基于可验证计算的可信云计算研究

云计算的可信性直接决定了其能否被广泛使用和推广.如果能使得云计算用户验证存储在云平台的数据的完整性或者在云平台执行的程序的正确性,将会大大加快云计算的应用.而可验证计算协议可检测出远程服务器返回的程序执行结果是否正确,且不需要将远程服务器所执行的程序再重新执行一遍.因此,近年来,可验证计算协议引起了学术界和工业界的广泛关注,成为实现可信云计算的一种建设性思路.文中在系统梳理和总结可验证计算协议国内外相关研究的基础上,依据可验证计算协议的实施流程对其按照编译处理和证明系统分类.其中,依据可验证计算协议使用的编译器的复杂程度,分为使用简单编译器的可验证计算协议和使用复杂编译器的可验证计算协议;依据证明系统的分类,主要研究基于交互式证明系统的可验证计算协议和基于论证系统的有预处理的可验证计算协议.随后对依据证明系统划分的每一分类,围绕基本定义、典型协议原理及流程、适用应用场景、性能分析等问题,对基于可验证计算的可信云计算进行了综述.最后,总结和展望了待解决的关键性问题和未来的研究方向.上述工作将对可验证计算协议在云计算中的应用起到一定推动作用.

可验证计算视角下可信云计算的研究

云计算能否被广泛应用,最主要的一个决定因素就是其可信度。在实际应用过程中,云计算上的所有数据都要完整,同时,在程序执行过程中,要具有较高的精确性。这样,就能够有效拓宽云计算的应用范围。另外,云计算协议能够判断服务器内所有的反馈结果,远程服务器并不需要重新操作有关程序。近几年,可验证计算受到了研究人员的高度关注,已经成为可信云计算发展的主要趋势。

基于可重随机化混淆电路的可验证计算

Yao的混淆电路可用于客户端将函数计算外包给服务器,并可验证其正确性.然而,混淆电路仅能使用1次.Gennaro等人组合使用全同态加密和混淆电路,可实现客户端和服务器在多次输入上重用混淆电路.但是,所有已知的全同态加密在效率的提高上似乎仍有很大的空间,并且需要较强的困难性假设.另一方面,Gennaro等人的方案只能在敌手不能对客户端发起任何数量的验证查询这种较弱的模型下被证明是安全的.部分同态加密的困难性假设要弱于全同态加密,虽然只支持数量有限的同态操作,但比全同态加密运行速度更快、更加紧凑.提出了一个使用加同态加密的可验证计算方案.它基于DDH假设,能够容忍任意数量的恶意验证查询,采用的主要技术是可重随机化的混淆电路.该技术可以实现重随机化的混淆电路分布与原有的混淆电路分布在计算上是不可区分的.另外,也给出了一种使用可重随机化的混淆电路构造密码转置防火墙方案,称为可重用密码转置防火墙.也就是说,混淆电路可生成1次,接下来,密码转置防火墙可安全地重随机化和重用多次.

云计算视角下可验证计算的分析研究

云计算能否在未来的各个领域中被广泛运用,决定因素在于其可信度。可验证计算在检测云计算结果的可信度方面具有其独特优势。利用可验证计算协议可验证云服务器端所返回的数据是否正确,它成为实现云计算可信度的重要保障。文中在阐述可验证计算基本内容和相关设计原则的基础上,分析了可验证计算协议的一般流程、设计原则及计算模型,并结合基于交互系统的可验证计算协议分析,探讨在云计算视角下可验证计算的研究展望。

基于格密码的矩阵乘可验证计算方案

云计算近年来快速发展,其可信性成为了其能否广泛应用的重要决定因素,而可验证计算协议可以为用户提供以较小计算开销对服务器端返回的结果进行验证的途径。总结分析现有的针对大尺度矩阵乘的应用场景的可验证外包计算协议。基于现有的同态加密算法,构建一个用于外包计算矩阵乘的具有隐私保护的可验证外包计算协议。与国内外现有的相关协议相比,具有更低的本地计算开销。

基于三重扰动和线性组合的批量矩阵乘法可验证计算方案

随着云计算、物联网技术的发展,可验证计算作为一种新兴的计算技术得到了广泛的应用。可验证计算在为用户带来便利的同时也存在着安全挑战:数据隐私性、结果可验证性和高效性。目前,矩阵乘法可验证计算方案基本采用稀疏矩阵相乘的加密方法来保护数据的隐私性。分析稀疏矩阵加密算法后,发现存在两个挑战:一是行或列公因子泄露原始矩阵行或列数据,二是零元素泄露原始矩阵零元素统计信息。同时,现有方案对云服务器计算结果的验证效率也不理想。针对数据隐私保护挑战,设计的批量矩阵乘法可验证计算方案利用三重扰动加密算法在不增加加解密计算复杂度的同时达到更强的隐私保护效果,其中,通过构造特殊的上或下三角稀疏矩阵加入双重扰动(乘法扰动和加法扰动)来保护行或列数据,通过构造特殊的加法稀疏矩阵加入单重扰动(加法扰动)来保护零元素信息。针对云服务器计算结果验证效率挑战,所提方案利用矩阵线性组合技术实现计算结果的批量验证,验证效率提高了约50倍,并随着矩阵数量的增多而提升。性能分析表明,所提方案基本没有增加客户端加解密开销,并提高了结果验证效率。

安全高效的隐私保护公共可验证矩阵乘法外包计算方案

外包计算允许那些资源有限的数据拥有者将复杂的计算外包给资源丰富的云服务器。矩阵乘法在科学计算和密码学领域都有着重要的应用。可验证矩阵乘法外包计算允许数据拥有者将外包矩阵M和请求向量x外包给不可信的云服务器进行乘法计算,并且验证云服务器返回计算结果的正确性及完整性。但是,现有方案无法同时解决如下问题:外包矩阵M的隐私性、请求向量x的隐私性、不支持公共验证、效率低下难以应用。为解决上述问题,提出了一种安全高效的隐私保护公共可验证矩阵乘法外包计算方案,并给出了该模型的形式化定义及安全性定义。采用矩阵盲化技术保证外包矩阵M和请求向量x的隐私性,采用闭型效率的伪随机函数实现计算结果的公共可验证及方案整体的高效性。理论与实验结果表明,与现有方案相比,所提方案在保证外包矩阵M和请求向量x隐私性的同时还支持公共验证,具有更全面的功能。同时,所提方案整体计算效率更高,与现有方案相比至少能提升14%的效率,具有较高的实用价值。

可验证计算研究进展

可验证计算是分布式计算和云计算环境下,解决任务分包以及任务委托计算中产生的计算结果可靠性(可信性)问题的重要手段.本文总结可验证计算重要研究进展,主要涉及计算机理论领域和密码学领域的最新研究进展.在计算机理论领域的可验证计算研究方面,讨论了交互式证明、可随机检查证明定理(PCP theorem)和可靠性证明(CS proof)之间的联系、发展及其在可验证计算中的应用.在密码学领域的可验证计算方面,主要对应用密码学工具构建的可验证计算方案进行了分析总结.此外,简要介绍代理存储背景下的可验证计算.最后对可验证计算未来的发展方向进行展望.

基于双线性映射的公共可验证外包计算方案

已有可验证计算方案存在以下不足:一是只有计算委托方才可以对计算结果进行验证;二是即使计算委托方可以授权其他用户进行验证,但也需要将自身验证密钥交给授权用户.针对上述不足,提出一个支持公共验证的外包计算模型,给出其算法形式化定义及安全模型,并利用双线性映射提出了一个包含三方实体的公共可验证外包计算方案,给出了方案算法的具体描述、实体间的通信协议以及效率分析,方案验证无需私钥参与,实现了公共可验证性.在可证安全模型下证明该方案具有不可伪造性,其安全性可归约于lSBDH问题的困难性.

隐私保护的可验证多元多项式外包计算方案

随着云计算的发展和大数据时代的到来,如何对隐私数据进行外包计算且有效验证计算结果具有重要的现实意义。基于多线性映射和同态加密方案,提出了可验证的多元多项式外包计算方案,用户可准确验证外包计算结果的正确性。方案在标准模型中可证安全,且多项式函数和用户输入对于服务器都是保密的。分析表明,用户计算量远小于服务器的计算代价以及直接计算多项式函数。

可验证授权计算研究综述

为了解决外包数据和授权计算的安全性问题,近年来可验证授权计算理论又重新受到人们的关注和青睐。文中重点描述了在不可信环境下可验证授权计算技术是如何解决外包数据和授权计算的可验证性问题,并给出了可验证授权计算方案的形式化定义。首先采用不同分类方法对现有研究方案进行总结与归纳,指出现有研究方案的特点、所采用关键技术及不足之处;然后从功能和性能两个方面对方案进行对比分析;最后结合应用热点,从不同应用方向展望了该领域的研究趋势和发展前景。

基于区块链的双重可验证云存储方案

针对工业物联网(IIoT)中,工业设备将数据存储到云端,导致数据易被篡改且无法追踪恶意用户,引起恶性循环的问题,借助区块链的可溯源性和不可篡改性等特点,提出了一种基于区块链的双重可验证云存储方案。首先,使用同态加密技术加密数据并上传至云端,确保传输安全性,实现数据的隐私保护;其次,将聚合密文和上传者信息存储在区块链上,有效避免数据被非法用户篡改的风险,并能对恶意用户进行追溯,实现对云端数据完整性的双重验证;最后,进行安全性分析,证明所提方案比同类方案更加安全可靠。

支持多用户操作的外包数据库可验证方案

针对目前大多数的可验证计算方案只能支持单用户即数据拥有者修改数据的问题,提出了一个支持多用户操作的外包数据库可验证方案.通过在多用户和外包数据库服务器之间设置代理实现对多用户的访问控制,不需要数据拥有者在线参与;利用基于身份标识的数据结构来实现对数据进行修改,提高计算效率;利用数字签名算法和挑战应答对查询结果进行验证,保证查询结果的完整性.安全性分析表明,该方案能够保证多用户操作数据场景下查询结果的正确性和完整性.实验结果和效率分析表明,该方案不仅满足多用户场景,而且有较高计算效率.

基于身份加密中可验证的私钥生成外包算法

提出了包含私钥生成外包算法的基于身份加密方案,PKG将私钥生成的任务外包给服务器,并能有效验证外包结果的正确性。在标准模型中证明了方案的密文不可区分性和外包结果的可验证性,并对所提方案进行了仿真实现。实验结果表明,外包算法中PKG的计算量远小于直接生成用户私钥,且小于服务器的计算量。

基于XACML的可验证云访问控制方案

针对当前传感器节点的计算能力有限以及云访问控制服务的信任问题,在传感器网络双云场景中,借鉴仲裁游戏模型的思想,提出可验证的云访问控制模型。利用可扩展访问控制标示语言中决策值及策略组合算法的特点,设计针对单条策略及策略集的可验证云访问控制方案,使传感器节点能够以较小的计算代价和传输代价实现复杂的访问控制决策。在Amazon EC2云平台上的实验结果证明,与传统的本地访问控制方案相比,该方案能够以较高的效率保证云访问控制结果的可靠性。

高效可验证的隐私保护推荐系统

针对个性化推荐服务系统存在的隐私泄露问题,提出了一个高效可验证的隐私保护推荐系统,能在保护用户数据隐私的前提下,实现用户对云端计算出的推荐模型的正确性验证;利用脊回归实现对用户数据的拟合;利用Yao的混淆电路技术实现推荐模型的计算以及对模型的正确性验证.用户端和云端使用一种新的数据聚合算法AGG(Aggregation)来替换大多数己有工作中使用的公钥同态加密算法,减少了用户端和云端的计算开销,使得系统效率更高.给出了方案的安全性分析以及效率分析.

全委托的公共可验证的外包数据库方案

为解决可验证外包数据库方案存在的预处理阶段开销较大及不支持公共可验证的问题,提出了一个全委托的公共可验证的外包数据库模型.给出了模型的架构及交互流程,对模型进行了形式化定义,并给出了模型的正确性定义和安全性定义.利用双线性映射及可验证外包模幂运算协议,构建了一个全委托的公共可验证外包数据库方案,且给出了各个算法的详细描述,证明了方案的正确性和安全性.其安全性可规约为BDHE(bilinear diffie-hellman exponent)难题.与现有方案及不进行全委托计算的方案相比,全委托的公共可验证的外包数据库方案基于可验证外包模幂运算,将大量模幂运算外包给云处理,减小了数据拥有者的开销.理论与实验分析表明:该方案数据拥有者在预处理阶段所需的代价更低,效率更高,适于实际应用.此外,验证过程无需私钥参与,实现了公共可验证.

非交互式可验证的模指数外包方案

基于现有的模指数外包方案中单个服务器验证概率较低,以及2个服务器完全可验证需要多次交互等问题,设计了2个不可信的服务器模型下非交互式可验证的模指数安全外包方案.利用逻辑分割的方式,保护用户数据的隐私性;利用安全外包形式化定义证明了该外包方案是安全的.方案具有以下优势:输入数据具有保密性;服务器与用户不需要交互;服务器计算的每一部分结果都可以验证.相比于其他方案,提出的方案同时具有完全可验证性、输入保密性和非交互性的优势.

面向外包服务的可验证技术研究进展

随着数字经济时代的到来,数据已成为重要生产要素,将数据外包给第三方存储、管理、分析、计算等应用越来越广泛,随之而来的外包数据、外包计算等外包服务的可信性问题也日益突出,可验证技术被视为判定外包服务可信的一种有效且具有广泛应用前景的技术.该技术发展迅速、研究内容丰富、技术多样、种类繁多,且随着区块链、人工智能、隐私计算等新型外包服务需求的出现,为可验证技术带来了新的挑战和发展契机.本文对面向外包服务的可验证技术研究进展进行了梳理与总结.首先梳理总结给出了面向外包服务的可验证技术框架、分类方法、安全目标与评价体系.接着从外包数据和外包计算两个角度给出可验证技术的形式化定义,并分别论述其典型的可验证方案.然后从外包数据的角度,以验证数据类型为主线结合实现的功能和方法分别详细论述了不同数据类型、不同场景、不同实现方式的外包数据持有性验证和完整性验证技术;从外包计算的角度,根据外包计算类型的不同,总结归纳了5种典型外包计算的可验证技术特点及研究进展,并基于提出的评价体系对典型方案进行了详细的对比分析.最后结合新兴技术和应用热点,展望了可验证技术在前沿方向上的发展趋势、应用前景及其面临的挑战.

移动云存储中数据完整性验证的挑战外包算法

移动云存储环境下,虽然现有数据完整性验证算法保证了远程存储数据的可用性和安全性,但没有考虑到验证者有限的设备性能,因为大量的验证计算可能导致设备处理器负载过重甚至引发设备过热而自动关机.为此,在现有数据完整性验证算法的基础上提出一种数据完整性的挑战外包算法,以降低验证者的计算负担.所提出的算法会通过满秩线性方程组解的唯一性及可验证的外包双线性对运算将验证者的验证计算安全地外包给云服务提供商.安全性分析与实验结果表明,所提出的算法有好的安全性与有效性.