具有隱私保護的外包數(shù)據(jù)庫合計查詢方案

蔣亞軍 ，楊 波，張明武，陳旭日

(1. 華南農(nóng)業(yè)大學 信息學院，廣東 廣州，510642；2. 湖南科技學院 計算機與通信工程系，湖南 永州，425100；3. 上海大學 計算機工程與科學學院，上海，200072)

隨著計算機網(wǎng)絡技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)庫外包已成為一個重要的發(fā)展趨勢。數(shù)據(jù)所有者將數(shù)據(jù)管理業(yè)務委托給第三方服務提供者，服務提供者提供軟硬件和網(wǎng)絡資源，為數(shù)據(jù)所有者及用戶提供遠程的數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建、存儲、更新和查詢等數(shù)據(jù)管理服務，從而優(yōu)化數(shù)據(jù)所有者的資源配置，降低軟硬件投資成本，減輕管理和維護任務[1-2]。然而，由于第三方服務提供者并非完全可信，因此，數(shù)據(jù)的隱私性和安全性已成為數(shù)據(jù)庫外包系統(tǒng)中一個重點關(guān)注的問題。大型數(shù)據(jù)庫中合計查詢是一項非常頻繁和重要的操作，而外包數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的合計查詢除了要求得到正確的查詢結(jié)果外，還要保護查詢過程中數(shù)據(jù)的隱私和安全。近年來，許多外包數(shù)據(jù)庫查詢方法利用數(shù)據(jù)加密隱藏外包數(shù)據(jù)[3-7]，然而，數(shù)據(jù)加解密的計算復雜性增加了計算和通信代價，因而效率不高。而通過秘密共享實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫外包，并對外包數(shù)據(jù)進行隱私保護計算[2,8-10]，避免了數(shù)據(jù)加解密，極大地提高了計算效率，目前已成為外包數(shù)據(jù)庫查詢方法研究中的熱點。在此，本文作者提出一種基于秘密共享的合計查詢方案，利用Mignotte秘密共享方案將數(shù)據(jù)庫外包給服務提供者，服務提供者根據(jù)用戶提出的合計查詢要求，在不泄露外包數(shù)據(jù)的前提下協(xié)同計算查詢結(jié)果并將之響應給用戶，用戶在信賴數(shù)據(jù)所有者的前提下，根據(jù)數(shù)據(jù)所有者對數(shù)據(jù)項的承諾和生成的 Merkle哈希樹對查詢結(jié)果進行驗證。

1 基礎知識

1.1 Mignotte秘密共享方案

Mignotte秘密共享方案[11-12]是通過中國剩余定理將秘密x讓m個用戶共享，由其中任意k個用戶能夠恢復秘密x，但少于k個用戶不能恢復秘密x。

設m為大于2的正整數(shù)，2≤k≤m，選擇m個兩兩互質(zhì)的正整數(shù) d1, d2, …, dm(d1＜d2＜…＜dm)，令，要求 β ＜x＜α。方案描述如下：

1.2 Pedersen承諾方案

Pedersen承諾方案[13]包括承諾者和驗證者兩方，雙方商定 g ∈ Gq， h ∈ Gq，且 lo ggh 未知。承諾者隨機選擇隨機數(shù) r ∈ Zq，其對 x ∈ Zq的承諾為 Cr(x)=gxhr∈ G 。驗證者不能從Cr中得到任何x的消息，而承諾者不能謊稱Cr為x′的承諾，這里 x ≠ x'。

1.3 Merkle哈希樹

Merkle哈希樹[14]是一個二叉樹，給定向量=(,… ,xn)，F(xiàn)(·)為公開的單向哈希函數(shù)，定義結(jié)點函數(shù)H(i,j,)如下：

2 本文方案

在外包數(shù)據(jù)庫模型中有3個實體：數(shù)據(jù)所有者、服務提供者和用戶，這些實體的角色如下所述。

(1) 數(shù)據(jù)所有者創(chuàng)建和維護數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)項進行承諾，產(chǎn)生和維護Merkle哈希樹，并將數(shù)據(jù)庫外包給服務提供者；數(shù)據(jù)所有者的符號為DO。

(2) 服務提供者負責外包數(shù)據(jù)庫的存儲和管理，響應用戶查詢；本文方案中假設有m個服務提供者，符號為SP1, SP2, …, SPm。

(3) 用戶通過服務提供者進行查詢，并通過數(shù)據(jù)所有者對數(shù)據(jù)項的承諾和產(chǎn)生的 Merkle哈希樹驗證查詢結(jié)果的正確性；用戶的符號為U。

數(shù)據(jù)所有者、服務提供者和用戶三者的關(guān)系如圖1所示。

圖1 外包數(shù)據(jù)庫模型Fig.1 Outsourced database model

為簡化描述，假設數(shù)據(jù)庫D為n行1列，且每個數(shù)據(jù)項為正整數(shù)，設D=(x1, …, xn)(其中，β＜xi＜α，1≤i≤n)，且 。方案分為承諾、分配、查詢、響應和驗證5個階段。下面以用戶提出的求和查詢?yōu)槔M行闡述。

2.1 承諾階段

在承諾階段，數(shù)據(jù)所有者完成對數(shù)據(jù)的承諾，并根據(jù)承諾產(chǎn)生Merkle哈希樹。設數(shù)據(jù)所有者選擇公共參數(shù)g和h， g ∈ Gq， h ∈ Gq，然后對各數(shù)據(jù)項承諾：c1= Cr1(x1)， c2= Cr2(x2)，…， cn= Crn(xn)。令向量=(c1, c2, …, cn)，數(shù)據(jù)所有者根據(jù)向量產(chǎn)生Merkle哈希樹。設數(shù)據(jù)所有者的公開鑰和秘密鑰分別為pk和sk，則數(shù)據(jù)所有者利用自己的秘密鑰sk對根結(jié)點簽名為sigsk(H (1 ,n,，并將和sigsk(H ( 1,n,廣播給所有服務提供者。

2.2 分配階段

在分配階段，數(shù)據(jù)所有者將數(shù)據(jù)庫外包給m個服務提供者。對于每個數(shù)據(jù)項xi和相應的隨機數(shù)ri，服務提供者SPj的共享為yij和zij。其中：

2.3 查詢階段

在查詢階段，用戶向服務提供者發(fā)出查詢請求。設用戶向服務提供者SP1提出求和的請求S?{1 ,2,…,n}，SP1則向其余任意的k-1個服務提供者發(fā)出合作求和的請求。

2.4 響應階段

在響應階段，k個服務提供者在保證各自共享隱私的前提下協(xié)同計算查詢結(jié)果，并將之響應給用戶。設Ω是k個服務提供者的聯(lián)盟(包括SP1)，它們共同計算XS。其中任意服務提供者SPj中，j∈Ω，Ω?{1,2,…,m}。

(1) Ω中每一個服務提供者SPj計算：

然后，SPj將傳送至SP1。

(2) SP1收集其他k-1個后，計算：

(3) 服務提供者 SP1將 XS，RS，C和sigsk(H ( 1,n傳送至用戶。

2.5 驗證階段

在驗證階段，用戶在不知道數(shù)據(jù)庫D的數(shù)據(jù)項和服務提供者獲得的共享的前提下驗證XS。

3 方案分析

3.1 正確性分析

因此，XS可通過求Ω中每個服務提供者的而獲得，即響應階段中的求和 XS是正確的。顯然，相對應的平均值為： ||/SXS(其中 ||S為集合S中元素個數(shù))。

3.2 隱私性和安全性分析

定理1 半誠實的服務提供者的共享對于其他服務提供者具有隱私保護。

證明 在SP1與其他k-1個服務提供者協(xié)同計算求和時，是通過求Ω中每個服務提供者的而獲得，而，因此，SP1無法從中分離出uij，其他k-1個服務提供者的共享具有隱私性。

定理2 本文方案面對k-1個惡意服務提供者共謀時，數(shù)據(jù)在計算上是安全的。

證明 當k-1個服務提供者勾結(jié)時，這k-1個服務者設為 S Pj1,SPj2,… ,S Pjk-1。如果它們想用其共享恢復 xi時，根據(jù)Mignotte秘密共享方案，可以求得1個唯 一 值(dj1dj2… djk-1)， 并 且 xi=xi'm oddj1dj2…djk-1，這意味著在[β,α]上至少有c=個值有可能是x(其中，“[ ]”表示取整)。假i如c足夠大(例如c=106)，則 xi在計算上是安全的，即保證了數(shù)據(jù)的隱私性。

定理 3 惡意的服務提供者在多項式時間里不能生成一個有效的查詢結(jié)果。

證明 惡意服務提供者要想在多項式時間里生成一個有效的查詢結(jié)果，必須滿足如下情形之一：

(3) 仿造數(shù)據(jù)所有者對一個新的Merkle哈希樹進行簽名。

對于情形(1)，由Pedersen承諾方案在計算上是不可實現(xiàn)的；對于情形(2)，由于)(·F為單向哈希函數(shù)，是無沖突的，因此，在計算上也是不可實現(xiàn)的；對于情形(3)，由公鑰加密機制原理要仿造數(shù)字簽名在計算上也是不可實現(xiàn)的。這個定理保證了數(shù)據(jù)的完整性。

3.3 效率分析

采用本文方案所得計算復雜度與文獻[10]中各參與方的計算復雜度比較結(jié)果如表1所示，其中：本文方案中數(shù)據(jù)庫所有者的計算復雜度為o(nm)，文獻[10]中數(shù)據(jù)庫所有者的計算復雜度為o(nmk)；本文方案的服務提供者SP1的計算復雜度為o(k)，文獻[10]中服務提供者SP1的計算復雜度為o(k2)。顯然，由于本文方案使用Mignotte秘密共享方案外包數(shù)據(jù)庫并計算查詢結(jié)果，與文獻[10]中利用Shamir秘密共享方案相比，在數(shù)據(jù)庫外包和查詢計算等方面具有更高的效率。

表1 本文方案與文獻[10]中各參與方的計算復雜度Table1 Computational complexity of all involved parties in this paper and Ref.[10]

4 結(jié)論

(1) 提出了一種具有隱私保護的外包數(shù)據(jù)庫合計查詢方案。該方案利用Mignotte秘密共享方案進行數(shù)據(jù)外包，服務提供者在不能獲得彼此外包數(shù)據(jù)的前提下協(xié)同計算查詢結(jié)果并將之響應給用戶。用戶可以根據(jù)數(shù)據(jù)所有者對數(shù)據(jù)項的 Pedersen承諾和生成的Merkle哈希樹對結(jié)果進行驗證。

(2) 所提出的方案可以保護數(shù)據(jù)項和中間結(jié)果的隱私性和安全性，在數(shù)據(jù)庫外包和查詢計算等方面具有更高的效率。

(3) 在外包數(shù)據(jù)庫查詢方案中，結(jié)果驗證是重要的組成部分，結(jié)果驗證效率直接影響著整個方案的效率。將來的工作是對查詢結(jié)果驗證方法進行改進，以降低計算復雜度，進一步提高查詢方案的效率。

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