實用的私有信息檢索及其應(yīng)用研究.pdf

1、現(xiàn)如今，網(wǎng)絡(luò)通信的快速發(fā)展和電子商務(wù)活動的蓬勃興起，各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)施也與之進(jìn)步。數(shù)據(jù)庫，作為信息的存儲系統(tǒng)，是IT設(shè)施的基石之一，為用戶提供了數(shù)據(jù)存儲和共享服務(wù)。為了獲得最新的信息，數(shù)據(jù)庫是必不可少的訪問資源。然而，用戶從數(shù)據(jù)庫或網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中查詢的內(nèi)容往往是非常敏感的，例如專利數(shù)據(jù)庫，醫(yī)藥數(shù)據(jù)庫，股票報價等等，這些查詢內(nèi)容隨時隨地都有可能將用戶的私有信息或興趣愛好等隱私暴露給數(shù)據(jù)庫提供商。因此，在用戶查詢數(shù)據(jù)庫的過程中保護(hù)用戶的查詢隱私至關(guān)重

2、要。私有信息檢索(Private Information Retrieval，PIR)就是用戶在檢索數(shù)據(jù)庫記錄時，向數(shù)據(jù)庫服務(wù)器方隱藏查詢記錄的身份信息，從而保護(hù)用戶的查詢隱私不被泄露。私有信息檢索由Chor于1995年首次提出概念和模型，并于1998年給出規(guī)范化定義：數(shù)據(jù)庫擁有n比特字符串d1d2…dn，其中i∈{1，2…，n}為數(shù)據(jù)項索引。用戶向數(shù)據(jù)庫發(fā)出請求q(i)，要求查詢第i個數(shù)據(jù)項di，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器在不知道i的任何信息的情況

3、下將di發(fā)送給用戶。此后，私有信息檢索問題吸引了大量研究者的關(guān)注。一個有效的私有信息檢索主要由用戶檢索出一條記錄時的通信復(fù)雜度和計算開銷來衡量。私有信息檢索不僅可以保護(hù)用戶的查詢隱私，還可以應(yīng)用于公鑰加密系統(tǒng)查詢、匿名認(rèn)證，PIR-Writing等各種場合中。
　　 保護(hù)用戶的查詢隱私是非常重要，但是隨著云存儲服務(wù)的流行，越來越多的用戶喜歡將他們的加密信息存儲在云數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)用戶需要更新數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)時，保護(hù)用戶的更新隱私不被泄露于

4、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器也是必要的。PIR-Wring就是用戶在更新數(shù)據(jù)庫的記錄時，保護(hù)更新記錄的索引及更新的內(nèi)容不會泄露給數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。PIR-Writing是私有信息檢索中一個重要的分支。2007年，Boneth，D等人首次提出一個有效的PIR-Writing方案。PIR-Writing的數(shù)學(xué)模型如下：私有數(shù)據(jù)f={f1，f2，…fn}被(用戶)加密后存儲在數(shù)據(jù)庫上，其中i∈{1，2…，n}為數(shù)據(jù)項索引，每條記錄為ιbits。用戶將第i(1≤i

5、≤n)條記錄fi更新為y，而數(shù)據(jù)庫服務(wù)器不知道“i”的信息，也不知道更新的內(nèi)容y。
　　 由于對私有信息檢索逐漸深入地研究，根據(jù)安全模型，可將已存在的PIR方案大致劃分為三類：信息論P(yáng)IR(Information Theoretical Private Information Retrieval，IPIR)；計算安全的PIR(Computational Private Information Retrieval，CPIR；基于安

6、全硬件的PIR(Hardware-based PIR，HW-PIR)。但是，當(dāng)前已存在的PIR協(xié)議由于較高的通信復(fù)雜度和計算復(fù)雜度(與數(shù)據(jù)庫的大小n相關(guān))大多數(shù)都只具有理論意義，不適合用于實際的應(yīng)用環(huán)境或大型數(shù)據(jù)庫中。在半誠實模型下，從實用性和安全性角度出發(fā)，本文主要進(jìn)行了如下研究工作：
　　 1.基于安全處理器(Secure Coprocessor，SC)，結(jié)合CPIR中計算難題的安全性，提出一個新的加密數(shù)據(jù)庫的HW-PIR協(xié)

7、議。通過比特流置換和代理重加密思想，保證了HW-PIR在線查詢的最高效率O(1)，同時降低安全處理器SC預(yù)處理階段的計算量。該方案使用戶的查詢隱私不會泄露給數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，還防止用戶查詢內(nèi)容與數(shù)據(jù)庫的隱私泄露給SC和惡意攻擊者，安全性更強(qiáng)。特別地，方案中SC可以負(fù)載其它宿主，減輕查詢服務(wù)器的負(fù)載，對被頻繁查詢的數(shù)據(jù)庫來說，具有實用價值。
　　 2.對PIR-Writing深入研究。目前PIR-Writing的通信復(fù)雜度(O(klo