JP7540591B2 - セキュア結合システム、情報処理装置、セキュア結合方法、及びプログラム - Google Patents

セキュア結合システム、情報処理装置、セキュア結合方法、及びプログラム Download PDF

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Description

本発明は、セキュア結合システム、情報処理装置、セキュア結合方法、及びプログラムに関する。
２者間で互いのデータを明かすことなく、またどのデータが結合されたのかを明かすことなくデータの結合を行う方法として、セキュア結合と呼ばれる方法がある（例えば、非特許文献１参照）。非特許文献１に記載されている方法では、それぞれが持つデータを暗号化した上で一方に集め、双方のキーのハッシュ値を照合して共通のキーを持つデータを特定することにより結合されたデータの暗号文を作成している。
千田浩司, 五十嵐大, 濱田浩気, 高橋克巳. 匿名等結合プロトコルとその応用. In SCIS, 2011.
しかしながら、従来の方法では双方が持つデータの暗号文すべてを２者間で送受信する必要があった。このため、少なくとも一方が大きいデータを持っている場合には、通信量が大きかった。
本発明の一実施形態は、上記の点に鑑みてなされたもので、通信量の少ないセキュア結合を実現することを目的とする。
上記目的を達成するため、一実施形態に係るセキュア結合システムは、第１の情報処理装置と第２の情報処理装置との間でセキュアなデータ結合を行うセキュア結合システムであって、前記第２の情報処理装置は、前記第１の情報処理装置が持つ第１のデータのキー値に関するハッシュ値を要素とする第１のベクトルと前記キー値に対応する第１のデータの暗号文を要素とする第２のベクトルとを受信すると、前記第１の情報処理装置の知らない置換により、前記第１のベクトルの要素のハッシュ値と前記第２のベクトルの要素とをそれぞれ並べ替えた第３のベクトルと第４のベクトルとを作成する第１の作成部と、自身が持つ第２のデータのキー値に関するハッシュ値を要素とする第５のベクトルを作成する第２の作成部と、前記第３のベクトルと前記第４のベクトルと前記第５のベクトルとを前記第１の情報処理装置に送信する第１の送信部と、を有し、前記第１の情報処理装置は、前記第３のベクトルと前記第４のベクトルと前記第５のベクトルとを受信すると、各ｉに対して、前記第５のベクトルのｉ番目の要素のハッシュ値と前記第３のベクトルのｊ番目の要素の値とが一致するｊを探し、前記ｊが見つかった場合は前記第４のベクトルのｊ番目の要素の値の暗号文をｉ番目の要素、前記ｊが見つからなかった場合はダミー値の暗号文をｉ番目の要素とする暗号化データを作成する第３の作成部と、前記暗号化データを前記第２の情報処理装置に送信する第２の送信部と、を有する。
通信量の少ないセキュア結合を実現することができる。
本実施形態に係るセキュア結合システムの全体構成の一例を示す図である。 本実施形態に係るセキュア結合処理の一例を示すシーケンス図である。 本実施形態に係る情報処理装置のハードウェア構成の一例を示す図である。
以下、本発明の一実施形態について説明する。本実施形態では、一方の持つデータの暗号文に関しては一切送受信を行わずに、２者間でセキュア結合を実現することができるセキュア結合システム１について説明する。これにより、本実施形態に係るセキュア結合システム１では、一方が大きいデータを持っている場合に従来よりも少ない通信量で２者間のセキュア結合を行うことが可能となる。なお、セキュア結合とは、２者間で互いのデータを明かすことなく、またどのデータが結合されたのかを明かすことなくデータの結合を行う方法のことである。また、データの結合とは、或るキーに関してその値が一致するデータ同士を結合する操作のことである。
＜全体構成＞
まず、本実施形態に係るセキュア結合システム１の全体構成について、図１を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係るセキュア結合システム１の全体構成の一例を示す図である。
図１に示すように、本実施形態に係るセキュア結合システム１には、２者間でセキュア結合を行う情報処理装置１０及び情報処理装置２０が含まれる。情報処理装置１０と情報処理装置２０は、インターネット等の通信ネットワークＮを介して通信可能に接続される。
情報処理装置１０及び情報処理装置２０は、例えば、汎用サーバ、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）、スマートフォン、タブレット端末、ウェアラブルデバイス等といった各種装置や機器等である。
ここで、情報処理装置１０は、計算部１０１と、通信部１０２と、記憶部１０３とを有する。なお、計算部１０１及び通信部１０２は、情報処理装置１０にインストールされた１以上のプログラムが、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサに実行させる処理により実現される。また、記憶部１０３は、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）、フラッシュメモリ等の各種メモリ装置により実現される。
計算部１０１は、情報処理装置２０との間でセキュア結合を実現するための各種計算を実行する。通信部１０２は、情報処理装置２０との間で各種データの送受信を行う。記憶部１０３は、セキュア結合の対象となる１以上のデータ（これらのデータは「レコード」と称されてもよい。）を記憶する。これらのデータには、結合のキーとなるＩＤが付与されているものとする。
また、情報処理装置２０は、計算部２０１と、通信部２０２と、記憶部２０３とを有する。なお、計算部２０１及び通信部２０２は、情報処理装置２０にインストールされた１以上のプログラムが、ＣＰＵ等のプロセッサに実行させる処理により実現される。また、記憶部２０３は、例えば、ＨＤＤやＳＳＤ、フラッシュメモリ等の各種メモリ装置により実現される。
計算部２０１は、情報処理装置１０との間でセキュア結合を実現するための各種計算を実行する。通信部２０２は、情報処理装置１０との間で各種データの送受信を行う。記憶部２０３は、セキュア結合の対象となる１以上のデータ（レコード）を記憶する。これらのデータには、結合のキーとなるＩＤが付与されているものとする。
なお、以下では、情報処理装置１０自体又は情報処理装置１０を利用若しくは管理等する者のことを「ユーザＡ」とする。同様に、情報処理装置２０自体又は情報処理装置２０を利用若しくは管理等する者のことを「ユーザＢ」とする。
＜準備＞
セキュア結合処理の説明を行う前に、いくつかの記号や概念等を準備する。
ｈｋを秘密鍵ｋにより定まるハッシュ関数とし、任意の２つの秘密鍵ｋ１，ｋ２に対して、
Figure 0007540591000001
 は可換であるものとする。ここで、任意のハッシュ関数ｆ，ｇが可換であるとは、任意の値ｘに対して、ｆ（ｇ（ｘ））＝ｇ（ｆ（ｘ））が成り立つことをいう。
以下では、ユーザＡの秘密鍵ｋＡとして、明細書のテキスト中では、秘密鍵ｋＡより定まるハッシュ関数を「ｈｋＡ」と表記する。同様に、ユーザＢの秘密鍵ｋＢとして、明細書のテキスト中では、秘密鍵ｋＢにより定まるハッシュ関数を「ｈｋＢ」と表記する。
なお、ｘをベクトル、そのｉ番目の要素をｘ［ｉ］とした場合、ｈｋ（ｘ）は、ｈｋ（ｘ［ｉ］）をｉ番目の要素とするベクトルである。このとき、ｈｋ（ｘ）のｉ番目の要素を「ｈｋ（ｘ）［ｉ］」とも表記する。
ＨＥをユーザＡ及びＢが再暗号化可能な暗号化方式とする。なお、ｘをベクトル、そのｉ番目の要素をｘ［ｉ］とした場合、ＨＥ（ｘ）は、ＨＥ（ｘ［ｉ］）をｉ番目の要素とするベクトルである。このとき、ＨＥ（ｘ）のｉ番目の要素を「ＨＥ（ｘ）［ｉ］」とも表記する。
また、ＶａｌＡをセキュア結合の対象となるユーザＡのデータを並べたベクトル、ＩＤＡをＶａｌＡの各要素（つまり、ユーザＡの各データ）のそれぞれに対応するＩＤを並べたベクトル、ＩＤＢをユーザＢの各データのそれぞれに対応するＩＤを並べたベクトルとする。ただし、ＶａｌＡとＩＤＡはユーザＢの知らない順序で並べられており、ＩＤＢはユーザＡの知らない順序で並べられているものとする。
＜セキュア結合処理＞
以下では、本実施形態に係るセキュア結合処理について、図２を参照しながら説明する。図２は、本実施形態に係るセキュア結合処理の一例を示すシーケンス図である。
まず、情報処理装置１０の計算部１０１は、ｈｋＡ（ＩＤＡ）とＨＥ（ＶａｌＡ）を計算する（ステップＳ１０１）。次に、情報処理装置１０の通信部１０２は、ｈｋＡ（ＩＤＡ）とＨＥ（ＶａｌＡ）を情報処理装置２０に送信する（ステップＳ１０２）。
情報処理装置２０の計算部２０１は、通信部２０２によりｈｋＡ（ＩＤＡ）とＨＥ（ＶａｌＡ）を受信すると、以下の（１－１）～（１－４）を実行する（ステップＳ１０３）。
（１－１）ｈｋＢ（ＩＤＢ）を計算する。
（１－２）ランダム置換σを作成する。
（１－３）ＨＥ（ＶａｌＡ）を再暗号化した上で、σにより並び替える。以下、この並び替え後のものをＨＥ（Ｖａｌ'Ａ）とする。
（１－４）σ（ｈｋＢ（ｈｋＡ（ＩＤＡ）））を計算する。以下、この計算後のものをｈｋＢ（ｈｋＡ（ＩＤ'Ａ））とする。
次に、情報処理装置２０の通信部２０２は、ｈｋＢ（ｈｋＡ（ＩＤ'Ａ））とＨＥ（Ｖａｌ'Ａ）とｈｋＢ（ＩＤＢ）を情報処理装置１０に送信する（ステップＳ１０４）。
情報処理装置１０の計算部１０１は、通信部１０２によりｈｋＢ（ｈｋＡ（ＩＤ'Ａ））とＨＥ（Ｖａｌ'Ａ）とｈｋＢ（ＩＤＢ）を受信すると、以下の（２－１）～（２－２）を実行する（ステップＳ１０５）。
（２－１）ｈｋＡ（ｈｋＢ（ＩＤＢ））を計算する。
（２－２）ｈｋＡ（ｈｋＢ（ＩＤＢ））とｈｋＢ（ｈｋＡ（ＩＤ'Ａ））を照合し、各ｉに対して、ｈｋＡ（ｈｋＢ（ＩＤＢ）［ｉ］＝ｈｋＢ（ｈｋＡ（ＩＤ'Ａ））［ｊ］であるｊを探し、そのようなｊが見つかった場合は、Ｖａｌ''Ａ［ｉ］＝Ｖａｌ'Ａ［ｊ］となるように、ＨＥ（Ｖａｌ'Ａ）［ｊ］を再暗号化した値を作成し、ＨＥ（Ｖａｌ''Ａ）［ｉ］とする。一方で、ｈｋＡ（ｈｋＢ（ＩＤＢ）［ｉ］＝ｈｋＢ（ｈｋＡ（ＩＤ'Ａ））［ｊ］であるｊが見つからなかった場合は、ダミーの値を暗号化した値を作成し、ＨＥ（Ｖａｌ''Ａ）［ｉ］とする。
なお、各ｉに対して、ｈｋＡ（ｈｋＢ（ＩＤＢ）［ｉ］＝ｈｋＢ（ｈｋＡ（ＩＤ'Ａ））［ｊ］であるｊを探す方法は特に限定されず、一般的な任意の検索方法を用いることが可能である。例えば、各ｉ，ｊに対して、ｈｋＡ（ｈｋＢ（ＩＤＢ）［ｉ］＝ｈｋＢ（ｈｋＡ（ＩＤ'Ａ））［ｊ］を満たすか否かを確認してもよいし、予め各ｊに対してｈｋＢ（ｈｋＡ（ＩＤ'Ａ））［ｊ］をキーとする連想配列を作成しておくことで該当するｊを探してもよい。
そして、情報処理装置１０の通信部１０２は、ＨＥ（Ｖａｌ''Ａ）［ｉ］で構成されるＨＥ（Ｖａｌ''Ａ）を情報処理装置２０に送信する（ステップＳ１０６）。
以上により、ＩＤＡとＩＤＢの間で同一の値を持つ要素同士が対応付けられるため、ユーザＡの持つデータとユーザＢの持つデータとの間でセキュア結合が実現される。このとき、本実施形態では、最終的な出力の一方を平文（本実施形態ではユーザＢのデータを平文）にすることで、この一方のデータを他方に一切送信することなく、データ結合を実現している。また、その際に何等の対策も講じないとどのデータが結合されたのかがユーザＢに明かされてしまうため、ダミーの暗号文を追加し、どのデータが結合されたのかが明らかにされることを防止した。
＜効果＞
２者間でセキュア結合を行う場合、従来は両者のデータの暗号文を双方で送り合う必要があったが、本実施形態では、一方のデータは一切送る必要がない。このため、双方が持つデータ量に大きな差が存在する場合には、データ量が大きい方のデータを送らない方のデータとすることで、通信量の少ないセキュア結合を実現することができる。
より正確には、ユーザＡがｍＡ個の値で構成されるデータをｎＡ個持っており、ユーザがｍＢ個の値で構成されるデータをｎＢ個持っているものとする。このとき、従来は通信量がΘ（ｍＡｎＡ＋ｍＢｎＢ）必要であったが、本実施形態では、Θ（ｍＡｎＡ＋ｍＡｎＢ）の通信量でセキュア結合を実現することができる。したがって、ｍＡ＜ｍＢのとき、本実施形態で説明したセキュア結合を用いることで、漸近的に小さい通信量でセキュア結合を実現することができる。
＜ハードウェア構成＞
最後に、本実施形態に係る情報処理装置１０及び２０のハードウェア構成について、図３を参照しながら説明する。図３は、本実施形態に係る情報処理装置１０及び２０のハードウェア構成の一例を示す図である。なお、情報処理装置１０及び２０は同様のハードウェア構成で実現可能なため、以下では、情報処理装置１０のハードウェア構成について説明する。
図３に示すように、本実施形態に係る情報処理装置１０は、入力装置３０１と、表示装置３０２と、外部Ｉ／Ｆ３０３と、通信Ｉ／Ｆ３０４と、プロセッサ３０５と、メモリ装置３０６とを有する。これらの各ハードウェアは、それぞれがバス３０７により通信可能に接続される。
入力装置３０１は、例えば、キーボードやマウス、タッチパネル等である。表示装置３０２は、例えば、ディスプレイ等である。なお、情報処理装置１０は、例えば、入力装置３０１及び表示装置３０２のうちの少なくとも一方を有していなくてもよい。
外部Ｉ／Ｆ３０３は、記録媒体３０３ａ等の外部装置とのインタフェースである。情報処理装置１０は、外部Ｉ／Ｆ３０３を介して、記録媒体３０３ａの読み取りや書き込み等を行うことができる。なお、記録媒体３０３ａとしては、例えば、ＣＤ（Compact Disc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）、ＳＤメモリカード（Secure Digital memory card）、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリカード等が挙げられる。
通信Ｉ／Ｆ３０４は、情報処理装置１０を通信ネットワークＮに接続するためのインタフェースである。プロセッサ３０５は、例えば、ＣＰＵ等の各種演算装置である。メモリ装置３０６は、例えば、ＨＤＤやＳＳＤ、フラッシュメモリ、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の各種記憶装置である。
本実施形態に係る情報処理装置１０及び２０は、図３に示すハードウェア構成を有することにより、上述したセキュア結合処理を実現することができる。なお、図３に示すハードウェア構成は一例であって、情報処理装置１０及び２０は、例えば、複数のプロセッサを有していたり、複数のメモリ装置を有していたりしてもよく、様々なハードウェア構成を有していてもよい。
本発明は、具体的に開示された上記の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲の記載から逸脱することなく、種々の変形や変更、既知の技術との組み合わせ等が可能である。
１ セキュア結合システム
１０ 情報処理装置
２０ 情報処理装置
１０１ 計算部
１０２ 通信部
１０３ 記憶部
２０１ 計算部
２０２ 通信部
２０３ 記憶部
３０１ 入力装置
３０２ 表示装置
３０３ 外部Ｉ／Ｆ
３０３ａ 記録媒体
３０４ 通信Ｉ／Ｆ
３０５ プロセッサ
３０６ メモリ装置
３０７ バス
Ｎ 通信ネットワーク

Claims (6)

  1. 第１の情報処理装置と第２の情報処理装置との間でセキュアなデータ結合を行うセキュア結合システムであって、
    前記第２の情報処理装置は、
    前記第１の情報処理装置が持つ第１のデータのキー値に関するハッシュ値を要素とする第１のベクトルと前記キー値に対応する第１のデータの暗号文を要素とする第２のベクトルとを受信すると、前記第１の情報処理装置の知らない置換により、前記第１のベクトルの要素のハッシュ値と前記第２のベクトルの要素とをそれぞれ並べ替えた第３のベクトルと第４のベクトルとを作成する第１の作成部と、
    自身が持つ第２のデータのキー値に関するハッシュ値を要素とする第５のベクトルを作成する第２の作成部と、
    前記第３のベクトルと前記第４のベクトルと前記第５のベクトルとを前記第１の情報処理装置に送信する第１の送信部と、を有し、
    前記第１の情報処理装置は、
    前記第３のベクトルと前記第４のベクトルと前記第５のベクトルとを受信すると、各ｉに対して、前記第５のベクトルのｉ番目の要素のハッシュ値と前記第３のベクトルのｊ番目の要素の値とが一致するｊを探し、前記ｊが見つかった場合は前記第４のベクトルのｊ番目の要素の値の暗号文をｉ番目の要素、前記ｊが見つからなかった場合はダミー値の暗号文をｉ番目の要素とする暗号化データを作成する第３の作成部と、
    前記暗号化データを前記第２の情報処理装置に送信する第２の送信部と、
    を有するセキュア結合システム。
  2. 可換なハッシュ関数をｆ及びｇとして、
    前記第１の情報処理装置は、
    自身が持つ第１のデータのキー値のｆによるハッシュ値を計算し、前記ハッシュ値を要素とする第１のベクトルと、前記キー値に対応する第１のデータの暗号文を要素とする第２のベクトルとを作成する第４の作成部と、
    前記第１のベクトルと、前記第２のベクトルとを前記第２の情報処理装置に送信する第３の送信部と、を有し、
    前記第１の作成部は、
    前記第１のベクトルと前記第２のベクトルとを受信すると、前記第１のベクトルの要素のｇによるハッシュ値を計算し、前記置換により、第１のベクトルの要素のｇによるハッシュ値と前記第２のベクトルの要素とをそれぞれ並べ替えて、前記第３のベクトルと前記第４のベクトルとを作成し、
    前記第２の作成部は、
    前記第２のデータのキー値のｇによるハッシュ値を要素とする第５のベクトルを作成し、
    前記第３の作成部は、
    前記第３のベクトルと前記第４のベクトルと前記第５のベクトルとを受信すると、前記第５のベクトルのｉ番目の要素のｆによるハッシュ値を計算し、前記ハッシュ値と前記第３のベクトルのｊ番目の要素の値とが一致するｊを探し、前記ｊが見つかった場合は前記第４のベクトルのｊ番目の要素の値の暗号文をｉ番目の要素、前記ｊが見つからなかった場合はダミー値の暗号文をｉ番目の要素とする暗号化データを作成する、請求項１に記載のセキュア結合システム。
  3. 他の情報処理装置との間でセキュアなデータ結合を行う情報処理装置であって、
    前記他の情報処理装置が持つ第１のデータのキー値に関するハッシュ値を要素とする第１のベクトルと前記キー値に対応する第１のデータの暗号文を要素とする第２のベクトルとを受信すると、前記他の情報処理装置の知らない置換により、前記第１のベクトルの要素のハッシュ値と前記第２のベクトルの要素とをそれぞれ並べ替えた第３のベクトルと第４のベクトルとを作成する第１の作成部と、
    自身が持つ第２のデータのキー値に関するハッシュ値を要素とする第５のベクトルを作成する第２の作成部と、
    前記第３のベクトルと前記第４のベクトルと前記第５のベクトルとを前記他の情報処理装置に送信する第１の送信部と、
    を有する情報処理装置。
  4. 他の情報処理装置との間でセキュアなデータ結合を行う情報処理装置であって、
    自身が持つ第１のデータのキー値に関するハッシュ値を要素とする第１のベクトルの要素と前記キー値に対応する第１のデータの暗号文を要素とする第２のベクトルの要素とが自身の知らない置換によりそれぞれ並べ替えられた第３のベクトル及び第４のベクトルと、前記他の情報処理装置が持つ第２のデータのキー値に関するハッシュ値を要素とする第５のベクトルとを受信すると、各ｉに対して、前記第５のベクトルのｉ番目の要素のハッシュ値と前記第３のベクトルのｊ番目の要素の値とが一致するｊを探し、前記ｊが見つかった場合は前記第４のベクトルのｊ番目の要素の値の暗号文をｉ番目の要素、前記ｊが見つからなかった場合はダミー値の暗号文をｉ番目の要素とする暗号化データを作成する作成部と、
    前記暗号化データを前記他の情報処理装置に送信する送信部と、
    を有する情報処理装置。
  5. 第１の情報処理装置と第２の情報処理装置との間でセキュアなデータ結合を行うセキュア結合方法であって、
    前記第２の情報処理装置が、
    前記第１の情報処理装置が持つ第１のデータのキー値に関するハッシュ値を要素とする第１のベクトルと前記キー値に対応する第１のデータの暗号文を要素とする第２のベクトルとを受信すると、前記第１の情報処理装置の知らない置換により、前記第１のベクトルの要素のハッシュ値と前記第２のベクトルの要素とをそれぞれ並べ替えた第３のベクトルと第４のベクトルとを作成する第１の作成手順と、
    自身が持つ第２のデータのキー値に関するハッシュ値を要素とする第５のベクトルを作成する第２の作成手順と、
    前記第３のベクトルと前記第４のベクトルと前記第５のベクトルとを前記第１の情報処理装置に送信する第１の送信手順と、を実行し、
    前記第１の情報処理装置が、
    前記第３のベクトルと前記第４のベクトルと前記第５のベクトルとを受信すると、各ｉに対して、前記第５のベクトルのｉ番目の要素のハッシュ値と前記第３のベクトルのｊ番目の要素の値とが一致するｊを探し、前記ｊが見つかった場合は前記第４のベクトルのｊ番目の要素の値の暗号文をｉ番目の要素、前記ｊが見つからなかった場合はダミー値の暗号文をｉ番目の要素とする暗号化データを作成する第３の作成手順と、
    前記暗号化データを前記第２の情報処理装置に送信する第２の送信手順と、
    を実行するセキュア結合方法。
  6. コンピュータを、請求項１又は２に記載のセキュア結合システムに含まれる第１の情報処理装置若しくは第２の情報処理装置として機能させるプログラム。
JP2023522153A 2021-05-21 2021-05-21 セキュア結合システム、情報処理装置、セキュア結合方法、及びプログラム Active JP7540591B2 (ja)

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