基于同態(tài)加密技術(shù)的云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)策略

黃琪 王大帝 蔡啟煌

摘 要：現(xiàn)有的云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)策略不能同時(shí)兼?zhèn)鋽?shù)據(jù)加密和數(shù)據(jù)檢索更新等功能，本文在深入研究同態(tài)加密技術(shù)的理論后，提出了基于同態(tài)加密技術(shù)的云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)策略。該策略可以實(shí)現(xiàn)在不解密的情況下對(duì)密文信息進(jìn)行檢索、更新等操作，既保證了云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性和保密性，又增強(qiáng)了密文信息操作的方便性和易用性。同態(tài)加密技術(shù)支持對(duì)密文的檢索運(yùn)算，可以解決傳統(tǒng)密文存儲(chǔ)策略不能及時(shí)有效地完成數(shù)據(jù)更新問題。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算;云數(shù)據(jù);同態(tài)加密;存儲(chǔ);安全

中圖分類號(hào)：TP333 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）03-0043-04

0 引言

云存儲(chǔ)是云計(jì)算的一種重要服務(wù)模式，它允許用戶將本地?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到云中，節(jié)省了用戶本地的存儲(chǔ)空間。雖然如此，仍由很多用戶不愿意使用云存儲(chǔ)服務(wù)，其根本原因在于云存儲(chǔ)的安全性不能得到有效的保護(hù)。云存儲(chǔ)的安全問題主要有云服務(wù)商不可信任、數(shù)據(jù)控制權(quán)與所有權(quán)分離、數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)操作復(fù)雜以及數(shù)據(jù)保密等。本文是對(duì)云數(shù)據(jù)安全存儲(chǔ)和便利操作問題研究提出的一種新型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)策略。

1 常見的云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)策略

云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)策略有很多種，根據(jù)云數(shù)據(jù)是否加密存儲(chǔ)，云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)策略可分為兩類，即明文存儲(chǔ)和密文存儲(chǔ)。

1.1 明文存儲(chǔ)

明文存儲(chǔ)策略是指云數(shù)據(jù)不經(jīng)加密直接存放在云數(shù)據(jù)中心。明文存儲(chǔ)具有檢索方便、高效等特點(diǎn)。但是由于數(shù)據(jù)以明文的形式存放在云端，一旦非法用戶獲取登錄權(quán)限，就可以獲取全部的數(shù)據(jù)信息，因而數(shù)據(jù)安全性不能得到保證。

1.2 密文存儲(chǔ)

密文存儲(chǔ)策略是指將數(shù)據(jù)信息經(jīng)過加密后存放在云端，一旦用戶需要某項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，可以通過密文傳輸?shù)姆绞絺魉偷接脩籼帲⒂枰越饷堋Ｅc明文存儲(chǔ)策略相比，密文存儲(chǔ)策略的安全性極大的加強(qiáng)了，但是由于云間數(shù)據(jù)都是采用密文格式存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)檢索比較復(fù)雜，效率降低。

如圖1中（a）所示，在密文存儲(chǔ)策略中，用戶A和用戶B的數(shù)據(jù)都是采用加密的形式存儲(chǔ)在云端。當(dāng)用戶A請(qǐng)求獲得用戶B中的數(shù)據(jù)，首先要向云數(shù)據(jù)中心提出請(qǐng)求，然后云數(shù)據(jù)中心將加密數(shù)據(jù)解密獲得明文，在明文數(shù)據(jù)庫中找到用戶A需要的數(shù)據(jù)，最后再從用戶B處提取數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶A。

采用密文存儲(chǔ)策略雖然有效的保護(hù)了云間的數(shù)據(jù)安全，但是檢索效率極為低下。雖然云計(jì)算具有超級(jí)計(jì)算能力，但是這種每次請(qǐng)求信息都要進(jìn)行加解密運(yùn)算，極大的浪費(fèi)了云中計(jì)算資源，而且這種密文存儲(chǔ)策略也是有風(fēng)險(xiǎn)的，當(dāng)云數(shù)據(jù)中心進(jìn)行解密時(shí)，生成的暫時(shí)明文數(shù)據(jù)庫，也有被非法用戶竊取的風(fēng)險(xiǎn)。

為了提高密文存儲(chǔ)策略，研究者又提出了基于關(guān)鍵詞的密文存儲(chǔ)策略。基于關(guān)鍵詞的密文存儲(chǔ)策略是在原有的密文存儲(chǔ)策略中添加關(guān)鍵詞數(shù)據(jù)庫，云數(shù)據(jù)同樣是采用密文的格式存儲(chǔ)，但在數(shù)據(jù)中心增加關(guān)鍵詞數(shù)據(jù)庫，以明文格式存儲(chǔ)，關(guān)鍵詞與密文存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息建立對(duì)應(yīng)關(guān)系（倒排記錄）。

如圖1（b）所示，在基于關(guān)鍵詞的密文存儲(chǔ)策略中，當(dāng)用戶檢索數(shù)據(jù)信息時(shí)，先向數(shù)據(jù)中心發(fā)送檢索請(qǐng)求，數(shù)據(jù)中心在接收請(qǐng)求后，從關(guān)鍵詞數(shù)據(jù)庫中檢索，最后將符合要求的密文數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給請(qǐng)求用戶。基于關(guān)鍵詞的密文存儲(chǔ)策略雖然不再需要對(duì)密文數(shù)據(jù)庫進(jìn)行解密，計(jì)算效率有所提高，但是僅對(duì)關(guān)鍵詞檢索性的能不夠好，效率不高。

由于現(xiàn)有的密文存儲(chǔ)策略不支持對(duì)密文直接運(yùn)算操作，因此數(shù)據(jù)更新也是一個(gè)比較復(fù)雜的過程。如圖2所示，在密文存儲(chǔ)策略中對(duì)數(shù)據(jù)更新，首先要將數(shù)據(jù)解密，然后對(duì)明文數(shù)據(jù)進(jìn)行更新操作，最后再將數(shù)據(jù)重新加密存儲(chǔ)，并刪除原有的密文數(shù)據(jù)。

2 同態(tài)加密技術(shù)

2.1 同態(tài)加密理論

同態(tài)加密（Homomorphic Encryption）的概念是由Rivest、Adleman和Dertouzos在1978年提出的。同態(tài)加密技術(shù)具有零知識(shí)證明特征，不需要對(duì)密文信息解密而直接對(duì)密文進(jìn)行數(shù)據(jù)操作運(yùn)算，在完成數(shù)據(jù)檢索運(yùn)算功能的同時(shí)，保證了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全的保密性。

定義1（同態(tài)加密）.同態(tài)加密又稱為隱私同態(tài)，它是一種允許對(duì)密文進(jìn)行特定代數(shù)運(yùn)算得到的結(jié)果與對(duì)明文進(jìn)行同樣運(yùn)算后再進(jìn)行加密得到的結(jié)果一致的加密體制。

定義2（加法同態(tài)）.設(shè)明文經(jīng)過加密后生成密文，即，若對(duì)明文和密文分別進(jìn)行加法運(yùn)算，且滿足，則稱該加密算法為加法同態(tài)加密算法。

定義3（乘法同態(tài)）.設(shè)明文經(jīng)過加密后生成密文，即，若對(duì)明文和密文分別進(jìn)行加乘法運(yùn)算，且滿足，則稱該加密算法為乘法同態(tài)加密算法。

定義4（全同態(tài)）.一個(gè)加密算法如果既是加法同態(tài)，又是乘法同態(tài)的，則該算法稱為全同態(tài)加密算法。

定義5（同態(tài)加密方案）.同態(tài)加密方案通常由密鑰生成、加密、解密和評(píng)估算法組成，即HE=（KeyGen，Enc，Dec，Eval）。

（1）密鑰生成算法KeyGen：（pk，sk，evk）←KeyGen（k），k為安全參數(shù)。KenGen算法根據(jù)安全參數(shù)k為用戶生成公共密鑰pk、私有密鑰sk和評(píng)估密鑰evk。

（2）加密算法Enc：。加密算法根據(jù)明文和公共密鑰pk生成密文c。

（3）解密算法Dec：。解密算法通過私有密鑰sk將密文c解密，生成解密信息。

（4）評(píng)估算法Eval：，其中為評(píng)估函數(shù)，為密文，評(píng)估算法Eval根據(jù)評(píng)估密鑰evk，評(píng)估函數(shù)對(duì)密文進(jìn)行評(píng)估運(yùn)算生成評(píng)估密文，當(dāng)時(shí)，則可以判定該算法具有函數(shù)性質(zhì)的同態(tài)算法。如為加法運(yùn)算，則該加密算法為加法同態(tài)。

2.2 同態(tài)加密技術(shù)在云存儲(chǔ)中應(yīng)用的可行性

云存儲(chǔ)是指通過集群應(yīng)用、網(wǎng)格計(jì)算或分布式文件系統(tǒng)等功能，將網(wǎng)絡(luò)中大量各種不同類型的存儲(chǔ)設(shè)備通過應(yīng)用軟件集合起來協(xié)同工作，共同對(duì)外提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和業(yè)務(wù)訪問功能的服務(wù)系統(tǒng)。為了保證云中數(shù)據(jù)的保密性和安全性，通常采用數(shù)據(jù)加密技術(shù)將云數(shù)據(jù)加密，使不具有數(shù)據(jù)訪問權(quán)限的用戶無法讀取、檢索和修改云數(shù)據(jù)。但是，傳統(tǒng)的加密技術(shù)雖然能夠保證數(shù)據(jù)的安全性，但無法對(duì)密文信息進(jìn)行直接檢索、修改、更新等操作，因而極大的降低了云數(shù)據(jù)的使用效率。

同態(tài)加密能夠在不解密的前提下對(duì)密文數(shù)據(jù)進(jìn)行操作運(yùn)算，既增強(qiáng)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性，也簡(jiǎn)化了密文數(shù)據(jù)操作流程，因而得到研究者的廣泛關(guān)注。2009年IBM研究員Gentry在參考文獻(xiàn)[2]中提出基于理想格的全同態(tài)加密方案，為同態(tài)加密研究提供了新的思路。現(xiàn)有的研究工作多是在該基礎(chǔ)上展開的。2010年Maten、Gentry等人在參考文獻(xiàn)[3]中又進(jìn)一步提出了整數(shù)上的全同態(tài)加密方案。2011年湯殿華等在參考文獻(xiàn)[4]中提出了以減少公鑰尺寸、加快計(jì)算速度的改進(jìn)方案。2011年黃汝維等在參考文獻(xiàn)[5]中提出了將同態(tài)加密應(yīng)用于云環(huán)境中的加密算法。

目前同態(tài)加密技術(shù)還處于研究階段，雖然Gentry等人提出了相應(yīng)的同態(tài)加密算法，但是其算法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、計(jì)算量大，因而在普通網(wǎng)絡(luò)環(huán)境很難得到應(yīng)用。但是，由于云計(jì)算具有自助服務(wù)、資源共享、超大規(guī)模、虛擬化、高擴(kuò)展性、高可靠性、通用性、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，因此可以將云計(jì)算環(huán)境中空閑的計(jì)算設(shè)備通過虛擬技術(shù)抽象為一個(gè)超級(jí)計(jì)算服務(wù)器運(yùn)行同態(tài)加密算法提供加密服務(wù)，因而同態(tài)加密技術(shù)可以在云計(jì)算環(huán)境中得到有效應(yīng)用。黃汝維等在參考文獻(xiàn)[5]中已經(jīng)提出了基于云計(jì)算環(huán)境的同態(tài)加密方案CESVMC，并通過實(shí)驗(yàn)證明其加密性能和密文計(jì)算性能。

3 基于同態(tài)加密技術(shù)的云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)策略

3.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

基于同態(tài)加密技術(shù)的云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用非對(duì)稱加密機(jī)制，利用云服務(wù)提供商提供的公共密鑰和同態(tài)加密算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，然后通過密文傳輸提交給云數(shù)據(jù)中心，云數(shù)據(jù)中心將云用戶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到云環(huán)境中的存儲(chǔ)設(shè)備。在云數(shù)據(jù)加密存儲(chǔ)中，私有密鑰僅為數(shù)據(jù)屬主的云用戶所有，因此在整個(gè)云環(huán)境中只有數(shù)據(jù)屬主用戶才可以對(duì)數(shù)據(jù)解密。

如圖3所示，云用戶A將本地?cái)?shù)據(jù)通過加密生成密文信息并傳送到云端，云服務(wù)提供商的數(shù)據(jù)中心將用戶A的密文數(shù)據(jù)分發(fā)到可利用的云間存儲(chǔ)設(shè)備B、C、D三處，在B、C、D三處的存儲(chǔ)設(shè)備中存儲(chǔ)用戶A的數(shù)據(jù)都是密文數(shù)據(jù)，因而B、C、D三方無法讀取獲得存儲(chǔ)在其存儲(chǔ)設(shè)備中的數(shù)據(jù)信息，不僅B、C、D不能讀取A用戶的數(shù)據(jù)信息，而且連負(fù)責(zé)分發(fā)數(shù)據(jù)的云數(shù)據(jù)中心也無法獲得A提交數(shù)據(jù)的真實(shí)內(nèi)容。

基于同態(tài)加密技術(shù)的云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過程中，用戶將本地?cái)?shù)據(jù)加密后傳送給云數(shù)據(jù)中心，在整個(gè)云計(jì)算環(huán)境中，云數(shù)據(jù)中心都是對(duì)密文信息進(jìn)行傳輸、存儲(chǔ)、檢索、更新和計(jì)算的，因此保證了云數(shù)據(jù)的保密性。

由于數(shù)據(jù)在云環(huán)境中是以密文形式呈現(xiàn)的，因此即使數(shù)據(jù)被非法用戶竊聽截獲，也不會(huì)泄露數(shù)據(jù)信息。采用非對(duì)稱加密機(jī)制的數(shù)據(jù)加密策略，解密私鑰僅為數(shù)據(jù)所有，數(shù)據(jù)的控制管理者云服務(wù)提供商也不能破解數(shù)據(jù)信息，從而避免了第三方服務(wù)商不能切實(shí)履行信托責(zé)任的監(jiān)守自盜行為。

3.2 數(shù)據(jù)檢索

基于同態(tài)加密技術(shù)的云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)策略與傳統(tǒng)的密文存儲(chǔ)策略相比，最突出的優(yōu)點(diǎn)就是允許對(duì)密文信息進(jìn)行直接操作。經(jīng)過加密存儲(chǔ)在云環(huán)境中的數(shù)據(jù)信息可以不經(jīng)解密，直接執(zhí)行檢索、更新等操作，既方便用戶的數(shù)據(jù)操作需求，也提高了數(shù)據(jù)計(jì)算的效率。

圖4是基于同態(tài)加密技術(shù)的云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)策略的數(shù)據(jù)檢索過程示意圖。在圖4中，云用戶A、B、C、D、E、F、G、H等通過云端加密服務(wù)器將數(shù)據(jù)進(jìn)行加密后傳送給云數(shù)據(jù)中心，云數(shù)據(jù)中心將密文數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到云間可用存儲(chǔ)設(shè)備中。

當(dāng)用戶A向云數(shù)據(jù)中心請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)，云數(shù)據(jù)中心直接對(duì)密文進(jìn)行檢索計(jì)算，其檢索步驟如下所示：

Step1：請(qǐng)求用戶A向云數(shù)據(jù)中心提交“數(shù)據(jù)請(qǐng)求”;

Step2：數(shù)據(jù)中心在接收到“數(shù)據(jù)請(qǐng)求”后，執(zhí)行以下步驟：

Step2.1：對(duì)請(qǐng)求的數(shù)據(jù)m進(jìn)行加密，生成密文c;

Step2.2：對(duì)密文c進(jìn)行檢索運(yùn)算;

Step2.3：生成檢索報(bào)告提交給數(shù)據(jù)中心;

Step3：云數(shù)據(jù)中心根據(jù)“檢索報(bào)告”向請(qǐng)求用戶A發(fā)送“回復(fù)”信息，告知其所需數(shù)據(jù)為用戶G所有，需要獲得用戶G的授權(quán);

Step4：請(qǐng)求用戶A在收到數(shù)據(jù)中心的“回復(fù)”后，直接與用戶G取得聯(lián)系，發(fā)送“數(shù)據(jù)請(qǐng)求”。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)加密存儲(chǔ)策略由于不允許對(duì)密文數(shù)據(jù)的直接操作，因此其檢索過程通常比較復(fù)雜，耗時(shí)時(shí)間長(zhǎng)且效率低;而基于同態(tài)加密技術(shù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)策略在不解密的情況下對(duì)密文信息進(jìn)行直接操作，過程簡(jiǎn)單、耗時(shí)時(shí)間短且效率高。

3.3 數(shù)據(jù)更新

傳統(tǒng)加密存儲(chǔ)策略中數(shù)據(jù)更新的過程極為復(fù)雜，首先要對(duì)明文信息進(jìn)行更新，然后將更新后的明文再次加密存儲(chǔ)，最后將原有的過期明文刪除。而基于同態(tài)加密技術(shù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)策略由于允許對(duì)密文數(shù)據(jù)直接操作，其數(shù)據(jù)更新過程非常簡(jiǎn)單，只需要對(duì)相應(yīng)的密文信息直接更新即可。

如圖5所示的數(shù)據(jù)更新流程中，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)加密存儲(chǔ)策略的數(shù)據(jù)更新過程除了要對(duì)明文進(jìn)行更新操作外，還要進(jìn)行“新明文加密”和“舊密文刪除”等輔助操作，過程復(fù)雜、耗時(shí)時(shí)間長(zhǎng)，而基于同態(tài)加密技術(shù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)策略的更新過程只需要直接對(duì)密文數(shù)據(jù)進(jìn)行更新操作即可，過程簡(jiǎn)單、耗時(shí)時(shí)間少。

4 結(jié)語

本文是針對(duì)密文存儲(chǔ)中密文直接操作問題提出的解決方案。同態(tài)加密技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)密文數(shù)據(jù)的直接操作，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)檢索、更新的操作過程，節(jié)省了執(zhí)行時(shí)間，提高了運(yùn)行效率。雖然現(xiàn)有的同態(tài)加密技術(shù)的實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，所需計(jì)算資源比較大，但是由于云計(jì)算具有超大規(guī)模、超強(qiáng)計(jì)算能力的特征，正好彌補(bǔ)了同態(tài)加密技術(shù)的不足，因此基于同態(tài)加密技術(shù)的云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)將有比較廣闊的應(yīng)用空間。

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