基于代理重加密的云計算數(shù)據(jù)共享方案

陳陽陽

摘要： 云計算中的信息數(shù)據(jù)風(fēng)險傳播保護問題極大地影響了云計算各類產(chǎn)品的發(fā)展速度，而這種在用戶端加密的體制下，對于數(shù)據(jù)共享來說極其不便，用戶過于頻繁的獲得和釋放授權(quán)將使得用戶端數(shù)據(jù)加解密工作量大大增加。代理重加密是一個非常有用的密碼學(xué)工具，無需對密文進行解密，代理者就可以通過一些額外信息將密文轉(zhuǎn)化成授權(quán)者可以解密的密文，同時也確保代理者不能了解該明文的任何信息?？梢姶碇丶用艿奶厥庑再|(zhì)特別適合于云計算中數(shù)據(jù)的安全共享，本文針對云計算數(shù)據(jù)的安全性問題，提出了一種基于代理重加密的在云計算中共享數(shù)據(jù)的應(yīng)用模型，并設(shè)計了一個安全的基于代理重加密數(shù)據(jù)間的共享方案，最后給出了方案的安全性證明和效率分析。

關(guān)鍵字：代理重加密；云計算；數(shù)據(jù)共享；安全

引言

作為一種具有廣闊發(fā)展前景的新興計算模式，云計算技術(shù)吸引了大量學(xué)術(shù)界和工業(yè)界愛好者的廣泛關(guān)注和好評。在云計算中，云上共享的資源、設(shè)施和信息可以通過云按需、便捷、快速地提供給終端設(shè)備即計算機，用戶不再需要了解“云”中基礎(chǔ)設(shè)施以及工作環(huán)境，同時對具云計算專業(yè)知識沒有過多要求，也不需要學(xué)會行控制，就能夠得到想要的結(jié)果，實現(xiàn)了計算機資源公共化、共享化，方便了社會交流，為信息管理和服務(wù)提供了一種高效的解決方案[1]。然而在當前，由全球最具有權(quán)威的IT研究與顧問咨詢公司Gartner在2009年做的調(diào)查結(jié)果中可以看出，超過70%的企業(yè)CTO認為，數(shù)據(jù)的私密性與安全性的難以得到保護是近期暫時不采用云計算的原因。與此同時大型公司爆出各種安全性事故更加劇了人們的擔憂，云計算安全問題已得到社會各行各業(yè)越來越多的關(guān)注。

代理重密碼這個概念首先Blaze等人在1998年的歐洲密碼會議上提出[2]。由于Blaze等人沒有在文章中描述具體的形式化定義以及安全模型，使得人們經(jīng)常把代理重密碼和其他一些相似性的密碼體制相混淆，因此代理重密碼的好處并沒有被人們很好地認識到。

經(jīng)過多年來人們的研究發(fā)現(xiàn)代理重加密可以在不對密文進行解密的前提下，把一個域中的密文轉(zhuǎn)換為另一個域中的密文，并且不能在未授權(quán)的情況下生成其中任何一個域中的密文，安全有效的解決了跨域操作的問題。因此代理重加密體制在安全云計算具有十分重要的理論及實踐意義。

1.相關(guān)知識

1.1云計算數(shù)據(jù)安全分析

雖然云服務(wù)對于廣大互聯(lián)網(wǎng)用戶有著不可抵抗的吸引力，但其存在的安全隱患不容忽視。對云計算的安全的定義可謂仁者見仁智者見智，一般可以理解為，確保用戶在較為穩(wěn)定和隱密的情況下在云計算中運行相應(yīng)的應(yīng)用，并且同時保證在云中存儲的數(shù)據(jù)完整性不被破壞和機密性不會泄露。通過分析不難發(fā)現(xiàn)，云計算至少在以下三個方面存在數(shù)據(jù)安全隱患。

1.特權(quán)用戶的訪問。云計算的出現(xiàn)，使得我們將數(shù)以萬計的數(shù)據(jù)存儲于云中心。同時，也給了云內(nèi)部少數(shù)別有用心的員工可乘之機。

2.數(shù)字信息被非法利用。云計算下用戶數(shù)據(jù)具有易復(fù)制、轉(zhuǎn)移方便、傳播速度快等特點，同時因為數(shù)據(jù)存放在“云”端導(dǎo)致用戶對數(shù)據(jù)不可控，由于信息的不對稱，用戶可能在不知情的情況下，存儲在“云”端的數(shù)據(jù)極容易因為私人利益、商業(yè)利益被非法利用，即使這種情況發(fā)生，用戶也不易被察覺。

3.數(shù)字信息被篡改、破壞。對于使用云計算服務(wù)的用戶來說，他們并不清楚有哪些服務(wù)器提供數(shù)據(jù)的存儲和處理，此時用戶喪失了對數(shù)據(jù)的控制。當更換服務(wù)器或者服務(wù)器或者服務(wù)器發(fā)生異常時數(shù)據(jù)是否還丟失，數(shù)據(jù)是否完整這些都是模糊的，一旦問題發(fā)生可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法恢復(fù)的風(fēng)險。

1.2代理重加密體制的思想。

代理重加密的核心思想是利用半可信的代理P，將S（任意發(fā)送者）發(fā)送給A（被代理者）的密文轉(zhuǎn)化為B（代理者）可以利用其私鑰解開的密文，但在這個轉(zhuǎn)化過程中要求代理不能得知被轉(zhuǎn)化密所對應(yīng)的明文，也不能得知A和B的私鑰。他們也初步給出了代理重加密的分類：按照可轉(zhuǎn)化的方向來說，可分為雙向代理重加密和單向代理重加密兩種；按照可轉(zhuǎn)化的次數(shù)來說，可分為單跳代理重加密和多跳代理重加密兩種。代理重加密的示意圖如圖1所示。

1.3 雙線性對

雙線性對在密碼學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，它被用于Tate對的FR攻擊和Weil對的MOV攻擊。在Joux于2000年發(fā)表他的論文之前，雙線性對一直被認為只能用于對超奇異橢圓曲線的攻擊。文章利用超奇異橢圓曲線上判定雙線性Diffie-Hellman問題易解，計算雙線性Diffie-Hellman問題難解，構(gòu)造了一個基于身份的Diffie-Hellman密鑰協(xié)商協(xié)議。2001年，Boneh等利用它構(gòu)造了著名的高效且可證明安全的基于身份的加密方案（BF方案），但方案中的安全證明模型是隨機預(yù)言機模型。Waters基于身份的簽名方案[39]的提出，解決了之前很多公開問題。

由于論文中所提方案采用了雙線性對為數(shù)學(xué)工具，下面將對雙線性映射的定義進行介紹：

定義設(shè)群 和群 分別為循環(huán)加法群和循環(huán)乘法群， 為群 的生成元， 為 、 的階。且兩個群滿足雙線性映射 ：

（1）雙線性：對于所有的 和 有 。

（2）非退化性： ，使得 。

（3）可計算性：對于任意群中元素 ，存在一個有效算法計算 。

滿足上述條件的雙線性映射稱為可接納的（Admissible）雙線性映射。在實際中，利用橢圓曲線上的Weil對或Tate對便可構(gòu)造這種可接納的雙線性映射。

2 基于代理重加密的云計算數(shù)據(jù)共享的模型設(shè)計

本節(jié)針對云計算數(shù)據(jù)的安全性問題，提出了基于代理重加密的云計算數(shù)據(jù)共享的模型.本模型由一個數(shù)據(jù)屬主、若干用戶、密鑰分發(fā)中心和數(shù)據(jù)共享服務(wù)器組成。用戶主要實現(xiàn)對秘密文件加密共享和對應(yīng)文件的授權(quán)解密密文的分發(fā)；密鑰分發(fā)中心主要對于用戶進行管理，選擇系統(tǒng)參數(shù)，給每一個用戶分配一個公私鑰對，把私鑰秘密分發(fā)給系統(tǒng)用戶，公鑰公開；數(shù)據(jù)共享服務(wù)器主要實現(xiàn)秘密文件的存儲及共享，并提供數(shù)據(jù)的完整性和魯棒性。具體描述如下：

1.系統(tǒng)初始化：由系統(tǒng)選擇系統(tǒng)參數(shù)，將公開參數(shù)公布，用作以后數(shù)據(jù)進行加密共享的計算參數(shù)。

2.密鑰生成：由可信的密鑰服務(wù)器根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)，計算用戶的公私鑰對，將公鑰公開，私鑰秘密傳送給用戶。

3.數(shù)據(jù)共享：當一個合法用戶A想將消息進行共享時，首先將明文消息進行加密，存儲于云存儲服務(wù)器中，將此部分生成的密文稱為共享密文，用戶為數(shù)據(jù)屬主。為了簡便考慮，本方案中將數(shù)據(jù)的完整性檢驗交由云存儲服務(wù)器完成。

4.數(shù)據(jù)授權(quán)：當系統(tǒng)中某個合法用戶B需要獲得該消息時，首先向數(shù)據(jù)屬主A提出請求。A判斷B是否為合法用戶，當B為合法用戶時，A首先獲取接收者Bob公鑰，用數(shù)據(jù)存儲階段的隨機數(shù)，生成另一部分密文，把它稱為授權(quán)解密密文，將其發(fā)送給用戶B。

5.數(shù)據(jù)恢復(fù)：數(shù)據(jù)接收者B利用數(shù)據(jù)共享階段的共享密文和數(shù)據(jù)授權(quán)階段數(shù)據(jù)屬主A給定的授權(quán)解密密文，利用自己的私鑰，運行解密算法，以獲得明文消息。

3 基于代理重加密的云計算數(shù)據(jù)共享的方案設(shè)計

3.1方案描述

該方案主要應(yīng)用于云計算數(shù)據(jù)共享環(huán)境中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全共享，主要由系統(tǒng)初始化、密鑰生成、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)授權(quán)、數(shù)據(jù)恢復(fù)五個過程組成。

1.系統(tǒng)初始化。由系統(tǒng)服務(wù)器完成。給定一個安全參數(shù) ，選擇階為素數(shù) 的雙線性對映射群 。隨機選擇 中的四個生成元 。選擇一個強不可偽造一次簽名體制 （Gen，Sig，Ver），選取一個目標防碰撞的散列函數(shù) 。全局參數(shù)為 。

2.密鑰生成。由密鑰生成服務(wù)器完成。某一用戶i，服務(wù)器從 中隨機選取一個元素 作為i的私鑰，計算i公鑰 。把用戶的公鑰公開，將私鑰秘密發(fā)送給各個用戶。

3.數(shù)據(jù)共享。隨機選擇一次簽名密鑰對 并且設(shè)置 。隨機選擇 及 之后計算

， ， ，

對 進行一次簽名，得到簽名值 ，輸出的共享密文

4.數(shù)據(jù)授權(quán)。當用戶向數(shù)據(jù)屬主請求數(shù)據(jù)訪問時，數(shù)據(jù)屬主判斷用戶的身份是否合法。若為不合法用戶，發(fā)送者拒絕進行數(shù)據(jù)授權(quán)操作；若合法用戶，數(shù)據(jù)屬主生成密文的另一部分，即授權(quán)解密密文。此授權(quán)解密密文生成算法的輸入是上面發(fā)送者在加密算法過程中所使用的隨機數(shù) ，接收者的公鑰 ，發(fā)送者生成授權(quán)解密密文為： 。將此授權(quán)解密密鑰傳送給接收者。

5.數(shù)據(jù)恢復(fù)。 （1）

（2）

如果式（1）式（2）不成立，則輸出 ，否則繼續(xù)一下步驟

計算 ，解析 為 ，m為 ， 為 ，并輸出m。

3.2方案的安全分析

本方案采用參考文獻第二層密文，在基于3- 弱判定型雙線性迪菲-赫爾曼求逆假設(shè)， 假設(shè)Signure是一個不可偽造的一次強簽名函數(shù)，并且群 的3- wDBDHI假設(shè)成立，那么，該方案是 CCA 安全的。該文獻已經(jīng)對第二層密文進行了詳細的安全性證明。本方案摘取其第二層密文，所以保證了其安全性。

本文沒有討論數(shù)據(jù)屬主向不合法用戶發(fā)送授權(quán)解密密文，這是因為，當不合法用戶i獲得授權(quán)解密密文 ，他就可以通過自己的私鑰 計算 。當不合法用戶公布 后，任何用戶都能通過計算 ，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不安全。因此在本方案中，要求數(shù)據(jù)的發(fā)送者要檢查其授權(quán)用戶的合法性，只有合法的用戶才能獲得授權(quán)解密密文。

3.3 方案的效率分析

本文通過對數(shù)據(jù)共享過程中計算復(fù)雜度和存儲開銷對方案的效率進行分析。

LV方案和WJ方案和本文方案采用的雙線性配對都是Tate 雙線性配對。要達到 1024 bit RSA 的安全級別，需要 512 bit的Tate雙線性配對操作。根據(jù)文獻的實驗結(jié)果，執(zhí)行一次Tate 雙線性操作需要20.04 ms，一次模指數(shù)運算為 5.31 ms。而RSA 的簽名時間約為執(zhí)行一次模指數(shù)運算的時間，RSA 的驗證時間相對于簽名時間可忽略。因此，可分別估算WJ方案、LV方案和本文方案的總運算時間為302.59 ms，307.5 ms和220.13 ms，由此得出本文方案總運算時間分別是WJ方案的 72.75%，是LV方案的71.59%。

4結(jié)束語

云計算憑借其不可忽視的優(yōu)勢迅速發(fā)展，但同時，作為具有廣闊前景的新興產(chǎn)業(yè)，數(shù)據(jù)安全問題始終是制約其推廣應(yīng)用的瓶頸，如何利用新興密碼技術(shù)，如基于身份加密、基于屬性加密、全同態(tài)加密等具有特殊性質(zhì)的加密系統(tǒng)來解決云計算中存在的安全問題是一個很好的研究方向。

參考文獻

[1] NIST definition of cloud.Nist 500-292 “NIST Cloud Computing Reference Architecture” [OL]， http：//www.nist.gov

[2] M. Blaze， G. Bleumer， and M. Strauss. Divertible Protocols and Atomic Proxy Cryptography[C]. In EUROCRYPT 1998， LNCS 1403， pp. 127-144， 1998.

[3] 淺談云計算和云安全 吳濤.