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基于注册的属性基加密中的密钥撤销机制研究

1. 作者与机构

本研究由Kyoichi Asano（1,2）、Nuttapong Attrapadung（2）、Keisuke Hara（2）、Keitaro Hashimoto（2）和Yohei Watanabe（1,2）合作完成。作者单位包括：
1. The University of Electro-Communications, Tokyo, Japan
2. National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Tokyo, Japan
研究发表于PKC 2025（国际密码学会议），收录于LNCS 15676（Springer Lecture Notes in Computer Science系列）。

2. 学术背景

科学领域：本研究属于密码学领域，具体聚焦于属性基加密（Attribute-Based Encryption, ABE）的扩展——注册属性基加密（Registered ABE, RABE）。

研究动机：
- 问题背景：传统ABE通过中央权威机构管理密钥，存在密钥托管（key escrow）风险。RABE通过引入透明密钥管理者（Key Curator, KC）允许用户自主注册公钥，但长期应用中密钥泄露成为重大威胁，需高效密钥撤销（key revocation）机制。
- 研究空白：现有RABE方案未支持密钥撤销，而传统ABE的撤销机制（如间接撤销或直接撤销）无法直接适配RABE的动态公钥更新特性。

研究目标：
1. 形式化定义RABE的两种密钥撤销机制：可删除RABE（Deletable RABE, DRABE）和直接可撤销RABE（Directly Revocable RABE, RRABE）。
2. 提出通用构造方法，分别基于分槽RABE（Slotted RABE, SRABE）和布尔公式支持的RABE方案。
3. 实例化方案并分析效率与安全性。

3. 研究流程与方法

流程1：形式化定义与框架设计

• DRABE：KC通过删除被撤销用户的公钥并更新主公钥（Master Public Key, MPK）实现撤销，用户无需频繁更新密钥。
  
• RRABE：加密者直接指定撤销用户列表（Revocation List, RL），无需更新MPK或用户密钥。
  

流程2：DRABE的通用构造

• 基础工具：基于Hohenberger等（Eurocrypt 2023）提出的SRABE，通过“二次幂构造（Power-of-Two）”和完全二叉树（Complete Binary Tree）结合实现高效撤销。
  
  • 关键创新：将用户分配至二叉树叶子节点，每个节点对应一个SRABE实例。删除用户时，KC通过覆盖其补集（即未撤销用户）的节点组合更新MPK，利用完全子树方法（Complete Subtree Method, CS）确保覆盖规模为O(m log(n/m))（m为撤销用户数）。
    
  • 优势：用户密钥无需更新，仅MPK动态调整。
    

流程3：RRABE的半通用构造

• 基础工具：基于支持布尔公式的RABE方案，结合Yamada等的嵌入引理（Embedding Lemma）和CS方法，将用户身份嵌入密文属性。
  
• 效率：密文大小与撤销列表规模无关，仅依赖树结构的对数级别参数。
  

流程4：实例化与效率分析

• DRABE实例：
  
  • 配对基方案：支持单调/非单调跨度程序（Monotone/Non-Monotone Span Programs）、内积谓词（Inner-Product Predicate）等，适用于有限用户场景。
    
  • 无界用户方案：基于不可区分混淆（Indistinguishability Obfuscation, IO）或见证加密（Witness Encryption），效率较低。
    
• RRABE实例：支持布尔公式的有限用户方案，及基于IO的无界用户方案。
  

4. 主要结果

1. 形式化贡献：首次定义了DRABE和RRABE的安全模型，填补了RABE中密钥撤销的理论空白。
   
2. 构造效率：
   
   • DRABE的MPK规模为O(m log(n/m))，优于传统线性依赖方案。
     
   • RRABE将撤销负担转移至加密者，适合公开撤销列表的场景。
     
3. 安全性证明：在标准SRABE安全假设下，DRABE和RRABE均满足自适应安全性（Adaptive Security）。
   

逻辑关联：
- DRABE的二叉树结构确保了任意用户删除的对称性，而RRABE的嵌入引理将身份管理转化为谓词扩展，两者均通过模块化设计继承底层方案的安全性。

5. 结论与价值

科学价值：
- 理论层面：提出了RABE中密钥撤销的首个形式化框架，扩展了属性基加密的应用边界。
- 实践意义：为长期部署的RABE系统提供了可行的撤销方案，尤其适用于物联网（IoT）或分布式系统中动态成员管理的场景。

应用潜力：
- DRABE适合KC中心化管理的场景（如企业数据共享）。
- RRABE适用于需频繁撤销且撤销列表公开的场景（如订阅制服务）。

6. 研究亮点

1. 方法创新：
   
   • 首次将完全子树方法与SRABE的二次幂构造结合，解决了RABE中密钥撤销的更新效率问题。
     
   • 提出“非交互式撤销”理念（DRABE中用户无需操作）。
     
2. 理论通用性：DRABE的构造可兼容任意谓词，RRABE支持布尔公式的灵活策略。
   
3. 跨领域启发：对注册基密码学（Registration-Based Cryptography）的撤销机制设计具有普适参考价值。
   

7. 其他价值

• 技术对比：文中对比了DRABE与RRABE的适用场景（如表1），为方案选型提供明确指南。
  
• 开源意义：基于SRABE的模块化设计便于后续方案扩展，如支持更复杂的谓词或分布式KC。
  

（报告总字数：约2000字）