可搜索語音加密機制訪問控制的匿名交互算法

何少芳，周 麗

(湖南農業大學 信息與智能科學技術學院，湖南 長沙 410128)

隨著云計算技術的快速發展，越來越多的組織和個人選擇第三方云平臺來存儲自己的數據[1]。伴隨著語音通信的廣泛應用，海量的加密語音數據隨之產生。語音數據以密文形式存儲于云端服務器，如果用戶需要搜索包含某個語音關鍵字的相關語音文件，將產生云環境下加密語音數據搜索操作的難題。為了更好地解決該問題，可搜索語音加密機制(Searchable Voice Encryption，SVE)應運而生。與文本的可搜索加密機制[2-5]類似，數據提供者可以使用SVE機制對數據進行加密，并將密文存儲在云端服務器。當用戶需要搜索某個關鍵字時，可以將該關鍵字的搜索憑證發給云端服務器。云端將接收到的搜索憑證對每個文件進行檢索匹配，如果匹配成功，則說明該文件中包含該關鍵字。最后，云端將所有匹配成功的文件發回給用戶，而用戶收到檢索結果之后，只需對返回的文件進行解密[6-9]。搜索加密體制允許用戶對密文數據通過關鍵詞進行檢索，減少了數據共享用戶的通信和計算開銷[10]。有學者提出基于感知哈希的密域音頻檢測方案[11-12]，該方案可在不下載和不解密云端語音加密數據的條件下，實現加密語音段快速、準確檢索。為了進一步改善感知哈希的魯棒性和區分性以提高檢索效率，研究人員利用語音的多重分形特征提出性能更優的感知哈希加密語音檢索算法[13]。此外，研究人員還提出了基于音節級感知哈希的加密語音檢索算法[14]，可實現語音段和關鍵詞的檢索。然而，這些可搜索加密語音的方法都屬于可搜索語音加密機制中的單用戶單服務器模型，即只能實現單一用戶的檢索功能。在可搜索語音加密機制的一對多和多用戶單服務器模型中，需要解決多個用戶的訪問檢索問題，重點在于訪問控制中能實現用戶的匿名身份驗證。基于此，本文提出一種公鑰匿名交互算法。該算法基于離散對數困難問題實現用戶的匿名身份驗證，并利用過濾函數實現對稱密鑰的傳遞以及用戶的動態增刪。其中，對稱密鑰是指用于加解密語音數據的密鑰。總的來說，提出的交互算法實現了多用戶訪問控制中的以下功能：(1)用戶的匿名身份驗證；(2)安全傳遞用于語音數據加解密的對稱密鑰；(3)針對用戶的動態增刪情況(新用戶加入和老用戶退出)，在不更新其他合法用戶私鑰的前提下，一次性完成增加新用戶或撤銷多個用戶使用權限的操作。

1 可搜索語音加密機制應用模型

與文本的可搜索加密問題模型相似，可搜索語音加密機制應用模型也可分成4類：單用戶單服務器模型、多對一單服務器模型、一對多單服務器模型以及多用戶單服務器模型[15]，如圖1所示。實際上，從安全角度出發，根據接收者(用戶)檢索前是否需要身份驗證，單用戶單服務器模型與多對一單服務器模型可以分成一類，因為它們都只有一個接收者，檢索時無需進行訪問控制或身份驗證。一對多單服務器模型與多用戶單服務器模型可歸為另一類，因為在這兩種模型中，接收者(用戶)在檢索前需要進行身份驗證，只有合法用戶才能取得檢索權限。一對多單服務器模型和多用戶單服務器模型分別是單用戶單服務器模型和多對一單服務器模型的擴展，也是云環境下復雜共享機制的抽象，具備廣闊的應用前景。

圖1 可搜索語音加密機制的應用模型分類

2 交互算法

在一對多和多用戶單服務器模型中，發送者將已加密的語音數據上傳至不可完全信賴的云端服務器，任意用戶只要能通過訪問控制即可具備加密語音數據的檢索權限。如果在訪問控制的身份驗證中要求保護用戶隱私，則匿名技術不可或缺。本文基于離散對數困難問題和過濾函數設計交互算法，實現訪問控制中的公鑰匿名身份驗證、對稱密鑰傳遞以及用戶動態增刪。具體來說，如果用戶Bob要檢索包含語音關鍵詞Q的語音文檔，他必須先通過匿名身份驗證，才能向云端服務器發送查詢關鍵詞Q的音節級感知哈希，進而獲得解密密鑰和服務器返回的檢索結果。云端服務器對查詢關鍵詞的明文信息一無所知，而關于查詢方信息僅知道其編號。在云端服務器返回檢索結果以后，用戶Bob利用私鑰和密鑰傳遞信息(C1(x),C2)就可獲得解密密文語音所需的對稱密鑰K，從而解密所有包含關鍵詞Q的密文語音文檔。訪問控制交互算法的技術線路如圖2所示，關鍵部分可分成以下幾點進行具體描述。

2.1 系統初始化設置

設p是一個大素數，q也是一個素數且滿足q|p-1,q>n, 其中n為用戶數目，g是Zq上的一個生成元。這樣在p中計算以g為底的離散對數被認為是困難問題，p予以公開。隨機選擇一個k次多項式f(x)=a0+a1x+…+akxk,k>N,N為最大用戶數。除另有說明外，本文的所有算術運算都在Zq上進行。

2.2 密鑰的產生

(1)

圖2.交互算法技術線路

2.3 匿名身份驗證

用戶Bob要查詢包含語音關鍵詞Q的語音文檔，他必須先通過匿名身份驗證，在隱藏自己真實身份(只有編號i)的前提下向云端服務器證明自己是用戶群中的合法用戶。這個驗證過程通過以下步驟實現：

步驟3Bob按順序計算式(2)中的各項, 并將式(3)發送給云端服務器；

(T1)fi(i),(T′1)f2i(i),…,(T′n)f2ni(i)

(2)

Δ=(T1)fi(i)‖(T′1)f2i(i),‖…‖(T′n)f2ni(i)

(3)

步驟4服務器將I中所有相鄰順序為T′jTl，j,l∈{1,2,…,n}形式的部分提取出來，例如T′1T2,T′2T3,…,T′n-1Tn。根據相應中Δ的項分別成對式(4)中的項

(4)

滿足

r′j×r′j-1=1mod(q-1),rj×rj-1=1mod(q-1)

(5)

驗證它們是否相等，這是因為

(6)

(7)

若所有提取的部分通過相等的驗證，則執行下一步驟的操作，否則驗證失敗；

xk‖gAf(xk)‖gAf(i)‖給Bob；

步驟6Bob利用收到的k組數據(xj,gAf(xj))，j=1,2,…,k以及(i,gAf(i))，由Lagrange插值法得到

(8)

將gAf(0)發送給服務器；

值得指出的是，該交互過程通過訪問控制模塊在后臺自動計算輔助完成，用戶僅需在訪問控制界面上提供相關信息即可，無需按步驟親自參與計算過程。

2.4 對稱密鑰傳遞

(9)

其中，(C1(x),C2)被稱為密鑰傳遞信息，它將由數據發送者上傳到云端服務器。通過匿名驗證的合法用戶(查詢方)利用服務器發來的消息(C1(x),C2)以及所持私鑰通過簡單的計算即可獲得對稱密鑰K。

(10)

待查詢方從云端服務器下載包含查詢關鍵詞的密文語音檢索結果，對其進行解密操作即可得到明文語音的檢索結果。值得注意的是，云端服務器除了存儲數據提供者上傳的帶水印加密語音數據外，還存儲密鑰傳遞信息(C1(x),C2)和系統哈希表，它在收到合法用戶發來的查詢請求后(查詢語音的感知哈希)，將利用文獻[14]中的方法進行高效快速地檢索。

2.5 用戶的動態增刪

3 算法分析

3.1 用戶匿名安全與不可否認性

3.2 完全抗共謀性

3.3 完全撤銷性與恢復性、用戶密鑰的耐用性

由對稱密鑰的傳遞算法和用戶動態增刪算法可知，密鑰管理中心與數據提供者通過雙方協作能實現撤銷用戶和新增用戶的操作。檢索權限被撤銷的用戶，由于其私鑰已失效，無法順利通過身份驗證，從而無法進行加密語音數據的檢索。在用戶的增加(恢復)與刪除操作中，它不存在門限，可一次性完成多個用戶的增刪，具有完全撤銷性與恢復性。此外，無論是撤銷還是增加用戶，原有用戶的私鑰都無需更新，所以用戶私鑰具有較強的耐用性。

4 結束語

在可搜索語音加密機制的訪問控制中，為了解決身份驗證，對稱密鑰安全傳遞以及用戶的動態增刪問題，本文基于離散對數問題難解性提出一種公鑰匿名交互算法。通過數據發送方、密鑰分發中心以及云端服務器的共同協作，該算法不僅能夠實現用戶的匿名驗證、保護用戶隱私，還能安全傳遞用于加解密語音數據的對稱密鑰，并完成訪問用戶的動態增刪。需要注意的是，雖然本文方案的安全性較高，但也有其無法避免的缺陷，具體體現在合法用戶提出查詢請求時，提交的是查詢語音的感知哈希，它雖然能有效隱藏查詢內容，但無法隱藏用戶的檢索模式。因此，下一步工作主要包括兩個方面：一是探索掩蓋用戶檢索模式的有效方法；二是以本文工作為基礎進一步實現面向多用戶的可搜索語音加密機制。