集DOC，数据拥有者依次为每个文档docind选择一个对称密钥kind，运行对称加密算法SE.Enc()进行加密；最后，将加密数据上传到云服务器；
(2.2)依次对文档集DOC按文档提取关键字，并构建索引；具体实现如下：
(2.2a)对文档docind∈DOC提取出文档标识符-关键字集(ind,Wind)，其中
Figure BDA0003540303190000021
是文档docind拥有的关键字集合；
(2.2b)对于文档docind中提取出的关键字w∈Wind，计算关键字令牌ktw＝F(k,g1 /w)，进而计算搜索令牌stw＝Hctr(ktw)；
(2.2c)选择一个访问策略
Figure BDA0003540303190000022
和步骤(2.1)中文档docind的对称密钥kind，令mind＝(ind||kind||op)，运行
Figure BDA0003540303190000023
算法得到密文Cind，其中op为1表示数据添加操作；
(2.2d)对于密文Cind，计算key＝H(stw||0)，得到value←Map[key]，其中Map为本次添加操作中存储数据的哈希表；如果value为空，那么计算
Figure BDA0003540303190000024
并将{key,value}添加到Map中；如果value不空，那么先从Map中移除{key,value}，然后选择一个随机令牌rt←{0,1}λ，最后向Map中插入
Figure BDA0003540303190000025
和
Figure BDA0003540303190000026
(2.3)调用智能合约，将本次添加操作形成的索引数据上传到EDB中，并更新智能合约的公开参数ctr←ctr-1；
步骤3数据动态删除操作
(3.1)数据拥有者向云服务器发送需删除的数据的文档标识符集，然后云服务器返回加密文档集，并执行删除；
(3.2)利用加密文档对应的对称密钥和对称解密算法SE.Dec()，对加密文档集进行解密，得到原文档集DOC'；
(3.3)依次对原文档集DOC'按文档提取关键字，并构建索引；具体实现如下：
(3.3a)文档doc'ind∈DOC'能够提取出文档标识符-关键字集(ind,W'ind)，其中
Figure BDA0003540303190000031
是文档doc'ind拥有的关键字集合；
(3.3b)对于文档doc'ind中提取出的关键字w∈W'ind，计算关键字令牌ktw＝F(k,g1 /w)，进而计算搜索令牌stw＝Hctr(ktw)；
(3.3c)选择一个访问策略
Figure BDA0003540303190000032
令mind＝(ind||op)，运行
Figure BDA0003540303190000033
算法得到密文Cind，其中op为0表示数据删除操作；
(3.3d)对于密文Cind，计算key＝H(stw||0)，得到value←Map[key]，其中Map为本次添加操作中存储数据的哈希表；如果value为空，那么计算
Figure BDA0003540303190000034
并将{key,value}添加到Map中；如果value不空，那么先从Map中移除{key,value}，然后选择一个随机令牌rt←{0,1}λ，最后向Map中插入
Figure BDA0003540303190000035
和
Figure BDA0003540303190000036
(3.4)调用智能合约，将本次删除操作形成的索引数据上传到EDB中，并更新智能合约的公开参数ctr←ctr-1；
步骤4：数据拥有者向用户授权
(4.1)数据拥有者运行ABE.KeyGen()算法，输出某用户的属性密钥skS，最终通过安全信道分发给用户；
(4.2)用户向数据拥有者申请对某些关键字的搜索能力；
(4.2)数据拥有者根据用户的身份和属性，为用户选取能够授权的关键字集W；然后，数据拥有者计算授权关键字密钥skW，并将k、skW和授权关键字集W通过安全信道发送给用户；
步骤5：用户发起关键字搜索请求
(5.1)根据步骤1和步骤4，某用户此时持有密钥k、skS、skW和授权关键字集W；
(5.2)对于任意的关键字w∈W，用户计算关键字令牌ktw，并送给智能合约执行对关键字w的搜索；
步骤6：智能合约进行搜索
(6.1)智能合约根据参数ctr、CLen以及用户的关键字令牌ktw，循环计算新的搜索令牌stw，执行搜索；具体实现如下：
获取公开参数ctr，令j＝ctr，循环执行如下步骤，直至j>CLen：
(6.1a)计算搜索令牌stw＝Hj(ktw)；
(6.1b)根据搜索令牌stw，计算key＝H(stw||0)，得到value←EDB[key]；如果value不空，得到一个索引密文和一个随机令牌
Figure BDA0003540303190000041
(6.1c)当rt不空时，计算value'←EDB[H(rt||0)]和
Figure BDA0003540303190000042
得到一个索引密文和一个新的随机令牌rt；当rt不空时，循环执行本步；
(6.1d)执行j←j+1；
(6.2)保存搜索过程中得到的结果RES，返回给用户；
步骤7：用户解析搜索结果
(7.1)对于结果RES中的每一个密文C，用户使用属性密钥skS，执行ABE.Dec()算法，得到明文m，其中m为(ind||kind||op)或(ind||op)；
(7.2)用户筛选出op为1的文档标识符及其对应的对称密钥，请求云服务器返回加密文档；
(7.3)对于返回的加密文档集，运行对称解密算法SE.Dec()得到原数据。
本发明具有以下优点：
1)支持数据动态添加和删除；
2)数据拥有者只需要本地存储几个隐私参数，本地存储开销降低到了常数级；
3)使用区块链代替中心化的服务器，实现了系统去中心化、数据防篡改、交易可验证可追溯等特性；
4)支持多客户端。用户获取某些关键字的访问能力后，可以本地生成关键字令牌，减少了用户和数据拥有者的交互，降低了通信开销；
5)实现了数据的细粒度访问控制。用户的能力受到关键字和属性的双重制约，用户只能搜索授权的关键字，用户属性用于控制解密的能力。
附图说明
图1是实施本发明的系统模型图；
图2是本发明初始化流程图；
图3是本发明数据动态添加流程图；
图4是本发明数据动态删除流程图；
图5是本发明数据拥有者向用户授权流程图；
图6是本发明用户发起关键字搜索请求流程图；
图7是本发明智能合约执行搜索流程图；
图8是本发明用户解析搜索结果流程图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的技术方案作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
图1是实施本实施例的系统模型图，包括数据拥有者、用户、区块链、云服务器四个实体。数据拥有者主要负责系统初始化、分发属性密钥、授予用户关键字搜索能力、更新数据、建立索引和部署智能合约；用户即客户端，包括个人或组织等，可以访问授权数据。根据角色不同，客户端会被赋予不同的关键字搜索能力；区块链主要负责存储可搜索密文，并通过智能合约，执行搜索。云服务器主要负责存储加密数据，根据数据拥有者要求更新数据，为用户返回数据。系统初始化后，数据拥有者可以不断进行数据动态添加和删除操作来更新数据，用户可以不断发起搜索请求搜索数据。
实施例
下面是本实施例的具体实施步骤：
步骤1：系统初始化
图2是本实施例初始化流程图，主要包括以下步骤：
(1.1)初始时，数据拥有者输入安全参数λ，选择一个对称加密方案SE＝(SE.Enc(),SE.Dec())、一个属性基加密方案ABE＝(ABE.Setup(),ABE.KeyGen(),ABE.Enc(),ABE.Dec())、一个伪随机函数F:{0,1}λ×{0,1}*→{0,1}λ和一个密码学哈希函数H:{0,1}*→{0,1}*。其中ABE.Setup()、ABE.KeyGen()、ABE.Enc()和ABE.Dec()分别是属性基初始化、密钥生成、加密和解密算法，SE.Enc()和SE.Dec()分别是对称加密算法和对称解密算法。
(1.2)数据拥有者随机选择一个密钥k∈{0,1}λ。然后，根据强RSA难题，选择两个大素数p和q。令n＝pq，并选择一个元素
Figure BDA0003540303190000051
然后，运行ABE.Setup(1λ)算法生成用于分发属性的属性公钥apk和属性主密钥ask。最后，公布公钥PK＝(F,H,n,apk)，并保密系统主密钥SK＝(k1,p,q,g,ask)。
(1.3)数据拥有者选择一个大正整数CLen，并初始化智能合约的全局参数ctr＝CLen，将智能合约部署到区块链中。其中，智能合约中初始化了一个空的哈希表结构EDB用于存储索引。
步骤2：数据动态添加操作
图3是本实施例的数据动态添加流程图。在本实施例中，一次动态添加操作针对的是文档集，主要包括以下步骤：
(2.1)对于文档集DOC，每个文档都有唯一的全局标识符ind。数据拥有者依次为每个文档docind∈DOC选择一个对称密钥kind，运行对称加密算法SE.Enc(kind,docind)进行加密。最后，将加密数据上传到云服务器。
(2.2)依次对文档集DOC按文档提取关键字，并构建索引。详细步骤如下：
对文档docind∈DOC提取出文档标识符-关键字集(ind,Wind)，其中
Figure BDA0003540303190000061
是文档docind拥有的关键字集合。
对于文档docind∈DOC中提取出的关键字w∈Wind，计算关键字令牌ktw＝F(k,g1/w)，进而计算搜索令牌stw＝Hctr(ktw)。
选择一个访问策略
Figure BDA0003540303190000062
和步骤(2.1)中文档的对称密钥kind，令mind＝(ind||kind||op)，运行
Figure BDA0003540303190000063
算法得到密文Cind，其中op为1表示数据添加操作。
对于密文Cind，计算key＝H(stw||0)，得到value←Map[key]，其中Map为本次添加操作中存储数据的哈希表。如果value为空，那么计算
Figure BDA0003540303190000064
并将{key,value}添加到Map中；如果value不空，那么先从Map中移除{key,value}，然后选择一个随机令牌rt←{0,1}λ，最后向Map中插入
Figure BDA0003540303190000065
和
Figure BDA0003540303190000066
(2.3)调用智能合约，将Map中的索引数据上传到EDB中，并更新智能合约的公开参数ctr←ctr-1。
步骤3数据动态删除操作
图4是本实施例的数据动态删除流程图。在本实施例中，一次动态删除操作针对的是文档集，主要包括如下步骤：
(3.1)数据拥有者向云服务器发送需删除的数据的文档标识符集，然后云服务器返回加密文档集，并执行删除。
(3.2)利用加密文档对应的对称密钥和对称解密算法SE.Dec()，对加密文档集进行解密，得到原文档集DOC'。
(3.3)依次对文档集DOC'按文档提取关键字，并构建索引。详细步骤如下：
对文档doc'ind∈DOC'提取出文档标识符-关键字集(ind,W'ind)，其中
Figure BDA0003540303190000076
是文档doc'ind拥有的关键字集合。
对于文档doc'ind中提取出的关键字w∈W'ind，计算关键字令牌ktw＝F(k,g1/w)，进而计算搜索令牌stw＝Hctr(ktw)。
选择一个访问策略
Figure BDA0003540303190000071
令mind＝(ind||op)，运行
Figure BDA0003540303190000072
算法得到密文Cind，其中op为0表示数据删除操作。
对于密文Cind，计算key＝H(stw||0)，得到value←Map[key]，其中Map为本次添加操作中存储数据的哈希表。如果value为空，那么计算
Figure BDA0003540303190000073
并将{key,value}添加到Map中；如果value不空，那么先从Map中移除{key,value}，然后选择一个随机令牌rt←{0,1}λ，最后向Map中插入
Figure BDA0003540303190000074
和
Figure BDA0003540303190000075
(3.4)调用智能合约，将Map中的索引数据上传到EDB中，并更新智能合约的公开参数ctr←ctr-1。
步骤4：数据拥有者向用户授权
图5是本实施例的数据拥有者向用户授权流程图，主要包括如下步骤：
(4.1)数据拥有者运行ABE.KeyGen(ask,S)算法，输出某用户的属性密钥skS，最终通过安全信道分发给用户。其中ask为属性公钥，S为用户的属性。
(4.2)用户向数据拥有者申请对某些关键字的搜索能力。
(4.2)数据拥有者根据用户的身份和属性，为用户选取可以授权的关键字集W。然后，数据拥有者计算授权关键字密钥
Figure BDA0003540303190000081
并将k、skW和授权关键字集W通过安全信道发送给用户。
步骤5：用户发起关键字搜索请求
图6是本实施例的用户发起关键字搜索请求流程图，主要包括如下步骤：
(5.1)根据步骤1和步骤4，某用户此时持有密钥k、skS、skW和授权关键字集W。
(5.2)对于任意的关键字w∈W，用户计算关键字令牌
Figure BDA0003540303190000082
并送给智能合约执行对关键字w的搜索。
步骤6：智能合约执行搜索
图7是本实施例的智能合约执行搜索流程图，主要包括如下步骤：
(6.1)获取公开参数ctr，令j＝ctr，循环执行如下步骤，直至j>CLen：
计算搜索令牌stw＝Hj(ktw)。
根据搜索令牌stw，计算key＝H(stw||0)，得到value←EDB[key]。如果value不空，得到一个索引密文和一个随机令牌
Figure BDA0003540303190000083
当rt不空时，计算value'←EDB[H(rt||0)]和
Figure BDA0003540303190000084
得到一个索引密文和一个新的随机令牌rt。当rt不空时，循环执行本步。
执行j←j+1。
(6.2)保存搜索过程中得到的所有索引密文，作为结果RES返回给用户。
步骤7：用户解析搜索结果
图8是本实施例的用户解析搜索结果流程图，主要包括如下步骤：
(7.1)对于结果RES中的每一个密文C，如果用户的属性能够满足C的访问策略，那么执行ABE.Dec(skS,C)算法，得到m，其中m类型为(ind||kind||op)或(ind||op)；如果用户的属性不满足C的访问策略，则无法解密输出⊥。
(7.2)用户剔除op为0(已删除)的文档标识符及其对应的对称密钥，并将op为1(仍存在)的文档标识符集发送给云服务器，请求响应的文档。
(7.3)云服务器返回对应标识符的加密文档。针对每一个加密文档，用户利用加密该文档的对称密钥，运行对称解密算法SE.Dec()得到原文档。

Claims (4)

1.一种基于区块链的多客户端可搜索加密方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：系统初始化
(1.1)初始时，数据拥有者输入安全参数λ，选择一个对称加密方案SE、一个属性基加密方案ABE、一个伪随机函数F和一个密码学哈希函数H；
(1.2)数据拥有者随机选择一个密钥k和两个大素数p、q；令n＝pq，并选择一个元素
Figure FDA0003540303180000011
最后，公布公钥PK，并保密系统主密钥SK；
(1.3)数据拥有者选择一个大正整数CLen，并初始化智能合约的全局参数ctr＝CLen，将智能合约部署到区块链中；其中，智能合约中初始化了一个空的哈希表结构EDB用于存储索引；
步骤2：数据动态添加操作
一次动态添加操作针对的是文档集；
(2.1)对于文档集DOC，数据拥有者依次为每个文档docind选择一个对称密钥kind，运行对称加密算法SE.Enc()进行加密；最后，将加密数据上传到云服务器；
(2.2)依次对文档集DOC按文档提取关键字，并构建索引；
(2.3)调用智能合约，将本次添加操作形成的索引数据上传到EDB中，并更新智能合约的公开参数ctr←ctr-1；
步骤3数据动态删除操作
(3.1)数据拥有者向云服务器发送需删除的数据的文档标识符集，然后云服务器返回加密文档集，并执行删除；
(3.2)利用加密文档对应的对称密钥和对称解密算法SE.Dec()，对加密文档集进行解密，得到原文档集DOC'；
(3.3)依次对原文档集DOC'按文档提取关键字，并构建索引；
(3.4)调用智能合约，将本次删除操作形成的索引数据上传到EDB中，并更新智能合约的公开参数ctr←ctr-1；
步骤4：数据拥有者向用户授权
(4.1)数据拥有者运行ABE.KeyGen()算法，输出某用户的属性密钥skS，最终通过安全信道分发给用户；
(4.2)用户向数据拥有者申请对某些关键字的搜索能力；
(4.2)数据拥有者根据用户的身份和属性，为用户选取能够授权的关键字集W；然后，数据拥有者计算授权关键字密钥skW，并将k、skW和授权关键字集W通过安全信道发送给用户；
步骤5：用户发起关键字搜索请求
(5.1)根据步骤1和步骤4，某用户此时持有密钥k、skS、skW和授权关键字集W；
(5.2)对于任意的关键字w∈W，用户计算关键字令牌ktw，并送给智能合约执行对关键字w的搜索；
步骤6：智能合约进行搜索
(6.1)智能合约根据参数ctr、CLen以及用户的关键字令牌ktw，循环计算新的搜索令牌stw，执行搜索；
(6.2)保存搜索过程中得到的结果RES，返回给用户；
步骤7：用户解析搜索结果
(7.1)对于结果RES中的每一个密文C，用户使用属性密钥skS，执行ABE.Dec()算法，得到明文m，其中m为(ind||kind||op)或(ind||op)；
(7.2)用户筛选出op为1的文档标识符及其对应的对称密钥，请求云服务器返回加密文档；
(7.3)对于返回的加密文档集，运行对称解密算法SE.Dec()得到原数据。
2.根据权利要求1所述的多客户端可搜索加密方法，其特征在于，步骤(2.2)所述
依次对文档集DOC按文档提取关键字，并构建索引，具体实现如下：
(2.2a)对文档docind∈DOC提取出文档标识符-关键字集(ind,Wind)，其中
Figure FDA0003540303180000022
是文档docind拥有的关键字集合；
(2.2b)对于文档docind中提取出的关键字w∈Wind，计算关键字令牌ktw＝F(k,g1/w)，进而计算搜索令牌stw＝Hctr(ktw)；
(2.2c)选择一个访问策略A和步骤(2.1)中文档docind的对称密钥kind，令mind＝(ind||kind||op)，运行
Figure FDA0003540303180000021
算法得到密文Cind，其中op为1表示数据添加操作；
(2.2d)对于密文Cind，计算key＝H(stw||0)，得到value←Map[key]，其中Map为本次添加操作中存储数据的哈希表；如果value为空，那么计算value←H(stw||1)⊕(Cind||⊥)，并将{key,value}添加到Map中；如果value不空，那么先从Map中移除{key,value}，然后选择一个随机令牌rt←{0,1}λ，最后向Map中插入{key,H(stw||1)⊕(Cind||rt)}和{H(rt||0),H(rt||1)⊕H(rt||1)⊕H(stw||1)⊕value}。
3.根据权利要求1所述的多客户端可搜索加密方法，其特征在于，步骤(3.3)所述
依次对文档集DOC'按文档提取关键字，并构建索引，具体实现如下：
(3.3a)文档doc′ind∈DOC'能够提取出文档标识符-关键字集(ind,W′ind)，其中
Figure FDA0003540303180000032
是文档doc'ind拥有的关键字集合；
(3.3b)对于文档doc′ind中提取出的关键字w∈W′ind，计算关键字令牌ktw＝F(k,g1/w)，进而计算搜索令牌stw＝Hctr(ktw)；
(3.3c)选择一个访问策略
Figure FDA0003540303180000033
令mind＝(ind||op)，运行
Figure FDA0003540303180000031
算法得到密文Cind，其中op为0表示数据删除操作；
(3.3d)对于密文Cind，计算key＝H(stw||0)，得到value←Map[key]，其中Map为本次添加操作中存储数据的哈希表；如果value为空，那么计算value←H(stw||1)⊕(Cind||⊥)，并将{key,value}添加到Map中；如果value不空，那么先从Map中移除{key,value}，然后选择一个随机令牌rt←{0,1}λ，最后向Map中插入{key,H(stw||1)⊕(Cind||rt)}和{H(rt||0),H(rt||1)⊕H(rt||1)⊕H(stw||1)⊕value}。
4.根据权利要求1所述的多客户端可搜索加密方法，其特征在于，所述步骤(6.1)，具体实现如下：
获取公开参数ctr，令j＝ctr，循环执行如下步骤，直至j>CLen：
(6.1a)计算搜索令牌stw＝Hj(ktw)；
(6.1b)根据搜索令牌stw，计算key＝H(stw||0)，得到value←EDB[key]；如果value不空，得到一个索引密文和一个随机令牌(Cind||rt)←value⊕H(stw||1)；
(6.1c)当rt不空时，计算value'←EDB[H(rt||0)]和(C′ind||rt)←value'⊕H(rt||1)得到一个索引密文和一个新的随机令牌rt；当rt不空时，循环执行本步；
(6.1d)执行j←j+1。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115758468A (zh) * 2022-12-05 2023-03-07 北京理工大学 具有前后向隐私支持非交互多用户可搜索加密方法及系统

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