可验证的外包属性基加密方案在云辅助移动电子健康系统中的应用

作者及发表信息

本文由Yinbin Miao（西安电子科技大学网络工程学院）、Feng Li（西安电子科技大学）、Xinghua Li（西安电子科技大学综合业务网理论及关键技术国家重点实验室）、Jianting Ning（福建师范大学计算机与网络安全学院/澳门城市大学）、Hongwei Li（电子科技大学计算机科学与工程学院）、Kim-Kwang Raymond Choo（德克萨斯大学圣安东尼奥分校信息系统与网络安全系）和Robert H. Deng（新加坡管理大学信息系统学院）共同完成，发表于IEEE Transactions on Dependable and Secure Computing（2024年7-8月刊，第21卷第4期）。

研究背景

科学领域与研究动机

本研究属于密码学与云计算安全交叉领域，聚焦于属性基加密（Attribute-Based Encryption, ABE）在移动电子健康（e-health）系统中的应用。随着云计算的普及，医疗数据外包存储成为趋势，但同时也带来了数据安全和隐私保护的挑战。传统的密文策略属性基加密（Ciphertext-Policy ABE, CP-ABE）虽然能实现细粒度访问控制，但其加密和解密计算复杂度高，难以在资源受限的移动设备（如智能手机、传感器）上高效运行。此外，云服务器可能因利益驱动（如节省计算成本或泄露数据）执行错误的加密或解密操作。

研究目标

本文提出两种方案：
1. OABE（Outsourced ABE with Verifiable Encryption）：支持可验证的外包加密，确保云服务器正确执行加密操作。
2. OABE+（Extended OABE with Verifiable Decryption）：进一步支持可验证的外包解密，防止云服务器返回错误的解密结果。

研究流程

1. 系统模型与问题定义

研究构建了一个云辅助移动电子健康系统，包含以下实体：
- 可信机构（TA）：负责系统初始化和密钥生成。
- 数据所有者（DO）：指定访问策略并加密健康数据。
- 公共验证者（PV）：验证云服务器的加密操作是否正确。
- 云服务器（CS）：执行外包加密和解密操作。
- 数据用户（DUs）：访问解密后的数据。

2. 方案设计

（1）OABE方案

• 密钥生成（KeyGen）：TA将主密钥拆分为两部分（α₁, α₂），分别生成用户密钥和云服务器密钥。
  
• 加密（Enc）：
  
  • DO阶段：执行轻量级加密（如生成中间密文）。
    
  • CS阶段：云服务器完成大部分计算密集型操作（如生成最终密文）。
    
• 验证与净化（Sanitize）：PV通过短签名（Short Signature）验证云服务器的加密操作是否正确，并生成净化后的密文以防止未授权访问。
  
• 解密（Dec）：
  
  • CS阶段：云服务器执行部分解密，生成中间结果。
    
  • DU阶段：用户完成最终解密。
    

（2）OABE+方案

在OABE基础上，引入可验证标签机制（Verifiable Tag Mechanism），确保云服务器正确执行解密操作。具体步骤：
- 加密阶段：DO生成会话密钥rr，并通过哈希函数映射为标签tag，用于后续验证。
- 解密验证：DU通过标签验证解密结果的正确性。

3. 安全分析

研究基于q-parallel BDHE（双线性Diffie-Hellman指数）假设和q-SDH（强Diffie-Hellman）假设，证明了方案的安全性：
- 抗未授权访问：即使攻击者获取部分密钥，也无法解密不符合访问策略的密文。
- 抗恶意云服务器：云服务器无法伪造加密或解密结果。

4. 性能评估

通过理论分析和实验测试（基于NSF研究奖项摘要数据集），比较了OABE/OABE+与现有方案（如SACS）的性能：
- 计算开销：OABE将加密/解密的计算负担从用户转移至云服务器，用户仅需执行常数级操作。
- 存储开销：OABE的密钥存储成本低于SACS。
- 实验验证：在真实数据集上，OABE在加密和解密效率上均优于对比方案。

主要结果

1. 理论贡献：
   
   • 首次提出同时支持可验证外包加密和解密的CP-ABE方案。
     
   • 通过密钥分割和短签名技术，显著降低用户端的计算负担。
     
2. 实验验证：
   
   • 当属性数量为50时，OABE的用户密钥生成时间仅为SACS的50%。
     
   • 解密阶段，OABE的用户计算开销比SACS减少约60%。
     

研究意义

1. 科学价值：
   
   • 为ABE在资源受限环境中的应用提供了新思路。
     
   • 提出了可验证外包加密/解密的通用框架。
     
2. 应用价值：
   
   • 适用于移动医疗、物联网等场景，保障数据安全的同时提升效率。
     
   • 为云服务提供商提供了可审计的加密方案。
     

研究亮点

1. 创新性方法：
   
   • 密钥分割技术与短签名结合，实现高效验证。
     
   • 可验证标签机制解决了外包解密的正确性问题。
     
2. 性能优势：
   
   • 用户端计算复杂度与属性数量无关，适合移动设备。
     
3. 安全性保障：
   
   • 在标准模型下证明方案的安全性，抵御密钥共谋攻击。
     

其他有价值内容

• 本文还讨论了方案在多授权机构和动态策略更新场景下的扩展性。
  
• 未来研究方向包括支持更复杂的访问策略（如隐藏策略）和跨域数据共享。
  

（报告完）