[论文解读] Homomorphic Encryption: An Analysis of its Applications in Searchable Encryption

Ivone Amorim, Ivan Costa|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2023

Cryptography and Data SecurityComputer Science参考文献 77被引用 3

一句话总结

本文分析了同态加密（HE）在可搜索加密（SE）方案中的集成，揭示其在实现对加密数据的安全高效搜索中的作用。研究发现，部分同态加密（PHE），尤其是Paillier密码系统，在SE中占据主导地位，索引结构和排序搜索最为常见，而模糊关键词搜索、可验证性及用户撤销等功能仍处于开发不足状态。

ABSTRACT

The widespread adoption of cloud infrastructures has revolutionised data storage and access. However, it has also raised concerns regarding the privacy of sensitive data stored in the cloud. To address these concerns, encryption techniques have been widely used. However, traditional encryption schemes limit the efficient search and retrieval of encrypted data. To tackle this challenge, innovative approaches have emerged, such as the utilisation of Homomorphic Encryption (HE) in Searchable Encryption (SE) schemes. This paper provides a comprehensive analysis of the advancements in HE-based privacy-preserving techniques, focusing on their application in SE. The main contributions of this work include the identification and classification of existing SE schemes that utilize HE, a comprehensive analysis of the types of HE used in SE, an examination of how HE shapes the search process structure and enables additional functionalities, and the identification of promising directions for future research in HE-based SE. The findings reveal the increasing usage of HE in SE schemes, particularly Partially Homomorphic Encryption. The analysis also highlights the prevalence of index-based SE schemes using HE, the support for ranked search and multi-keyword queries, and the need for further exploration in functionalities such as verifiability and the ability to authorise and revoke users. Future research directions include exploring the usage of other encryption schemes alongside HE, addressing omissions in functionalities like fuzzy keyword search, and leveraging recent advancements in Fully Homomorphic Encryption schemes.

研究动机与目标

• 分析同态加密（HE）在可搜索加密（SE）方案中的当前研究状态。
• 对SE中使用的HE类型（包括PHE、FHE等）进行分类与评估。
• 研究HE对SE架构的影响，特别是对索引构建和搜索功能的影响。
• 识别基于HE的SE中尚未充分探索的功能，如可验证性、用户访问控制和模糊关键词搜索。
• 提出未来研究方向，包括混合方案设计以及利用近期FHE技术进展。

提出的方法

• 基于既定方法论，对23个近期集成HE的SE方案进行了系统性文献综述。
• 分析将HE方案按类型（PHE、FHE等）、搜索结构（基于索引与顺序搜索）和支持功能进行分类。
• 评估HE在排序搜索方案中实现相关性分数（如TF-IDF）同态计算的作用。
• 研究HE在访问控制机制中的应用，包括用户授权与撤销，以及可验证性特性。
• 分析密码学原原子（如同态消息认证）在无需直接使用HE的情况下实现可验证性的角色。
• 评估将其他加密方案（如ABE、OPE）与HE结合以增强功能可行性的可能性。

Figure 1: Conceptual overview of a cloud-based SE system.

实验结果

研究问题

• RQ1 在可搜索加密（SE）方案中，哪种同态加密（HE）类型使用最广泛？
• RQ2 HE如何影响SE系统的设计，特别是在索引构建和搜索功能方面？
• RQ3 基于HE的SE方案中最常见的搜索功能是什么？哪些功能缺失？
• RQ4 基于HE的SE方案在可验证性和用户访问控制（授权与撤销）方面支持程度如何？
• RQ5 在FHE近期进展的背景下，基于HE的SE最具前景的未来研究方向是什么？

主要发现

• 所分析的基于HE的SE方案中，75%是在过去三年内发表的，表明该研究趋势正在快速增长。
• 部分同态加密（PHE），尤其是Paillier密码系统，因其实现简单且安全性已得到验证，成为最广泛使用的HE方案。
• 基于索引的SE方案（利用HE构建加密索引）最为普遍，因其可避免在大型数据库中进行昂贵的顺序扫描。
• 通过同态计算TF-IDF分数实现的排序搜索是最常见的功能，其次是支持多关键词查询（合取/析取）。
• 在分析的基于HE的SE方案中，无一支持模糊关键词搜索，尽管其具有很高的实际价值，表明存在显著的研究空白。
• 仅有一项研究（Wu et al., 2018）使用HE实现可验证性，且无任何研究涉及用户授权与撤销，凸显访问控制功能开发不足。

Figure 2: Key characteristics of a cloud-based SE scheme.