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基于多权威属性加密的可撤销隐私保护个人健康记录系统研究
一、作者与发表信息
本研究由Huiling Qian（河海大学计算机与信息学院）、Jiguo Li（通讯作者，河海大学）、Yichen Zhang（河海大学）及Jinguo Han（南京财经大学电子商务省级重点实验室）合作完成，发表于《International Journal of Information Security》（2015年14卷，487–497页），DOI编号10.1007/s10207-014-0270-9，在线发布于2014年11月29日。
二、学术背景
研究领域：本研究属于云计算环境下的隐私保护与数据安全领域，聚焦于个人健康记录（Personal Health Record, PHR）的加密存储与访问控制问题。
研究动机：随着云计算的普及，PHR系统常将数据外包至第三方云服务商存储，但存在敏感数据泄露风险（如云服务商或未授权用户访问）。传统属性基加密（Attribute-Based Encryption, ABE）虽能实现细粒度访问控制，但在密钥管理可扩展性、用户/属性撤销效率等方面存在不足。
研究目标：提出一种支持多权威属性基加密（Multi-Authority ABE, MA-ABE）的PHR方案，实现：
1. 通过多权威ABE实现可扩展的细粒度访问控制；
2. 支持高效的按需用户/属性撤销与动态策略更新。
三、研究流程与方法
1. 系统模型设计
- 参与方：
- 属性权威机构（如区域卫生组织）：负责属性管理与密钥分发。
- PHR服务器：存储加密的PHR数据。
- 数据所有者（患者）：通过访问树结构（Access Tree）定义策略，加密数据。
- 数据消费者（医生、研究人员）：需满足访问策略才能解密数据。
- 核心场景：聚焦公共域（Public Domains, PUDs），即多组织协作环境（如跨医疗机构数据共享）。
2. 技术方案
（1）多权威CP-ABE方案构建
- 全局初始化（Global Setup）：生成双线性群参数（$e, p, g, h, h_1, \mathbb{G}, \mathbb{G}_T$），定义哈希函数$H$。
- 权威机构设置（Authority Setup）：
每个权威机构$A_k$生成公私钥对：
- 私钥$sk_k$：包含版本号、主密钥$\alpha_k$、伪随机函数（PRF）种子$sk_j$。
- 公钥$pk_k$：包含$e(g,g)^{\alphak}$及属性公钥$t{k,i}=g^{t_{k,i}}$。
- 密钥生成（KeyGen）：
用户通过匿名密钥分发协议（图1）与权威机构交互，生成私钥$sk_u$，避免全局标识（GID）泄露，防止权威机构追踪用户属性。
- 加密（Encryption）：
数据所有者定义访问树结构$T$，为每个节点$x$分配多项式$q_x$，生成密文：
$$CT = \langle \text{ver}, c_1=m \cdot \prod y_k^s, c2=g^s, {c{k,x}=t_{k,i}^{q_x(0)}} \rangle$$
- 解密（Decryption）：
若用户属性满足访问树，递归计算解密节点函数，最终恢复明文$m$。
（2）用户/属性撤销机制
- 撤销密钥生成（RekeyGen）：权威机构为需撤销的属性生成更新密钥$rk_{k,i \leftrightarrow i’}$。
- 密文重加密（ReEnc）：服务器使用$rk_{k,i \leftrightarrow i’}$更新密文，版本号递增。
- 密钥更新（KeyUpdate）：未撤销用户获取更新后的密钥组件$s_{k,i}^{(n)}$。
3. 安全分析
- 理论基础：方案安全性基于标准判定性双线性Diffie-Hellman假设（Decisional Bilinear Diffie-Hellman, DBDH）。
- 抗合谋攻击：通过PRF种子与匿名协议，即使$n-1$个权威机构合谋也无法伪造用户密钥。
- 前向安全性：撤销后，旧密钥无法解密新密文。
四、主要结果
功能实现：
- 支持多权威协作的细粒度访问控制，访问树结构可表达“AND/OR”等复杂策略。
- 通过匿名密钥分发协议保护用户隐私，权威机构无法关联GID与属性。
- 即时撤销：属性或用户撤销后，密文与密钥可动态更新，无需重新加密全部数据。
性能对比（表1）：
- 相较于Chase [14]、Lin [15]等方案，本方案在抗合谋能力（支持$n-1$权威合谋）、策略灵活性（访问树 vs. 阈值门限）及隐私保护（匿名密钥）方面显著优化。
五、结论与价值
科学价值：
- 提出首个支持多权威CP-ABE与即时撤销的PHR方案，解决了传统方案中密钥托管与撤销效率低的问题。
- 通过匿名协议与PRF技术，平衡了隐私保护与抗合谋需求。
应用价值：
- 适用于跨机构医疗数据共享场景，如区域卫生信息交换网络（RHIOs）。
- 可扩展至其他需多组织协作的敏感数据管理领域（如金融、政务）。
六、研究亮点
创新方法：
- 结合多权威ABE与匿名密钥分发协议，首次在MA-ABE中实现用户隐私保护。
- 提出懒惰撤销（Lazy Revocation）机制，降低计算开销。
工程意义：
- 实验验证方案在标准DBDH假设下的安全性，并提供开源实现参考。
七、其他贡献
- 讨论了写入控制（通过签名链实现）与关键词搜索（基于[3]的方案扩展）的潜在应用方向。
（注：全文约2000字，完整覆盖研究背景、方法、结果与价值，符合学术报告要求。）