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可搜索加密

2022-09-08 10:33:43  阅读:171  来源: 互联网

标签:加密 Encryption 关键字 搜索 服务器 文档


1. 可搜索加密
可搜索加密
Searchable Encryption, SE

当数据存储在一个不可信的服务器时,为了让服务器不能够了解到数据内容,需要对数据加密后再存储。为了实现在加密后的数据上进行关键词检索,提出了可搜索加密的思想。

可搜索加密最初的提出者Song等人[1]设想了这样一个场景:假设Alice有一些文档,存储在一个不可信服务器Bob上。因为Bob是不可信的,Alice希望只在Bob上存储加密过的文档。每个文档都可以被分成单词,每个单词可以是等长或者不等长的。因为Alice和服务器Bob之间通信带宽可能比较低,她在对文档进行检索时,希望只获得包含某个特定关键字w的一部分文档。为了达到这个目标,设计了这样一个方案,Bob可以在密文上进行某种计算,并且只返回可能包含关键字w的文档,而无法获得除此之外的其他信息。关键在于,未获得数据拥有者Alice授权的其他用户不能够知道任何关于文件明文的知识。

对称可搜索加密
SE分为两种:对称可搜索加密(Symmetric Searchable Encryption, SSE)和非对称可搜索加密(Asymmetric Searchable Encryption, ASE),后者也称公钥可搜索加密(Public Key Encryption With Searching, PEKS)。两者的区别在于前者使用对称加密算法,加密和解密的密钥一样;后者使用非对称加密算法。

SSE相比于ASE,优势在于计算开销小、算法简单、速度快。通常使用在单用户模型中,检索方和数据拥有者是同一个。

动态可搜索加密
Dynamic Searchable Encryption, DSE

指用户可以动态地对存储在服务器上的密文文档进行更新(update)。更新操作包括两种:添加(add)和删除(delete)。不过需要注意的是,很多方案在实现删除时,并不是真的把要删除的文档从服务器移除了,而只是把删除的文档添加到另一个实例(instance)里,这个实例称作删除实例。

陷门
Trapdoor

在使用了可搜索加密技术的情况下,用户在向服务器提交搜索申请时如果直接提交关键字的明文,就违背了这项技术的初衷:不泄露任何关于明文的消息。因此,SE中并不是直接把关键字提交给服务器,而是对关键字进行“加密”后再提交上去。加密后的关键字是称作陷门,这种在查询关键字时提交的陷门也叫做检索陷门

在动态可搜索加密加密中,还有另一种陷门:更新陷门,是在进行更新操作时提交的陷门。包含了更新操作(add / del,分别指插入和删除),关键字w和文档ind。

穿刺加密
puncturable encryption, PE

是前向安全公钥加密(forward secure public key encryption)的一种变体,可以支持对单个消息的细粒度撤销。核心思想在于使用标记(tag)。消息用一组tag加密,穿刺算法使用某个tag更新密钥,使得新的密钥能够解密所有不包含该tag的密文。

形式化的定义如下:

一个在消息空间M和标记空间T上的穿刺公钥加密方案是一个算法四元组(KeyGen, Encrypt, Puncture, Decrypt),每个算法定义如下:

KeyGen(1^λ): 输入安全参数λ,输出公钥PK和最初的密钥。

Encrypt(PK, m, t): 输入公钥PK、消息m∈M和标记t∈T,输出对应的密文CT。

Puncture(, t): 输入密钥和标记t,输出一个新的密钥,它能够解密所有密钥能够解密的,除了那些使用标记t加密的密文。

Decrypt(, CT, t): 输入密钥,密文CT和标记t,解密成功输出明文m,否则输出⊥。

正确性:如果使用没有被标记t穿刺的密钥SK去解密被t加密的消息m,则一定能够输出明文m。

安全性
前向安全
forward privacy / forward security

通俗来说,前向安全是指更新操作不会泄露之前的查询的信息,也就是说,服务器不知道更新的关键字是否在之前被查询过。

形式化的定义来自论文[2],如下图所示:

 

这个定义意味着,更新时泄露的信息只能严格包含操作类型、文件标识符和文件大小,而没有任何其他的信息。

与之相对的是后向安全。

后向安全
backward privacy / backward security

简单来说,是指如果一个关键字/文档对(w, ind)已经被删除,那么之后的在关键字w上进行的搜索都不能包含这个ind。形式化的定义如下图:

 

针对后向安全的SE方案很少,大部分方案都专注于前向安全,因为目前来说还没有发现不满足后向安全的方案有什么安全隐患,但不满足前向安全的隐患则很大。

文件注入攻击
file-injection attack

张等人提出的概念[3],是一个相当有效的攻击方式。核心思想在于,连接(link)用户过去提交的搜索令牌和新提交的文件,以此恢复出用户提交的关键字,推测文档内容。具有前向安全也就意味着能够抵抗文件注入攻击。

统计推理攻击
statistical inference attack

Islam等人提出的概念,意味着敌手能够通过统计用户提交的搜索和访问操作,以及其他一些信息——比如关键字搜索返回的文件大小,与公开或已知的数据库进行比对,从中恢复出一些关键信息。这种攻击对方案的安全性要求更高。

一般来说,抵抗统计推理攻击常用的技术是隐藏返回结果(result pattern hiding),这有两种常用的方法:填充(fill)和分区(partition)。填充是指对搜索结果进行填充,让结果看起来一样长;分区则是把文档按照关键字分区,每次返回对应分区的结果。

2. 不经意随机访问机
oblivious read access machine, ORAM

ORAM被提出的目的是为了隐藏用户的访问模式,混淆真实访问和随机访问,从而保护数据安全。它通过将用户的一个访问转换成多个访问,模糊用户具体的访问模式,从而很好地保护访问数据块的位置、数据块请求的顺序、对相同数据块的访问频率、具体的访问方式。用在SE中,意味着可以确保两次访问操作不会产生关联,因此达到了前向安全。ORAM并不是本文的重点,之后如果有使用ORAM的方案,我会再进行详细介绍。可以参考文章ORAM简介_c630843901的博客-CSDN博客和不经意随机访问机研究综述 (jos.org.cn)。

3. 同态加密
Homomorphic Encryption, HE

其实以下几个概念都跟可搜索加密关联不太大,不过有一些相似性,所以也写在这里。

同态加密是允许服务器在密文上进行计算的技术。用户把加密的输入提交到服务器,服务器直接在密文上进行计算后把结果返回给用户,用户解密后可以得到正确答案。

4. 不经意传输
Oblivious Transfer, OT

发送者每次发送两个或多个信息,接收者从中选择一个进行接收。保证发送者无法知道接收者获得了什么消息。

5. 匿踪查询
Private Information Retrieval, PIR

查询方在不泄露查询对象关键词的情况下提交查询,服务器提供与关键词匹配的查询结果,但无法知道结果具体对应哪个查询对象。使用不对称加密、不经意传输等技术。

参考文献
[1] Practical Techniques for Searches on Encrypted Data, D X Song. et al. IEEE Symposium on Security and Privacy, 2000

[2] Forward and Backward Private Searchable Encryption from Constrained Cryptographic Primitives, Bost R. et al. CCS 2017

[3] All Your Queries Are Belong to Us: The Power of File-Injection Attacks on Searchable Encryption, Y. Zhang et al., USENIX Security 2016

标签:加密,Encryption,关键字,搜索,服务器,文档
来源: https://www.cnblogs.com/Janly/p/16668548.html

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