在線問(wèn)診環(huán)境下細(xì)粒度雙邊訪問(wèn)控制方案

李藝昕，張應(yīng)輝，胡凌云，鄭 東，3

1.西安郵電大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院，西安 710121

2.西安郵電大學(xué) 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，西安 710121

3.衛(wèi)士通摩石實(shí)驗(yàn)室，北京 100070

云存儲(chǔ)[1]憑借其便捷、存儲(chǔ)空間大、低成本、自動(dòng)容錯(cuò)等一系列的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在個(gè)人健康記錄（personal health records，PHR）系統(tǒng)中，越來(lái)越多的患者選擇將自己的電子病歷存儲(chǔ)至云服務(wù)器上。然而，云存儲(chǔ)存在著許多問(wèn)題。首先，云服務(wù)器并非完全可信，云服務(wù)器可能會(huì)在用戶不知情的情況下篡改、刪除用戶存儲(chǔ)在云端的隱私數(shù)據(jù)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不完整。其次由于云存儲(chǔ)是集中式存儲(chǔ)，即由一臺(tái)或多臺(tái)計(jì)算機(jī)組成中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)集中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息，因此中心節(jié)點(diǎn)一旦遭受攻擊，將會(huì)造成數(shù)據(jù)信息的泄漏，存在較大的安全隱患。

近年來(lái)，星際文件系統(tǒng)（interplanetary file system，IPFS）得到了廣泛的研究與應(yīng)用。IPFS[2]是一個(gè)全球的、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)分布式文件系統(tǒng)。在IPFS系統(tǒng)中，內(nèi)容會(huì)分塊存放，并分散存儲(chǔ)在IPFS 系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)上。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)文件的內(nèi)容分塊生成不同的哈希值，對(duì)所有的哈希值再次進(jìn)行哈希，從而得到最終的哈希值。當(dāng)文件的內(nèi)容發(fā)生改變時(shí)，生成的哈希值也會(huì)隨之改變，這樣可以確認(rèn)要訪問(wèn)的文件是否被經(jīng)過(guò)篡改。由于IPFS采用的是分布式存儲(chǔ)，文件被存儲(chǔ)在不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之中，有效避免了分布式拒絕服務(wù)攻擊。文件可以同時(shí)從多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間同步進(jìn)行下載，大大提高了通信的效率。IPFS提高了存儲(chǔ)空間的利用率，減少網(wǎng)絡(luò)帶寬，實(shí)現(xiàn)了彈性擴(kuò)展，降低了運(yùn)營(yíng)成本從而避免了資源的浪費(fèi)[3]。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各行各業(yè)的不斷滲透，醫(yī)療行業(yè)也逐漸地尋求改變，在線醫(yī)療健康技術(shù)使得病人可以更快捷方便地獲取醫(yī)療衛(wèi)生信息資源，也為醫(yī)護(hù)人員提供了知識(shí)共享的場(chǎng)所。越來(lái)越多的病人選擇在線咨詢自己的病情，在線問(wèn)診這一技術(shù)在一定程度上促進(jìn)了醫(yī)學(xué)的進(jìn)步。而由于互聯(lián)網(wǎng)具有開(kāi)放性、共享性、交換性、受眾性，病人的病歷信息可能發(fā)生泄露的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重威脅到病人的隱私，并且醫(yī)護(hù)人員針對(duì)數(shù)以億計(jì)的互聯(lián)網(wǎng)用戶，無(wú)法做到針對(duì)性地解決某些或者某個(gè)病人的病情。上述問(wèn)題在當(dāng)前在線問(wèn)診技術(shù)迅猛發(fā)展的如今成為了一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。

在現(xiàn)有的解決方案中，病人上傳自己的病歷后，可以通過(guò)控制訪問(wèn)策略有條件地選擇將自己的病歷信息授權(quán)給相關(guān)的醫(yī)護(hù)人員讀取下載，而醫(yī)護(hù)人員往往需要從眾多被授權(quán)的病歷中篩選出自己需要進(jìn)行問(wèn)診病人的病歷，這樣使得醫(yī)護(hù)人員的工作效率極大降低，嚴(yán)重影響了病人的治療。此外，在病歷上傳或者下載讀取的過(guò)程中，可能會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)篡改、刪除、泄漏等威脅到患者隱私的問(wèn)題。因此，如何在保證患者隱私安全的前提下，使醫(yī)護(hù)人員針對(duì)性地選擇病人的病歷從而減輕工作負(fù)擔(dān)是當(dāng)前研究中一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。

1 相關(guān)研究

數(shù)據(jù)加密技術(shù)近年來(lái)得到較多的關(guān)注，包括同態(tài)加密、可搜索加密、屬性基加密、廣播加密等[4]，其中屬性基加 密[5（]attribute-based encryption，ABE）應(yīng) 用 最 為 廣泛。ABE實(shí)現(xiàn)了一對(duì)多加、解密，在屬性加密中，身份被看作是一組屬性，當(dāng)用戶所具有的屬性集滿足加密者所制定的訪問(wèn)控制策略時(shí)，用戶則可對(duì)加密數(shù)據(jù)進(jìn)行解密。ABE的概念首先由Sahai和Waters在文獻(xiàn)[6]提出，用戶的身份信息被看作一組屬性。隨后，Waters 等人[7]提出了用戶具有多個(gè)屬性這一特性，根據(jù)此特性，推廣出了基于密文策略的屬性加密（ciphertext policy attribute based encryption，CP-ABE）方案，即訪問(wèn)控制策略與密文相互關(guān)聯(lián)，而用戶的屬性集被嵌入加密密鑰之中。Goyal 等人[8]又提出了基于密鑰策略的屬性加密（key policy attribute based encryption，KP-ABE），在該方案中，密文與用戶的屬性集相互關(guān)聯(lián)，而訪問(wèn)控制策略被嵌入加密密鑰之中。Cheung 等人[9]利用“與門”的訪問(wèn)控制策略，第一次在DBDH假設(shè)下證明了CP-ABE的安全性。Bhartiva 等人[10]提出了屬性基模糊簽名加密，將屬性基加密技術(shù)用于移動(dòng)醫(yī)療傳感網(wǎng)中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)控制，但由于采用了簽名技術(shù)，導(dǎo)致運(yùn)行效率較低。Attrapadung 和Imai[11]提出了雙重策略ABE，在該方案中，發(fā)送方通過(guò)選擇訪問(wèn)控制策略和一組屬性對(duì)消息進(jìn)行加密，接收方可以使用一個(gè)描述接收方策略和屬性的解密密鑰來(lái)解密密文，但這樣僅僅保護(hù)了明文的安全性。Attrapadung 和Yamada 提出了文獻(xiàn)[12]，該方案中，若解密不成功，則有可能會(huì)泄漏發(fā)送方的隱私。隨后，Ateniese等人[13]提出了匹配加密，將屬性基加密與簽名算法相互結(jié)合，降低了計(jì)算效率。Xu 等人[14]基于KP-ABE 與文獻(xiàn)[13]提出了云霧計(jì)算下的雙邊訪問(wèn)控制，接收方也可以通過(guò)制定訪問(wèn)控制策略來(lái)解密符合自己要求的密文，但在加密過(guò)程中，由于密文與屬性相關(guān)聯(lián)導(dǎo)致計(jì)算效率較低。苗田田等人[15]所提出的方案僅僅保護(hù)了發(fā)送方的隱私安全，無(wú)法提高接收方的工作效率。

區(qū)塊鏈技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的研究與應(yīng)用。區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)分布式賬本，它是以區(qū)塊為單位構(gòu)成的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，每一個(gè)區(qū)塊由區(qū)塊頭和區(qū)塊體兩部分所構(gòu)成。區(qū)塊鏈具有去中心化、不可篡改、可追溯等特點(diǎn)[16-17]。區(qū)塊鏈技術(shù)可以在不依賴第三方可信機(jī)構(gòu)的情況下建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的可信價(jià)值傳遞，可以降低信任成本，提高交互效率。但由于區(qū)塊鏈公開(kāi)透明的特點(diǎn)，存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)會(huì)遭受隱私泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，具有一定的威脅性。同時(shí)，存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)缺少靈活的訪問(wèn)控制，例如：在基于區(qū)塊鏈的醫(yī)療系統(tǒng)中，病人可以選擇將自己的病歷信息發(fā)布在區(qū)塊鏈中，但由于病人的病歷信息屬于隱私信息，只有經(jīng)過(guò)授權(quán)的醫(yī)護(hù)人員才可以讀取訪問(wèn)，因此需要對(duì)此類隱私信息進(jìn)行安全保護(hù)并給予靈活的訪問(wèn)控制[18]，保證被授權(quán)的醫(yī)護(hù)人員可以安全掌握病人的全部病歷信息。Zheng 等人[19]提出了一種基于IPFS的比特幣網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)機(jī)制。數(shù)據(jù)信息被存儲(chǔ)在IPFS系統(tǒng)中，并且由IPFS 系統(tǒng)生成的哈希值被存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈的塊中以減少存儲(chǔ)空間。Xu等人[20]提出了一種基于以太坊和IPFS 的社交網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，該系統(tǒng)允許用戶上傳他們的文件，如圖片或音頻到IPFS 系統(tǒng)進(jìn)行存儲(chǔ)。Pham 等人[21]提出了一個(gè)結(jié)合IPFS 系統(tǒng)，屬性基加密以及區(qū)塊鏈的分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)。邵奇峰等人[16]將區(qū)塊鏈與ABE 進(jìn)行結(jié)合，解決了區(qū)塊鏈中保護(hù)數(shù)據(jù)隱私的問(wèn)題。Wang等人[22]提出IPFS存儲(chǔ)系統(tǒng)與ABE結(jié)合，并且引入可搜索技術(shù)使接收方工作量增加。

在目前現(xiàn)有方案中，主要存在以下問(wèn)題：

（1）只有發(fā)送方可以通過(guò)制定訪問(wèn)控制策略對(duì)接收方進(jìn)行選擇，接收方需要從大量的密文中逐一識(shí)別檢索出自己所需要的數(shù)據(jù)，嚴(yán)重地降低了接收方的工作效率。

（2）大多數(shù)發(fā)送方將加密后的數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器，云服務(wù)器是一個(gè)獨(dú)立的實(shí)體，由于其自身價(jià)值，經(jīng)常會(huì)遭受黑客攻擊，存在數(shù)據(jù)泄露的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重威脅到了用戶的隱私安全。

（3）上傳至存儲(chǔ)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，可能會(huì)發(fā)生被篡改或者刪除等一系列惡性操作，從而無(wú)法保證數(shù)據(jù)的完整性，嚴(yán)重影響到了原始數(shù)據(jù)的正確性。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一個(gè)適用于在線問(wèn)診環(huán)境下的支持細(xì)粒度雙邊訪問(wèn)控制的CP-ABE 方案。本方案利用屬性基加密技術(shù)，不僅發(fā)送方可以制定訪問(wèn)控制策略來(lái)篩選滿足條件的接收方，并且也允許接收方制定訪問(wèn)控制策略來(lái)對(duì)密文進(jìn)行篩選，接收方僅僅只需要解密滿足自己訪問(wèn)控制策略的密文，不需要逐一對(duì)大量密文進(jìn)行解密來(lái)選取需要的數(shù)據(jù)，這樣極大地減少工作量。并利用IPFS存儲(chǔ)系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容分塊生成哈希值的特點(diǎn)，會(huì)將加密后的電子病歷生成唯一的哈希字符串，將其視作加密病歷的存儲(chǔ)“地址”，并將這串“地址”存放在區(qū)塊鏈中，利用區(qū)塊鏈的不可篡改性保證數(shù)據(jù)不會(huì)被進(jìn)行篡改、刪除，確保了數(shù)據(jù)的完整性。

本文貢獻(xiàn)如下：

（1）細(xì)粒度的雙邊訪問(wèn)控制：病人加密自己的病歷并制定相應(yīng)的訪問(wèn)控制策略，只有屬性滿足該訪問(wèn)控制策略的醫(yī)護(hù)人員才有權(quán)查看病歷信息。而醫(yī)護(hù)人員也制定相應(yīng)的訪問(wèn)控制策略，只有病人的屬性滿足該訪問(wèn)控制策略，其病歷才可以被經(jīng)過(guò)授權(quán)的醫(yī)護(hù)人員讀取下載。提高了醫(yī)護(hù)人員的工作效率，減少了病患就診的時(shí)間。

（2）隱私安全的保護(hù)：病人將加密后的病例上傳至IPFS系統(tǒng)，將得到唯一的一串哈希字符串，即加密病歷的存儲(chǔ)“地址”。本文利用IPFS 存儲(chǔ)加密后的病歷，將得到的哈希字符串使用ABE 加密后存儲(chǔ)至區(qū)塊鏈，確保了數(shù)據(jù)不會(huì)被篡改或刪除。只有醫(yī)護(hù)人員的屬性滿足病人所設(shè)置的訪問(wèn)控制策略，才可以解密存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈中的IPFS 地址，從而在IPFS 系統(tǒng)中下載病歷進(jìn)行解密，讀取數(shù)據(jù)。保證了病患的隱私信息不會(huì)被泄露以及篡改。

（3）數(shù)據(jù)的完整性保護(hù)：加密后的數(shù)據(jù)上傳至IPFS系統(tǒng)，由于IPFS 的性質(zhì)，一旦數(shù)據(jù)發(fā)生更改，生成的哈希值也會(huì)隨著發(fā)生變化，可以確保數(shù)據(jù)的原始性。將生成的哈希值存儲(chǔ)至區(qū)塊鏈之中，由于區(qū)塊鏈具有不可篡改性，可以保證數(shù)據(jù)的完整性。

2 預(yù)備知識(shí)

2.1 雙線性映射

假設(shè)G、G0是兩個(gè)階為素?cái)?shù)p的循環(huán)群，g是群G的生成元，定義一個(gè)可有效計(jì)算的雙線性映射e:G×G→G0，該映射必須滿足如下性質(zhì)：

（1）雙線性：對(duì)于任意的兩個(gè)數(shù)a,b∈Zp，存在e(ga,gb)=e(g,g)ab。

（2）非退化性：對(duì)于群G的生成元g，有e(g,g)≠1。

（3）可計(jì)算性：對(duì)于所有的g1,g2∈G，均存在多項(xiàng)式時(shí)間算法計(jì)算e(g1,g2)。

2.2 訪問(wèn)結(jié)構(gòu)

假設(shè){S1,S2,…,Sn} 是由n個(gè)屬性組成的集合，訪問(wèn)結(jié)構(gòu)? 是指由{S1,S2,…,Sn} 的非空子集組成的集合，即為? ?2{S1,S2,…,Sn}{? } 。若集合D∈? ，則稱D為授權(quán)集合，若集合D?? ，則稱D為非授權(quán)集合。訪問(wèn)結(jié)構(gòu)? 是單調(diào)的，對(duì)于任意集合B和C，若B∈? ，B?C，則有C∈? 。

2.3 線性秘密共享方案

線性秘密共享方案（linear secret sharing scheme）的定義是參與實(shí)體集合P上的一個(gè)密鑰共享方案若滿足以下兩個(gè)條件，則稱Π為定義在ZP上的線性秘密共享方案：

（1）一個(gè)參與實(shí)體所具有的秘密份額都可以構(gòu)成ZP上的向量。

（2）每個(gè)LSSS 的Π都對(duì)應(yīng)一個(gè)l行n列的生成矩陣M，映射函數(shù)ρ：{1,2,…,l} →P將M中的每一行(i=1,2,…,l)映射到參與實(shí)體ρ(i)，隨機(jī)選取v={s,l2,…,ln} ∈Zp，s∈ZP是需要共享的秘密，那么Mv是根據(jù)Π得到的關(guān)于s的l個(gè)共享組成的向量，λi=(Mv)i表示秘密值s的第i個(gè)秘密份額，并分配給參與實(shí)體ρ(i)。

線性秘密共享方案具有線性重構(gòu)的性質(zhì)。假設(shè)Π是訪問(wèn)策略A的一個(gè)線性秘密共享，設(shè)訪問(wèn)授權(quán)集合S∈A，均存在一個(gè)常數(shù){wi∈Zp}i∈I，使得成立，其中I={i:ρ(i)∈S} 。

2.4 困難問(wèn)題

判定性雙線性Diffie-Hellman（DBDH）問(wèn)題。假設(shè)a,b,c,z∈Zp，g是階為p的乘法循環(huán)群G的生成元。DBDH 問(wèn)題定義為：區(qū)分兩個(gè)四元組(A=ga,B=gb,C=gc,D=e(g,g)abc)與(A=ga,B=gb,C=gc,Z=e(g,g)z)。如果對(duì)于多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)解決DBDH 的概率是可以忽略的，那么就DBDH問(wèn)題是困難的。

3 模型定義

本章主要對(duì)系統(tǒng)模型、安全模型進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

3.1 常用符號(hào)

表1 中顯示了在線問(wèn)診環(huán)境下細(xì)粒度雙邊訪問(wèn)控制方案中的常用符號(hào)。

表1 系統(tǒng)常用符號(hào)Table 1 Common symbols in system

3.2 系統(tǒng)模型

在系統(tǒng)模型中，主要介紹了在線問(wèn)診環(huán)境下細(xì)粒度雙邊訪問(wèn)控制方案的各個(gè)參與實(shí)體，各個(gè)參與實(shí)體的功能與特點(diǎn)以及各個(gè)參與實(shí)體之間的交互流程。各參與實(shí)體的特點(diǎn)和功能說(shuō)明具體如下：

本方案系統(tǒng)中具體包括5 個(gè)實(shí)體，密鑰生成中心（key generation center，KGC）、病人、醫(yī)護(hù)人員、IPFS、區(qū)塊鏈。系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)模型圖Fig.1 System model diagram

各實(shí)體的功能詳細(xì)說(shuō)明如下：

（1）KGC：密鑰生成中心主要負(fù)責(zé)為系統(tǒng)生成公開(kāi)參數(shù)以及主密鑰，并將密鑰秘密的分發(fā)給病人與醫(yī)護(hù)人員。

（2）病人（patient）：病人將自己加密后的電子病歷上傳至IPFS系統(tǒng)，獲得訪問(wèn)路徑L，并對(duì)L再次進(jìn)行加密；病人制定醫(yī)護(hù)人員需滿足的訪問(wèn)控制策略，并將自己的屬性集合、制定的訪問(wèn)控制策略、發(fā)布時(shí)間以及加密后的路徑L上傳至區(qū)塊鏈。

（3）醫(yī)護(hù)人員（medical staff）：醫(yī)護(hù)人員將自己的屬性集合、訪問(wèn)時(shí)間，以及病人需要滿足的訪問(wèn)控制策略上傳至區(qū)塊鏈；在滿足醫(yī)護(hù)人員的屬性集合與病人所制定的訪問(wèn)控制策略匹配的條件下，病人的屬性集合同時(shí)也需滿足醫(yī)護(hù)人員所制定的訪問(wèn)控制策略時(shí)，醫(yī)護(hù)人員則可解密獲得路徑L，并根據(jù)L從IPFS 中下載對(duì)應(yīng)的密文，從而解密獲得密文。

（4）IPFS：病人上傳加密后的病歷至IPFS 系統(tǒng)后，通過(guò)文件內(nèi)容獲得一串獨(dú)立的哈希字符串來(lái)標(biāo)識(shí)文件，這串哈希字符串可被看作是病歷的存儲(chǔ)“路徑”。

（5）區(qū)塊鏈：病人將病歷加密后存儲(chǔ)至IPFS 系統(tǒng)，將獲得的存儲(chǔ)“路徑”加密后保存在區(qū)塊鏈之中。

3.3 安全模型

在安全模型中，將描述隨機(jī)諭言機(jī)模型中的選擇明文攻擊下的不可區(qū)分性，來(lái)抵御發(fā)送者猜測(cè)攻擊，合謀攻擊。

通過(guò)一個(gè)攻擊游戲來(lái)定義支持細(xì)粒度雙邊訪問(wèn)控制的CP-ABE方案的安全模型。

（1）初始化：攻擊者A 選擇想要挑戰(zhàn)的訪問(wèn)結(jié)構(gòu)，并提交給挑戰(zhàn)者B。

（2）系統(tǒng)建立：挑戰(zhàn)者B 執(zhí)行本文方案中的Setup算法，將生成的公鑰發(fā)送給攻擊者A 。

（3）詢問(wèn)階段1：攻擊者A 可以詢問(wèn)某個(gè)屬性集合所對(duì)應(yīng)的密鑰，要求該屬性集合不滿足訪問(wèn)控制策略。挑戰(zhàn)者B 運(yùn)行密鑰生成算法后，將生成的密鑰發(fā)送給攻擊者A 。

（4）挑戰(zhàn)階段：攻擊者A 向挑戰(zhàn)者B 提交相等長(zhǎng)度的消息以及挑戰(zhàn)屬性集合，要求該挑戰(zhàn)屬性集合在詢問(wèn)階段1 中不曾被詢問(wèn)過(guò)對(duì)應(yīng)的密鑰。挑戰(zhàn)者B 隨機(jī)選取b∈{0,1} ，并運(yùn)行加密算法對(duì)其進(jìn)行加密，將生成的密文Mb發(fā)送給攻擊者A 。

（5）詢問(wèn)階段2：重復(fù)執(zhí)行詢問(wèn)階段1。

（6）猜測(cè)階段：攻擊者A 輸出一個(gè)對(duì)于b的猜測(cè)b′，若兩者相等，則攻擊者A 贏得游戲。其中攻擊A 的優(yōu)勢(shì)定義為

4 方案實(shí)現(xiàn)

本章主要介紹加密支持細(xì)粒度的雙邊訪問(wèn)控制的密文策略屬性基加密方案的具體實(shí)現(xiàn)。

4.1 工作流程

本節(jié)主要詳細(xì)說(shuō)明病人將加密病歷上傳至存儲(chǔ)系統(tǒng)以及醫(yī)護(hù)人員從存儲(chǔ)系統(tǒng)下載加密病歷的具體流程。

4.1.1 上傳流程

首先，病人將加密后的病歷上傳至IPFS存儲(chǔ)系統(tǒng)，會(huì)得到一串來(lái)自IPFS 存儲(chǔ)系統(tǒng)返回的哈希字符串，可將其視為加密病歷的存儲(chǔ)路徑“L”。之后，病人將得到的路徑“L”、自己的屬性集合Ss以及所制定的訪問(wèn)控制策略Rr上傳至區(qū)塊鏈。具體流程如圖2所示。

圖2 病人上傳電子病歷具體流程Fig.2 Specific flow of patient uploading electronic medical record

4.1.2 下載流程

首先，醫(yī)護(hù)人員上傳自己的屬性集合Sr、訪問(wèn)時(shí)間以及所制定的訪問(wèn)控制策略Rs至區(qū)塊鏈中。若該屬性集合滿足Rr，則可獲得加密病歷的存儲(chǔ)路徑“L”。之后，驗(yàn)證病人的屬性集合Ss是否滿足Rs，若滿足，醫(yī)護(hù)人員即可對(duì)存儲(chǔ)路徑“L”進(jìn)行解密。最終，獲得病人的病歷信息。具體流程如圖3所示。

圖3 醫(yī)護(hù)人員下載電子病歷具體流程Fig.3 Specific process of medical staff downloading electronic medical records

4.2 具體算法

本節(jié)將構(gòu)造一個(gè)支持細(xì)粒度雙邊訪問(wèn)控制的CP-ABE 方案。基于Waters 所提出ABE 方案[7]，設(shè)計(jì)出一種新的方案，在保證發(fā)送方可以制定接收方需滿足的訪問(wèn)控制策略同時(shí)，使接收方也可以通過(guò)制定的訪問(wèn)控制策略對(duì)發(fā)送方進(jìn)行驗(yàn)證與篩選。方案具體算法細(xì)節(jié)如下：

（1）系統(tǒng)初始化算法Setup(λ)

KGC運(yùn)行該算法，輸入安全參數(shù)λ。生成兩個(gè)階為素?cái)?shù)p的群G、G0，構(gòu)成雙線性映射e:G×G→G0，g是群G的生成元。隨機(jī)選擇α,β∈Zp，以及一個(gè)穩(wěn)定抗碰撞的哈希函數(shù)：H:{0,1}*→G。該算法輸出一個(gè)公鑰以及一個(gè)主密鑰：

（2）密鑰生成算法

①加密密鑰生成算法EKGen(MSK,Ss)。分析發(fā)送者屬性集合Ss，加密密鑰生成算法隨機(jī)選擇t∈Zp,?x∈Ss，可計(jì)算得：

該算法返回加密密鑰ek={ek1,ek2}。

②解密密鑰生成算法DKGen(MSK,Sr)。分析接收者屬性集合Sr，解密密鑰生成算法隨機(jī)選擇t*∈Zp,?y∈Sr，可計(jì)算得：

該算法返回解密密鑰dk=(dk1,dk2,dk3,y)。

（3）加密算法Enc(ek,M,Ss,Rr)

分析接收者需要滿足的訪問(wèn)控制策略Rr，Rr=(M1,P1)，其中M1是lM1×nM1矩陣，P1:[lM1] →Sr是一個(gè)映射函數(shù)。該加密算法隨機(jī)選取v=(s,y2,…,ynM1)⊥∈Zp，其中s是待分享的秘密，計(jì)算λ=(λ1,λ2,…,λlM1)=M1v。對(duì)于所有i∈[lM1] ，隨機(jī)選擇ri∈ZP，計(jì)算：

（4）解密算法Dec(dk,CT,Rs)

分析發(fā)送者需要滿足的訪問(wèn)控制策略Rs，其中M2是lM2×nM2矩陣，P2:[lM2] →Ss是一個(gè)映射函數(shù)。該解密算法隨機(jī)選擇，計(jì) 算k=k1,k2,…,klM2。

令I(lǐng)滿足I={i|i∈[lM2],P2(i)=Ss} ，可找到{ωi}i∈I滿足計(jì)算下式：

若上述等式成立，則繼續(xù)解密，否則結(jié)束解密。

令F滿足F={f|f∈[lM1],P2(i)=Ss} ?？烧业絳θ}f∈F滿足，計(jì)算下式：

其中，i是P1,i在y中的索引，即P1,i=y。該解密算法可通過(guò)上式分離得到消息M。

4.3 正確性分析

若4.2節(jié)中的解密算法Dec中的式（1）如下計(jì)算，即認(rèn)為發(fā)送者屬性集合Ss滿足接收者所制定的訪問(wèn)控制策略Rs，接收者則可繼續(xù)對(duì)消息進(jìn)行解密：

若4.2節(jié)中的解密算法Dec中的式（2）如下計(jì)算，即認(rèn)為接收者屬性集合Sr滿足發(fā)送者所指定的訪問(wèn)控制策略Rr，接受者則可解密得到原始消息：

5 安全性分析

定理1假設(shè)DBDH 問(wèn)題是困難的，本方案在隨機(jī)諭言機(jī)模型下夠滿足選擇明文攻擊下的不可區(qū)分性。

證明假設(shè)攻擊者A 可以在一個(gè)概率多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)以不可忽略的優(yōu)勢(shì)ε在安全模型IND-CPA 下打破本文所提出的方案，那么就能構(gòu)建一個(gè)挑戰(zhàn)者B 能夠以不可忽略的優(yōu)勢(shì)解決DBDH問(wèn)題。因此，提供了一個(gè)挑戰(zhàn)者與攻擊者之間的真實(shí)方案的正確模擬。

假設(shè)挑戰(zhàn)者隨機(jī)翻轉(zhuǎn)一枚二進(jìn)制的硬幣μ∈{0,1} 。當(dāng)μ=0 時(shí)，四元組為{A=gα,B=gb,C=gc,T=e(g,g)abc} ，當(dāng)μ=1，四元組為{A=gα,B=gb,C=gc,T=e(g,g)t} 。挑戰(zhàn)者B 輸出μ′作為μ的猜測(cè)。

（1）Setup。挑戰(zhàn)者B 隨機(jī)選擇β∈Zp以及一個(gè)抗碰撞哈希函數(shù)：H：{0,1}*→G，生成公鑰給攻擊者A：

其中，gb是生成元，

（2）查詢階段1。攻擊者A 向挑戰(zhàn)者B 通過(guò)諭言機(jī)發(fā)起私鑰詢問(wèn)。

①令L={att,r,r*} 為哈希列表，攻擊者A 向隨機(jī)諭言機(jī)詢問(wèn)att，如果att之前被詢問(wèn)過(guò)，則返回Brigri*，如果att∈Ss，挑戰(zhàn)者B 選擇r=0,r*∈Zq，如果att?Ss，挑戰(zhàn)者B 選擇r,r*∈Zq。之后，挑戰(zhàn)者B 更新哈希列表L={att,r,r*} 。

②攻擊者A 通過(guò)加密密鑰諭言機(jī)詢問(wèn)加密密鑰，攻擊者A 提供發(fā)送者屬性集合Ss，挑戰(zhàn)者B 隨機(jī)選取t∈Zp,?x∈Ss，計(jì)算：

挑戰(zhàn)者B 將加密密鑰發(fā)送給挑戰(zhàn)者A。

③攻擊者A 通過(guò)解密密鑰諭言機(jī)詢問(wèn)解密密鑰，攻擊者A 提供發(fā)送者屬性集合Sr，挑戰(zhàn)者B 隨機(jī)選取t*∈Zp,?x∈Sr，計(jì)算：

挑戰(zhàn)者B 將解密密鑰發(fā)送給挑戰(zhàn)者A。

（3）挑戰(zhàn)。攻擊者A 提交m0,m1,S0,S1，挑戰(zhàn)者B隨機(jī)選擇b∈{0,1} ，假設(shè)Sb=Ss，挑戰(zhàn)者B 隨機(jī)選擇t∈Zp,?x∈Sb，計(jì)算：

挑戰(zhàn)者B 通過(guò)加密算法對(duì)消息進(jìn)行加密，c0=MbT,c1=gc。并將密文發(fā)送給挑戰(zhàn)者A。

如果μ=0，則T=e(g,g)abc，如果令s=c，則e(A,B)=(e(g,g)ab)s=e(g,g)abs，c1=gs=gc。因此，密文是對(duì)Mb的有效加密。

如果μ=1，則T=e(g,g)t，則c0=Mb e(g,g)t，由于t是隨機(jī)產(chǎn)生的，攻擊者A 不能得出任何有關(guān)于消息的信息。

（4）查找階段2。重復(fù)查找階段1的過(guò)程。

（5）猜測(cè)。攻擊者A 輸出對(duì)于b的猜測(cè)b′，如果b′=b，挑戰(zhàn)者B 輸出μ′=0 表示它是一個(gè)DBDH 的四元組，否則，它是一個(gè)隨機(jī)四元組。

當(dāng)μ=1 時(shí)，攻擊者A 沒(méi)有得到任何有用信息，因此可以得到，因?yàn)楫?dāng)b′=b時(shí)，挑戰(zhàn)者B 猜測(cè)μ′=1，則

當(dāng)μ=0 時(shí)，攻擊者A 可以得到關(guān)于Mb的有效信息，在此情況下，攻擊者A擁有優(yōu)勢(shì)ε。因此可以得到。因?yàn)楫?dāng)b′=b，挑戰(zhàn)者B 猜測(cè)μ′=0，則因此挑戰(zhàn)者B 贏得DBDH游戲的整體優(yōu)勢(shì)是：

若攻擊者在一個(gè)概率多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)贏得游戲的優(yōu)勢(shì)為ε，則其可以以不可忽略的優(yōu)勢(shì)解決DBDH困難問(wèn)題。

在安全模型IND-CPA中，攻擊者存在不可忽略的優(yōu)勢(shì)ε才能打破本文的方案，因此，本文的方案是IND-CPA安全的。證畢。

6 功能對(duì)比與性能分析

6.1 功能對(duì)比分析

將本文方案與文獻(xiàn)[7]、文獻(xiàn)[14]、文獻(xiàn)[15]、文獻(xiàn)[23]進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 不同方案的功能對(duì)比Table 2 Function comparison of different schemes

從表2的對(duì)比可知，本文方案在保證選擇明文攻擊下的不可區(qū)分性的前提下，不僅使發(fā)送方可以通過(guò)制定訪問(wèn)控制策略對(duì)接收方進(jìn)行選擇，而且使接收方同樣可以制定訪問(wèn)控制策略對(duì)發(fā)送方進(jìn)行驗(yàn)證，不需要從大量密文中逐一進(jìn)行檢索，提高了接收方的工作效率。并且引入了區(qū)塊鏈技術(shù)以及IPFS 存儲(chǔ)系統(tǒng)，將加密后的數(shù)據(jù)上傳至IPFS 存儲(chǔ)系統(tǒng)，避免了分布式拒絕攻擊。再將由IPFS 生成的唯一哈希索引上傳至區(qū)塊鏈，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的不可篡改性。

6.2 安全性對(duì)比分析

將本文方案與文獻(xiàn)[15]、文獻(xiàn)[23]進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比結(jié)果如表3所示。

表3 不同方案的安全性對(duì)比Table 3 Safety comparison of different schemes

從表3可知，由于本文方案將加密后的數(shù)據(jù)上傳至IPFS分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)，即可有效地抵抗分布式拒絕服務(wù)攻擊。此外，本文方案允許發(fā)送方選擇隨機(jī)數(shù)來(lái)加密密鑰，因此除發(fā)送方之外的任何一方都無(wú)法知道這個(gè)隨機(jī)數(shù)的值，可有效地抵抗發(fā)送者猜測(cè)攻擊。最后，本文方案中解密密鑰都具有隨機(jī)性。多個(gè)解密密鑰的組合不能幫助攻擊者獲得有效的解密密鑰。因此，可有效地抵抗合謀攻擊。

6.3 對(duì)比仿真結(jié)果分析

在本節(jié)中，分析密鑰生成、加密過(guò)程以及解密過(guò)程的計(jì)算開(kāi)銷，將本文提出的方案與文獻(xiàn)[13]、文獻(xiàn)[14]中提出的方案進(jìn)行比較。本文進(jìn)行仿真的實(shí)現(xiàn)設(shè)備為Intel?Core?i5-5250U CPU@1.60 GHz，4 GB 內(nèi)存。操作系統(tǒng)為macOS Catalina 10.15.5，編程語(yǔ)言為Java，使用的密碼庫(kù)為jPBC 2.0.0。

TE表示指數(shù)計(jì)算時(shí)間，TP表示雙線性對(duì)計(jì)算時(shí)間，TH→G表示哈希到群G的計(jì)算時(shí)間，TH→Zq*表示哈希到Zq*的計(jì)算時(shí)間。由于在本設(shè)備中，乘法運(yùn)算、逆運(yùn)算與除法運(yùn)算的計(jì)算時(shí)間與其他運(yùn)算的計(jì)算時(shí)間相比微不足道，所以可忽略不計(jì)。

本文方案與文獻(xiàn)[13]、文獻(xiàn)[14]方案的效率對(duì)比如表4所示。

表4 不同方案的效率對(duì)比Table 4 Comparison of efficiency of different schemes

本節(jié)實(shí)驗(yàn)仿真中分別測(cè)試了在10～50 個(gè)屬性集個(gè)數(shù)下文獻(xiàn)[13]、文獻(xiàn)[14]與本文的Setup、EKGen、DKGen、Enc、Dec運(yùn)算環(huán)節(jié)的運(yùn)算時(shí)間開(kāi)銷，具體對(duì)比如圖4所示。

根據(jù)圖4（a）的對(duì)比可知，在系統(tǒng)初始化的計(jì)算中，本文方案僅采用了一個(gè)哈希運(yùn)算，所以隨著屬性個(gè)數(shù)的增加，本文方案的計(jì)算時(shí)間具有一定的優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)圖4（b）的對(duì)比可知，在加密密鑰生成的計(jì)算中，本文方案與文獻(xiàn)[14]相比相差不大。

根據(jù)圖4（c）的對(duì)比可知，在解密密鑰生成計(jì)算中，本文方案與文獻(xiàn)[14]相比僅采用兩個(gè)指數(shù)運(yùn)算，從而隨著屬性個(gè)數(shù)的增加，具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)圖4（d）的對(duì)比可知，在加密的計(jì)算中，文獻(xiàn)[13]、文獻(xiàn)[14]采用了較多的哈希以及指數(shù)運(yùn)算，而本文方案僅采用了1個(gè)哈希運(yùn)算，降低了計(jì)算時(shí)間。并且本文方案與文獻(xiàn)[14]相比，本文密文與訪問(wèn)控制策略相關(guān)聯(lián)，而文獻(xiàn)[14]密文與用戶屬性集合相互關(guān)聯(lián)，隨著屬性集合的增加，文獻(xiàn)[14]需要花費(fèi)更多的計(jì)算時(shí)間，所以，本文的計(jì)算時(shí)間與文獻(xiàn)[14]相比具有一定的優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)圖4（e）的對(duì)比可知，在解密的計(jì)算中，與文獻(xiàn)[13]、文獻(xiàn)[14]進(jìn)行對(duì)比，本文方案并未采用哈希計(jì)算，極大地降低了計(jì)算時(shí)間，具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

圖4 計(jì)算時(shí)間Fig.4 Calculation time

綜合上述對(duì)比進(jìn)行分析可得，本文所提出的方案具有較高效率。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)當(dāng)前在線問(wèn)診環(huán)境中在保護(hù)患者隱私的前提下，提高醫(yī)護(hù)人員的工作效率的需求，提出了基于在線問(wèn)診環(huán)境下的細(xì)粒度雙邊訪問(wèn)控制，該方案通過(guò)ABE 對(duì)患者的病歷進(jìn)行加密后上傳至IPFS 系統(tǒng)，并將生成的唯一哈希字符串加密上傳至區(qū)塊鏈。在本文方案中，不僅患者可以制定訪問(wèn)控制策略來(lái)對(duì)醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行查看病歷的授權(quán)，醫(yī)護(hù)人員也可制定訪問(wèn)控制策略進(jìn)一步地通過(guò)屬性匹配來(lái)篩選需要解密的病歷，既有效地保護(hù)了患者的個(gè)人隱私問(wèn)題，也減輕了醫(yī)護(hù)人員的工作負(fù)擔(dān)。最后，在標(biāo)準(zhǔn)模型下基于判定性雙線性Diffie-Hellman問(wèn)題證明了本文方案是IND-CPA安全的，并利用jPBC密碼庫(kù)進(jìn)行性能分析表明本文方案與其他方案相比具有較低的計(jì)算開(kāi)銷。