[论文解读] Practical Solutions For Format-Preserving Encryption

Mor Weiss, B.A. Rozenberg+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2015

Cryptography and Data Security参考文献 4被引用 6

一句话总结

本文提出了一种高效、安全且实用的格式保持加密（FPE）方案，该方案在保持数据格式的同时确保了强大的隐私保障。该方案引入了一种新颖的格式表示方法和优化的加密/解密算法，无需昂贵的预处理阶段，通过用户定义的大小边界支持大格式，实现安全与效率的灵活权衡，并在约束条件下达到最优安全性能。

ABSTRACT

Format Preserving Encryption (FPE) schemes encrypt a plaintext into a ciphertext while preserving its format (e.g., a valid social-security number is encrypted into a valid social-security number), thus allowing encrypted data to be stored and used in the same manner as unencrypted data. Motivated by the always-increasing use of cloud-computing and memory delegation, which require preserving both plaintext format and privacy, several FPE schemes for general formats have been previously suggested. However, current solutions are both insecure and inefficient in practice. We propose an efficient FPE scheme with optimal security. Our scheme includes an efficient method of representing general (complex) formats, and provides efficient encryption and decryption algorithms that do not require an expensive set-up. During encryption, only format-specific properties are preserved, while all message-specific properties remain hidden, thus guaranteeing data privacy. As experimental results show that in many cases large formats domains cannot be encrypted efficiently, we extend our scheme to support large formats, by imposing a user-defined bound on the maximal format size, thus obtaining a flexible security-efficiency tradeoff and the best possible security (under the size limitation).

研究动机与目标

• 为云计算和内存委托系统中日益增长的格式保持加密需求提供解决方案。
• 克服现有FPE方案在实际应用中要么不安全、要么效率低下的局限性。
• 设计一种仅在加密过程中保留格式特异性属性的FPE方案，确保消息特异性数据保持隐藏以保障隐私。
• 通过引入用户定义的最大格式大小边界，实现对大格式数据的高效加密。
• 在大小约束条件下实现最优安全性能，同时保持实际可用的性能表现。

提出的方法

• 该方案采用一种新颖的方法，高效表示通用且复杂的数据格式，从而支持格式感知的加密。
• 采用基于格式特异性轮函数的Feistel网络结构，以在加密和解密过程中保持格式完整性。
• 加密和解密算法设计为计算高效，避免昂贵的预处理或初始化阶段。
• 通过施加最大格式大小的边界，以处理大域，从而在安全性和性能之间实现灵活权衡。
• 该方案确保仅格式特异性属性（例如数字位数、字符集）被保留，而所有消息特异性内容均保持隐藏。
• 安全性基于标准密码学假设，可在大小边界内实现可证明的安全性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何使FPE方案在云环境和内存委托系统中实现真实部署时兼具安全性和高效性？
• RQ2 在不影响性能的前提下，如何有效表示复杂且通用的数据格式？
• RQ3 能否在不损害安全性的前提下，高效扩展FPE以支持大格式数据？
• RQ4 在保持格式约束的同时，如何确保加密过程中的隐私性？
• RQ5 在处理大格式域时，安全与效率之间的最优权衡是什么？

主要发现

• 所提出的FPE方案在用户定义的大小边界下实现了最优安全性能，确保了强大的隐私保障。
• 该方案消除了昂贵的初始化阶段，即使在复杂格式下也能实现高效的加密与解密。
• 实验结果表明，通过施加最大大小边界，能够高效处理大格式域，支持实际部署。
• 仅格式特异性属性在加密过程中被保留，确保消息特异性数据保持机密性。
• 通过允许用户定义最大格式大小，该方法支持灵活的安全-效率权衡，可适配不同应用场景需求。
• 该方案在标准密码学假设下被证明是安全的，并提供了正式的安全性分析。