内容简介
《属性基加密》结合作者在属性基加密领域的科研实践, 介绍属性基加密的理论技术体系框架, 并对属性基加密的基础概念和模型、基本构建技术、高级构建技术、扩展面临的主要问题进行系统性阐述. 《属性基加密》重点介绍属性基加密的基础概念和安全模型、(模糊) 身份基加密、谓词编码和双系统技术、基于格的构建技术、通用转换和组合技术, 以及各类安全性扩展、功能性扩展、应用性扩展, 从不同角度对属性基加密的构造方法和证明技术进行阐述, 有助于感兴趣的读者较为全面地理解和把握这些技术。
精彩书摘
**部分 绪论
第 1 章 引言
属性基加密是本书的核心内容， 本书引言部分主要介绍属性基加密的发端、发展沿革、应用建议及标准草稿. *后， 我们将提供本书概览.
1.1 属性基加密的发端
属性基加密 (Attribute-Based Encryption， ABE)， 也称为基于属性的加密[1， 2]，是传统公钥加密体制和身份基加密 (Identity-Based Encryption， IBE) 体制的一种拓展， 也是属性密码学的起源[3]. Sahai 和 Waters[1] 在 2005 年*次提出了 ABE的雏形， 即模糊身份基加密 (Fuzzy Identity-Based Encryption， FIBE) 方案， 该方案中的数据加密是基于用户的生物特征来完成的. 2006 年， Goyal 等[2] 在 Sahai和 Waters 的研究基础上， *次提出了可用于细粒度访问控制的 ABE 方案， 其中用户的特征被扩展为和用户特征有关的一系列属性.
通俗来说， 一个 ABE 系统主要涉及三个参与者: 权威中心、数据所有者和数据用户. 权威生成公钥并将其发送给数据所有者， 它还生成主密钥. 数据所有者利用公钥和访问策略 (或属性) 加密数据. 此外， 权威中心根据用户的属性 (或访问策略) 使用主密钥为用户生成解密密钥. 用户接收到解密密钥后对密文进行解密. 根据访问策略的不同， ABE 主要分为密钥策略属性基加密 (Key-Policy ABE，KP-ABE) 和密文策略属性基加密 (Ciphertext-Policy ABE， CP-ABE). 基于属性集合和访问策略之间的关系， ABE 可以有效地实现非交互式访问控制， 并衍生和发展了相关加密体制. Pirretti 等[4] 建立的基于 ABE 原语的新型信息管理系统，展示了 ABE 在隐私保护和分布式信息管理中的应用前景， 目前 ABE 已经被广泛应用在云存储、云计算、电子医疗、数据发布等实际应用中.
1.2 属性基加密的发展沿革
在属性基加密体制发展的过程中， 产生了众多与之相关的加密原语.
. 身份基加密 (Identity-Based Encryption， IBE). Shamir 于 1984 年正式提出关于 IBE 的构想， 并由 Boneh 和 Franklin 在 2001 年正式给出**个基于双线性配对的构造. 在 IBE 中， 用户的身份可以用任意字符串表示， 发送方可以直接用接收方的身份作为公钥加密消息， 私钥则由一个可信的私钥生成器 (Private Key Generator， PKG) 为用户派生， 消除了公钥基础设施 (Public Key Infrastructure， PKI) 系统从认证中心获取公钥证书带来的证书管理问题.
. 模糊身份基加密 (Fuzzy Identity-Based Encryption， FIBE). Sahai和 Waters 于 2005 年*次提出 FIBE 的概念， 在 FIBE 系统中， 用户的身份信息由一个属性集合表示， 加密公钥也是一个属性集合， 当且仅当这两个集合足够 “相近” 时， 解密才能正常执行. FIBE 能够容忍部分错误公钥信息， 其容错程度由度量集合近似度的方法决定， 适用于某些用户的身份信息不能被完全正确提取的场合， 如生物特征的识别等.
. 密钥策略属性基加密 (Key-Policy Attribute-Based Encryption， KPABE).Goyal 等在 2006 年引入了 KP-ABE 的概念， 密文对应于一个属性集合， 密钥对应于一个访问控制结构， 当密文中的属性能够满足用户所持有的密钥中的访问控制结构时， 用户才可以解密消息. 虽然经过多年的发展， 但 KP-ABE 方案中的数据拥有者并没有控制谁可以解密的权限， 这限制了 KP-ABE 的实际应用.
. 密文策略属性基加密 (Ciphertext-Policy Attribute-Based Encryption，CP-ABE). Bethencourt 等在 2007 年提出了 CP-ABE 的概念， 密文对应于一个访问控制结构， 密钥对应于一个属性集合， 当密钥中的属性能够满足密文中的访问控制结构时， 用户才可以解密消息. 与 KP-ABE *大的不同是， CP-ABE 中的数据拥有者拥有控制解密者身份的权限， 这使得 CP-ABE 在访问权限控制的实际应用中更加得心应手.
. 布尔表达式加密 (Boolean Expression Encryption). 布尔表达式可以由一系列真或假的布尔常量、布尔型变量、布尔运算符和布尔值函数组成.一个布尔表达式的秘密共享方案支持用户在生成陷门时根据需求以合取、析取或任意布尔表达式制定关键字搜索策略， 云服务器可以通过陷门搜索到满足秘密共享方案搜索策略的关键字密文， 以此实现更加高效的细粒度多关键字搜索功能.
. 内积加密 (Inner Product Encryption， IPE). 相比于传统的公钥密码体制， 内积加密能为用户提供细粒度和更复杂的访问策略， 在云计算等新兴领域中有着广泛的应用. 内积加密可以看作是身份基加密的一般化， 它可以作为一种工具来构造谓词加密、属性基加密和公钥可搜索加密等密码方案.
. 广播加密 (Broadcast Encryption， BE). 广播加密被广泛用在云计算、物联网等应用中， 实现多用户数据共享和秘密共享. 数据发送者*先选择一组接收者， 然后利用这一组接收者的公钥集合对数据进行加密， 并通过公开信道传输密文， 只有公钥属于集合里的用户才能正确解密并获得明文数据， 非授权用户即使合谋也不能得到加密数据的内容.
. 基
目录
目录
“密码理论与技术丛书” 序
前言
符号表
**部分 绪 论
第 1 章 引言 3
1.1 属性基加密的发端 3
1.2 属性基加密的发展沿革 3
1.3 属性基加密应用建议及标准草稿 .6
1.4 全书概览 7
第 2 章 基础概念和模型 9
2.1 密码学基础知识 9
2.1.1 概念和符号 9
2.1.2 归约 9
2.1.3 困难问题 10
2.2 属性基加密的形式化定义 12
第二部分 属性基加密的基本构建技术
第 3 章 双线性群和身份基加密 17
3.1 双线性群 17
3.1.1 双线性群的定义 17
3.1.2 椭圆*线和 Weil 配对 17
3.2 全域哈希构建技术 19
3.2.1 单向安全身份基加密 19
3.2.2 选择密文安全身份基加密 21
3.3 交换盲化构建技术 23
3.3.1 基于 BDH 假设的可选择身份安全的分层身份基加密 23
3.3.2 基于 BDHI 假设的高效可选择身份安全身份基加密 26
3.3.3 高效的 CCA2-安全公钥系统扩展 30
3.4 指数逆构建技术 31
3.4.1 方案 1: 选择明文安全 31
3.4.2 方案 2: 选择密文安全 34
第 4 章 秘密共享和模糊身份基加密 40
4.1 秘密共享 40
4.1.1 秘密共享的概念 40
4.1.2 Shamir 秘密共享方案 41
4.1.3 秘密共享与安全多方计算 41
4.2 模糊身份基加密 44
4.2.1 Sahai-Waters 模糊身份基加密方案 44
4.2.2 大属性空间中模糊身份基加密方案 47
第 5 章 属性基加密的构建技术 52
5.1 布尔表达式加密 52
5.1.1 访问结构 52
5.1.2 布尔表达式的秘密共享方案 52
5.2 内积加密和广播加密 55
5.2.1 内积加密 55
5.2.2 广播加密 58
5.3 自动机加密 59
5.3.1 确定性有限自动机 59
5.3.2 自动机加密方案 60
第 6 章 谓词编码和双系统技术 66
6.1 合数阶双线性群 66
6.2 双系统身份基加密 67
6.2.1 方案构造 67
6.2.2 安全分析 68
6.3 谓词编码和通用框架 72
6.3.1 谓词编码 72
6.3.2 双线性 73
6.3.3 双线性编码谓词加密 74
6.4 双系统群 75
6.4.1 定义与性质 75
6.4.2 合数阶双线性群上的双系统群实例 76
6.5 通过谓词编码实现素数阶群中的双系统 ABE 80
6.5.1 Zp-双线性谓词编码 80
6.5.2 编码示例 81
6.5.3 来自双系统群和谓词编码的 ABE .82
6.5.4 ABE 谓词编码示例 88
第三部分 属性基加密的高级构建技术
第 7 章 基于格的构建技术 93
7.1 格基本理论 93
7.2 随机预言机模型下基于 LWE 的身份基加密 95
7.2.1 基于 LWE 的对偶加密系统 96
7.2.2 基于 LWE 的 IBE 方案 97
7.3 标准模型下基于 LWE 问题的身份基加密 99
7.3.1 基本工具 99
7.3.2 基于 LWE 的 IBE 方案 100
7.4 基于 LWE 的属性基加密 105
7.4.1 基本工具 105
7.4.2 基于 LWE 的完全密钥同态公钥加密 105
7.4.3 基于 LWE 的 ABE 方案 .110
第 8 章 通用转换和组合技术 .112
8.1 密钥策略和密文策略的转换 112
8.2 策略组合技术 116
8.2.1 双策略 ABE 116
8.2.2 双谓词定义 118
8.2.3 配对编码定义 119
8.2.4 对完全安全 ABE 的影响 121
8.2.5 通用连词与双策略的转换 122
8.2.6 隐含的实例化 124
第 9 章 其他构建方法 126
9.1 基于剩余理论的构建方法 126
9.2 非黑盒构建技术 127
9.2.1 技术工具 127
9.2.2 非黑盒构建的 IBE 方案 131
9.2.3 非黑盒构建的 HIBE 方案 136
第四部分 属性基加密的扩展
第 10 章 安全性扩展: 属性隐藏和函数隐藏 145
10.1 属性隐藏的属性基加密 145
10.1.1 谓词加密 145
10.1.2 属性隐藏编码 146
10.1.3 属性隐藏的双系统群 146
10.1.4 弱属性隐藏谓词加密 148
10.2 函数隐藏的身份基加密 149
10.2.1 模型定义 150
10.2.2 随机预言机模型下的函数隐藏方案 152
10.2.3 标准模型下的函数隐藏方案 155
10.3 函数隐藏的内积加密 160
10.3.1 模型定义 160
10.3.2 函数隐藏的子空间成员加密通用构造 .161
10.3.3 函数隐藏子空间成员加密的应用 163
第 11 章 功能性扩展: 函数加密 168
11.1 函数加密相关定义 168
11.1.1 函数加密方案的通用语法 168
11.1.2 函数加密的子类 169
11.2 函数加密的安全性 169
11.2.1 基于模拟的安全性定义 170
11.2.2 模拟安全函数加密的不可能性 171
11.3 函数加密方案 172
试读
**部分 绪论
第 1 章 引言
属性基加密是本书的核心内容， 本书引言部分主要介绍属性基加密的发端、发展沿革、应用建议及标准草稿. *后， 我们将提供本书概览.
1.1 属性基加密的发端
属性基加密 (Attribute-Based Encryption， ABE)， 也称为基于属性的加密[1， 2]，是传统公钥加密体制和身份基加密 (Identity-Based Encryption， IBE) 体制的一种拓展， 也是属性密码学的起源[3]. Sahai 和 Waters[1] 在 2005 年*次提出了 ABE的雏形， 即模糊身份基加密 (Fuzzy Identity-Based Encryption， FIBE) 方案， 该方案中的数据加密是基于用户的生物特征来完成的. 2006 年， Goyal 等[2] 在 Sahai和 Waters 的研究基础上， *次提出了可用于细粒度访问控制的 ABE 方案， 其中用户的特征被扩展为和用户特征有关的一系列属性.
通俗来说， 一个 ABE 系统主要涉及三个参与者: 权威中心、数据所有者和数据用户. 权威生成公钥并将其发送给数据所有者， 它还生成主密钥. 数据所有者利用公钥和访问策略 (或属性) 加密数据. 此外， 权威中心根据用户的属性 (或访问策略) 使用主密钥为用户生成解密密钥. 用户接收到解密密钥后对密文进行解密. 根据访问策略的不同， ABE 主要分为密钥策略属性基加密 (Key-Policy ABE，KP-ABE) 和密文策略属性基加密 (Ciphertext-Policy ABE， CP-ABE). 基于属性集合和访问策略之间的关系， ABE 可以有效地实现非交互式访问控制， 并衍生和发展了相关加密体制. Pirretti 等[4] 建立的基于 ABE 原语的新型信息管理系统，展示了 ABE 在隐私保护和分布式信息管理中的应用前景， 目前 ABE 已经被广泛应用在云存储、云计算、电子医疗、数据发布等实际应用中.
1.2 属性基加密的发展沿革
在属性基加密体制发展的过程中， 产生了众多与之相关的加密原语.
. 身份基加密 (Identity-Based Encryption， IBE). Shamir 于 1984 年正式提出关于 IBE 的构想， 并由 Boneh 和 Franklin 在 2001 年正式给出**个基于双线性配对的构造. 在 IBE 中， 用户的身份可以用任意字符串表示， 发送方可以直接用接收方的身份作为公钥加密消息， 私钥则由一个可信的私钥生成器 (Private Key Generator， PKG) 为用户派生， 消除了公钥基础设施 (Public Key Infrastructure， PKI) 系统从认证中心获取公钥证书带来的证书管理问题.
. 模糊身份基加密 (Fuzzy Identity-Based Encryption， FIBE). Sahai和 Waters 于 2005 年*次提出 FIBE 的概念， 在 FIBE 系统中， 用户的身份信息由一个属性集合表示， 加密公钥也是一个属性集合， 当且仅当这两个集合足够 “相近” 时， 解密才能正常执行. FIBE 能够容忍部分错误公钥信息， 其容错程度由度量集合近似度的方法决定， 适用于某些用户的身份信息不能被完全正确提取的场合， 如生物特征的识别等.
. 密钥策略属性基加密 (Key-Policy Attribute-Based Encryption， KPABE).Goyal 等在 2006 年引入了 KP-ABE 的概念， 密文对应于一个属性集合， 密钥对应于一个访问控制结构， 当密文中的属性能够满足用户所持有的密钥中的访问控制结构时， 用户才可以解密消息. 虽然经过多年的发展， 但 KP-ABE 方案中的数据拥有者并没有控制谁可以解密的权限， 这限制了 KP-ABE 的实际应用.
. 密文策略属性基加密 (Ciphertext-Policy Attribute-Based Encryption，CP-ABE). Bethencourt 等在 2007 年提出了 CP-ABE 的概念， 密文对应于一个访问控制结构， 密钥对应于一个属性集合， 当密钥中的属性能够满足密文中的访问控制结构时， 用户才可以解密消息. 与 KP-ABE *大的不同是， CP-ABE 中的数据拥有者拥有控制解密者身份的权限， 这使得 CP-ABE 在访问权限控制的实际应用中更加得心应手.
. 布尔表达式加密 (Boolean Expression Encryption). 布尔表达式可以由一系列真或假的布尔常量、布尔型变量、布尔运算符和布尔值函数组成.一个布尔表达式的秘密共享方案支持用户在生成陷门时根据需求以合取、析取或任意布尔表达式制定关键字搜索策略， 云服务器可以通过陷门搜索到满足秘密共享方案搜索策略的关键字密文， 以此实现更加高效的细粒度多关键字搜索功能.
. 内积加密 (Inner Product Encryption， IPE). 相比于传统的公钥密码体制， 内积加密能为用户提供细粒度和更复杂的访问策略， 在云计算等新兴领域中有着广泛的应用. 内积加密可以看作是身份基加密的一般化， 它可以作为一种工具来构造谓词加密、属性基加密和公钥可搜索加密等密码方案.
. 广播加密 (Broadcast Encryption， BE). 广播加密被广泛用在云计算、物联网等应用中， 实现多用户数据共享和秘密共享. 数据发送者*先选择一组接收者， 然后利用这一组接收者的公钥集合对数据进行加密， 并通过公开信道传输密文， 只有公钥属于集合里的用户才能正确解密并获得明文数据， 非授权用户即使合谋也不能得到加密数据的内容.
. 基
