基于SM9的密钥策略属性基加密
Key-Policy Attribute-Based Encryption Based on SM9
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摘要:研究背景 SM9是我国自主设计的标识密码，包含数字签名算法、密钥交换协议、密钥封装机制和公钥加密算法，现已全体系纳入国家标准与国际标准。密钥策略属性基加密是由基础标识加密衍生的加密技术，在密钥策略属性基加密中，密钥分发机构 (权威机构) 根据访问结构产生用户私钥, 加密者加密时指定一个属性集合加密数据, 当且仅当密文上相关联的属性集合满足用户解密密钥上的访问结构时, 该用户才能执行正确的解密操作。与支持单用户数据安全访问的基础标识加密相比，密钥策略属性基加密支持精准的多用户数据安全访问。目前，国外的密钥策略属性基加密研究成果丰富，但缺少基于SM9的密钥策略属性基加密算法，导致信息系统严重依赖国外算法。目的 本文研究基于国产密码SM9的密钥策略属性基加密，既是国产密码科学研究的发展趋势，也是信息系统自主可控的必然要求。方法 本文给出了两个基于SM9的密钥策略属性基加密算法，在保留SM9算法特征的同时，分别支持小属性空间与大属性空间。首先，采用访问树结构表示访问结构, 面向小属性空间, 提出了第一个基于SM9 的密钥策略属性基加密算法。其次，采用Boneh-Boyen 选择标识加密的密钥构造技术, 面向大属性空间, 在上述算法的基础上, 提出了第一个支持大属性空间的基于 SM9 的密钥策略属性基加密算法。最后，这两个算法均被证明在 (f,g)-GDDHE 问题的困难性假设下具有抗选择集合攻击安全性。结果 本文首先从理论上证明，新算法的安全强度与国外同类型算法相同。其次，使用C++和Miracl库对提出的算法进行了仿真实验。实验结果表明，在 256 比特安全强度下，当属性空间大小为 64，策略属性大小为 32 时，本文提出的第一个算法加密用时 0.1 s，解密用时 0.98 s。当加密时使用的属性集合大小为 64, 策略属性大小为 32 时，本文提出的第二个算法加密用时 0.3 s，解密用时 1.96 s。因此，本文提出的算法可以完全替代国外算法。结论 本文开创了 SM9 框架下密钥策略属性基加密的正式研究，提出了两个基于 SM9 的密钥策略属性基加密算法。研究工作既发展了属性基加密的设计理论与方法，也拓展了国产公钥密码的功能与应用范围，可以更好地支撑 SM9 标识加密在云计算和区块链等分布式计算系统中更加精准的多用户数据安全访问需求。Abstract: Attribute-based encryption (ABE) is a type of encryption derived from identity-based encryption, implementing access control over encrypted data based on attributes rather than on specific identities. SM9 is the Chinese national standard for identity-based cryptography. This paper presents two novel key-policy attribute-based encryption (KP-ABE) designs based on SM9. The first scheme operates in a small attribute universe, while the second scheme caters to a large universe where the size of public parameters is only proportional to the maximum number of attributes used for encryption. Both schemes have a similar private-key/ciphertext structure to the original SM9 identity-based encryption algorithm, enabling effective integration into information systems built on SM9. Further, both schemes are selectively secure under the (f,g)-GDDHE assumption. Extensive experiments show that both schemes are comparable to other classical KP-ABE schemes, in terms of the communication and computational costs. We believe the proposed schemes will expedite the implementation of SM9 in distributed computing systems such as cloud computing and blockchain.
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