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高效函数隐藏内积函数加密及其在细粒度数据分享中的应用

Efficient Function-Hiding Inner Product Functional Encryption and Its Application to Fine-Grained Data Sharing

  • 摘要:
    研究背景 函数隐藏内积函数加密(FH-IPFE)作为一种很强的密码学原语,可以实现密钥持有者解密得到两个向量的内积值,但同时不泄露向量的任何其他信息。FH-IPFE已经被证明可以应用于隐私计算中,如生物信息密态识别、数据库模糊查询等。然而,目前已有的FH-IPFE效率均较为低下,已严重制约其在实际场景中的应用。
    目的 针对这一问题,本文基于通用群模型构造一种高效的FH-IPFE方案。
    方法 本文利用一个结构化的稀疏均匀随机矩阵及其逆矩阵,分别在加密和密钥生成过程中隐藏向量的信息,并通过快速数论变换NTT将原始矩阵变得非稀疏来保证安全性;同时,由于NTT的迭代计算特性,加密和密钥生成算法也可以迭代计算,从而提升了FH-IPFE方案的整体效率。在此基础上,我们利用提出的高效FH-IPFE方案,设计了一个细粒度数据分享系统。通过给服务器端分享不同级别的解密私钥,来让拥有丰富资源的服务器完成大部分的计算操作。
    结果 与已有最高效的FH-IPFE方案相比,我们的提升是多方面的:(1)主私钥规模由原先的n2减少为3n–1;(2)初始化算法的时间复杂度由O(n3)降到了O(n);(3)加密和密钥生成算法的时间复杂度由O(n2)降到了O(nlogn)。此外,我们还为FH-IPFE提出了一种新的安全性定义:抵抗部分解密私钥泄露可模拟安全性。
    结论 结合FH-IPFE原有的可模拟安全性,我们设计的细粒度数据分享系统不仅可以实现服务器端对用户数据的密态统计查询,也支持用户端对自身数据的各种操作,这是以往基于同态加密所不能实现的。基于本文的研究成果可以发现,应用均匀随机矩阵来掩盖信息的加密方案可以进一步被优化,只要保证我们设计的结构化矩阵同样可以提供足够的随机性即可,但这往往需要结合具体的方案来做安全性分析。

     

    Abstract: In a function-hiding inner product functional encryption (FH-IPFE) scheme, both secret keys and ciphertexts are associated with vectors. Given a secret key for an n -dimensional vector \boldsymbolx , and a ciphertext for an n -dimensional vector \boldsymboly , a decryptor learns the inner product value \langle\boldsymbolx,\; \boldsymboly\rangle and nothing else about both \boldsymbolx and \boldsymboly . FH-IPFE has been shown to be very useful in privacy-preserving computation. In this paper, we first propose a new (secret-key) FH-IPFE scheme and prove it the secure in the generic group model. Compared with the state-of-the-art scheme of Kim et al., the proposed scheme has comparable performance in decryption and reduces 1) the size of master key from n^2 to 3n-1 , 2) the setup complexity from O\left(n^3\right) to O\left(n\right) , and 3) the encryption and key generation complexities from O(n^2) to O(n\log n) . To the best of our knowledge, this is the most efficient construction based on pairings to date. Moreover, we apply our FH-IPFE scheme to build a fine-grained data sharing system, where data owners store their encrypted data on an untrusted server. Our design supports not only basic database operations but also statistical analyses on encrypted data. To achieve this goal, we also introduce a new security notion, partial-key exposure-resilient simulation-based security (PK-ER-SIM), for FH-IPFE, which enables lightweight clients to securely delegate heavy computations to a powerful server and may be independent of interest.

     

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