[论文解读] Augmenting Encrypted Search: A Decentralized Service Realization with Enforced Execution

Shengshan Hu, Chengjun Cai+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2019

Cryptography and Data Security参考文献 36被引用 6

一句话总结

本文提出一种基于区块链智能合约的去中心化可搜索对称加密（SSE）方案，通过区块链技术确保搜索结果的正确性与完整性，无需信任中心化服务器。通过利用公有链与私有链，该方案实现可验证、不可篡改的执行，消除客户端结果验证需求，并支持跨多个用户的复杂查询。

ABSTRACT

Searchable symmetric encryption (SSE) allows the data owner to outsource an encrypted database to a remote server in a private manner while maintaining the ability for selectively search. So far, most existing solutions focus on an honest-but-curious server, while security designs against a malicious server have not drawn enough attention. A few recent works have attempted to construct verifiable SSE that enables the data owner to verify the integrity of search results. Nevertheless, these verification mechanisms are highly dependent on specific SSE schemes, and fail to support complex queries. A general verification mechanism is desired that can be applied to all SSE schemes. In this work, instead of concentrating on a central server, we explore the potential of the smart contract, an emerging blockchain-based decentralized technology, and construct decentralized SSE schemes where the data owner can receive correct search results with assurance without worrying about potential wrongdoings of a malicious server. We study both public and private blockchain environments and propose two designs with a trade-off between security and efficiency. To better support practical applications, the multi-user setting of SSE is further investigated where the data owner allows authenticated users to search keywords in shared documents. We implement prototypes of our two designs and present experiments and evaluations to demonstrate the practicability of our decentralized SSE schemes.

研究动机与目标

• 解决在恶意威胁模型下，集中式服务器缺乏可验证性与信任的问题，针对可搜索对称加密（SSE）方案。
• 设计一种通用的验证机制，适用于所有SSE方案，无论其底层查询复杂度或数据结构如何。
• 通过在公有链与私有链上使用智能合约，实现无信任的去中心化加密搜索执行。
• 支持多用户环境，使经过认证的用户能够安全地搜索共享的加密文档。
• 评估所提出的去中心化SSE方案在真实世界部署场景中的实际可行性与效率。

提出的方法

• 本文设计了两种去中心化SSE方案，Π（用于公有区块链）与Π⁺（用于私有区块链），利用智能合约强制执行搜索与更新操作的正确性。
• 智能合约维护一个加密数据库，并以可验证、无状态的方式执行搜索查询，确保结果在密码学上正确且不可篡改。
• 设计了一种自定义的加密索引结构，以支持在分片区块链环境中高效搜索，提升可扩展性与性能。
• 该方案利用伪随机函数（PRFs）与哈希函数确保机密性与完整性，其安全性在标准密码学假设下得到证明。
• 通过在智能合约执行逻辑中编码查询逻辑，支持布尔查询与多关键词查询等复杂查询。
• 系统已在Ethereum（公有链）与私有区块链（Hyperledger Fabric）上实现并评估，结果表明其在真实测试网络中具备实际性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于区块链智能合约的去中心化架构，能否消除加密搜索系统中对客户端搜索结果验证的需求？
• RQ2 如何为所有SSE方案构建一种通用的验证机制，无论其底层设计或查询表达能力如何？
• RQ3 在公有链与私有链上部署去中心化SSE时，安全与效率之间的权衡如何？
• RQ4 如何在去中心化的加密搜索系统中安全地支持多用户对共享加密文档的访问？
• RQ5 在区块链平台部署SSE会引入何种性能开销？这些开销能否被缓解以实现实际应用？

主要发现

• 所提出的去中心化SSE方案Π与Π⁺在无需任何客户端验证的情况下实现正确性与安全性，确保搜索结果在密码学上被保证正确。
• 该方案支持布尔查询与多关键词查询等复杂查询，适用于广泛的现实世界加密搜索工作负载。
• 性能评估表明，该方案具备实用性，搜索与更新操作可高效扩展——搜索时间复杂度为O(dw)，更新时间复杂度为O(tw)，与现有集中式SSE方案的效率相当。
• 在Ethereum与Hyperledger Fabric上的实现表明，该方案可在真实区块链环境中部署，通信与计算开销对搜索与更新操作均被限制在O(|W_id|)以内。
• 采用分片区块链架构显著提升了可扩展性，支持并行执行并降低大规模部署的延迟。
• 该方案的安全性在标准假设下被形式化证明，其安全性依赖于底层密码原原子的伪随机性。