面向实用安全的新一代可搜索公钥加密研究

Searchable Public-key Encryption (SPE) is one of promising cryptographic primitives to achieve secure search over outsourced storage of ciphertexts. Recently, increasing attention has been drawn to SPE due to the fast development of information technology in terms of ‘Sharing Economy’. However, Our current work shows that the basic definitions both of SPE and its security have serious defects. These defects cause that (1) almost all existing SPE instances cannot guarantee the pre-claimed security in practice, (2) the information leakage of SPE instances cannot be clearly described, and (3) no solution is given to guarantee the security when programming and executing SPE instances. To address these problems, this project is toward the practical security of SPE both in academic and industrial fields, like in the popular scenario of decentralized storage. Hence, this project plans to study the following content: (1) The basic definitions both of SPE and its security toward practical security; (2) The SPE instance with small information leakage and security under algorithm substitution attack; (3) The SPE instance with practical security and fast search performance; (4) The SPE instance with practical security and verifiability of search completeness; (5) The SPE instance with practical security and versatile searches; (6) The application of SPE instances in the scenario of decentralized storage. To summarize, this project will establish a new generation of SPE by proposing the new and innovative definitions of SPE and its practical security, constructing the efficient SPE instances with practical security and various functions, and Designing the effective and secure decentralized-storage system based on SPE and other cryptographic primitives.

可搜索公钥加密（SPE）是解决外包密文存储中安全检索问题的核心理论与方法之一，近些年来随着“共享经济”理念在信息技术中的深入发展而备受关注。本项目申请人及其团队最新研究发现：现有SPE及其安全性的基本定义存在重大缺陷，从而导致几乎所有基于这些定义所设计的实例化方案并不能保证实际应用中依然具有它们声称的安全性、现有安全性无法刻画实例化方案运行中的信息泄露量、实例化方案的代码运行安全无法得到保障。为了解决该问题，本项目面向SPE的实用安全性，结合热点应用场景，主要研究并提出：面向实用安全的SPE及其语义安全性基本模型；低泄漏且抗恶意算法替换攻击的SPE方案；实用安全条件下高效检索的SPE方案；实用安全条件下检索完备性可验证的SPE方案；实用安全条件下多样化检索的SPE方案；去中心化存储场景中实用安全的SPE方案的应用。最终，为SPE构建一套面向实用安全的新的基础理论、方法与应用。

可搜索公钥加密（Searchable Public-key Encryption，SPE）是一种在分布式环境下允许单一接收方对多个发送方所生成密文进行安全关键字检索的密码学原语。我们的研究发现，SPE的经典安全性定义存在重大缺陷，无法刻画SPE方案在实际运行中产生的信息泄露，并且无法保证SPE在实用中的安全性。这严重阻碍了SPE的实际部署应用。为了解决该问题，推动SPE的实用化部署，提升分布式系统的安全性，本项目以SPE的实用安全性为核心研究对象，参考可搜索对称加密的安全性模型，研究在不同热点应用场景中SPE及其安全性定义，以及构造方法。本项目的主要研究成果包括：提出了可搜索延迟加密方法，在不引入额外安全假设的前提下解决了长期困扰SPE的关键字攻击问题；提出了云边辅助工业物联网环境下的轻量级SPE，在不降低安全性的条件下，降低了工业物联网设备大约70%的加密时间开销；发现了长期存在于可搜索对称加密领域的健壮性问题，为解决该问题，提出了高效且健壮的具有前后向安全性的可搜索对称加密方法；应用混合加密的思想，构造了具有高效检索特性的SPE，将SPE的检索效率降低到可搜索对称加密水平。本项目共培养硕士、博士10人，发表论文12篇，其中中国计算机学会规定的A/B类期刊/会议论文7篇，ACM/IEEE Trans论文6篇，SCI论文8篇；共申请国家/国际发明专利7项，并获得了6项授权；公开应用系统源代码2项。