LWE上基于身份的全同态加密技术研究

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近年来,随着云计算、多方保密计算的发展,相关技术涉及的安全问题也日益凸显。为了使用户的数据安全、隐私保护得到保证,要求云计算数据处理者不能享有获取数据内容的权利。全同态加密技术能够直接对密文进行运算处理而不影响数据的解密,恰好可以解决这些数据安全问题,成为现如今密码学界研究的一大热点。公钥体制下的全同态加密技术需要引入第三方机构来解决身份认证的问题,该第三方机构会导致整个密码系统的计算、存储、通信等开销大大增加,尤其是在公钥尺寸较大时尤为突出。而基于身份的加密体制可以基于身份信息生成用户公钥,使得协议的效率得到提高。本文针对现有基于身份的全同态加密方案只实现层次型同态并且只能在单身份环境下工作的问题,提出了两方面的改进优化方案,旨在实现基于身份的完全型全同态方案,以及实现多身份环境下的全同态方案。本文主要的研究工作如下:1)首先,对全同态加密的相关的概念、技术、困难问题进行了描述,分析了IBFHE相关方案的设计细节,并指出其中的安全问题。全同态加密基础方案有:基于整数、基于格、基于LWE等困难问题的等,其中LWE问题是一种数学难题,用它来构造全同态加密方案的安全依据在于规约为格上GapSVP问题的求解困难性。2013年由Gentry、 Sahai和Waters提出的基于LWE困难问题的GSW13-IBFHE方案只是基于身份的层次型而不是完全型方案,并且只能够在单身份环境下工作。2)针对"GSW13-IBFHE方案不能实现完全型全同态”的问题,利用可打孔伪随机函数能够从用户身份信息推导出公钥的原理,提出相应的改进机制来实现完全型IBFHE方案。基于奇点打孔陷门,提出了一种BL-IBFHE编译器,并以这个编译器为模板将满足一定属性的层次型IBFHE转换成自举层次型IBFHE,从而实现完全型IBFHE方案。给出了上述IBFHE方案的安全性和正确性证明,并从BL-IBFHE编译器要求的每一个属性为切入点,对已有的层次型CHKP-IBFHE方案进行分析。最后结果对比分析显示本文所提出的完全型IBFHE方案是安全有效的。3)对“GSW13编译器只能够在单身份环境下工作”的问题,从GSW13-IBFHE的同态操作入手,详细分析同态操作正确性需求,对比多身份情况的不同之处,引入“模糊系统”解决多身份下保证同态操作正确性的难题。构造了一个MIS-IBFHE编译器以实现将满足一定属性的IBE方案转换成多身份全同态加密方案,并且从与非同态操作可行性和方案的正确性两方面对该方案进行了证明。用GPV方案实例应用到MIS-IBFHE编译器中,构造了GPV-MIS-IBFHE方案,详细分析了其模糊系统的构造和安全性证明,并给出了所构造的实例方案的正确性分析。最后给出了本文MIS-IBFHE方案与GSW13-IBFHE方案的结果对比分析,验证了MIS-IBFHE方案的安全性和有效性。
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