[论文解读] Towards Blockchain-enabled Searchable Encryption

Qiang Tang|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 15被引用 4

一句话总结

本文提出了两种基于区块链的对称可搜索加密框架，可在不破坏原始方案隐私性的同时实现搜索操作的公平性。通过仅将区块链用于存储签名、加密结果和公共元数据——而不暴露陷门或索引——该方法确保了结果的可验证正确性，并为服务器提供奖励，同时将隐私泄露程度控制在原始方案的范围内。

ABSTRACT

Distributed Leger Technologies (DLTs), most notably Blockchain technologies, bring decentralised platforms that eliminate a single trusted third party and avoid the notorious single point of failure vulnerability. Since Nakamoto's Bitcoin cryptocurrency system, an enormous number of decentralised applications have been proposed on top of these technologies, aiming at more transparency and trustworthiness than their traditional counterparts. These applications spread over a lot of areas, e.g. financial services, healthcare, transportation, supply chain management, and cloud computing. While Blockchain brings transparency and decentralised trust intuitively due to the consensus of a (very large) group of nodes (or, miners), it introduces very subtle implications for other desirable properties such as privacy. In this work, we demonstrate these subtle implications for Blockchain-based searchable encryption solutions, which are one specific use case of cloud computing services. These solutions rely on Blockchain to achieve both the standard privacy property and the new fairness property, which requires that search operations are carried out faithfully and are rewarded accordingly. We show that directly replacing the server in an existing searchable encryption solution with a Blockchain will cause undesirable operational cost, privacy loss, and security vulnerabilities. The analysis results indicate that a dedicated server is still needed to achieve the desired privacy guarantee. To this end, we propose two frameworks which can be instantiated based on most existing searchable encryption schemes. Through analysing these two frameworks, we affirmatively show that a carefully engineered Blockchain-based solution can achieve the desired fairness property while preserving the privacy guarantee of the original searchable encryption scheme simultaneously.

研究动机与目标

• 解决云环境下的可搜索加密中存在的公平性与信任缺失问题，即服务器可能不会忠实执行搜索操作。
• 分析将云服务器直接替换为区块链在可搜索加密系统中的风险。
• 设计与区块链集成的框架，以保持现有对称可搜索加密方案的隐私保障。
• 确保搜索操作可被验证，并确保诚实服务器获得公平补偿。
• 证明区块链可在不引入新的隐私或安全漏洞的前提下有效应用于可搜索加密。

提出的方法

• 引入一种修改后的设置阶段，使用HMAC为每个关键词生成虚拟标识符，将文件标识符绑定至搜索结果。
• 仅使用区块链存储公共信息：加密搜索结果、签名、公钥和押金。
• 采用争议解决机制，若服务器未能返回正确结果，则会被惩罚，该机制通过基于HMAC的完整性检查进行验证。
• 依赖标准密码原原子：具有EU-CMA安全性的签名和具有IND-CPA安全性的加密，确保在单边完整性假设下的机密性。
• 设计检索与验证阶段，客户端通过HMAC保护的虚拟标识符验证结果的正确性。
• 确保仅最小量的数据——签名、加密结果和公钥——暴露于区块链，从而保护隐私。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不损害原始方案隐私的前提下，利用区块链实现可搜索加密中的公平性？
• RQ2 在可搜索加密系统中，直接用区块链替代服务器会带来哪些隐私与安全影响？
• RQ3 如何实现区块链的集成，以在最小化开销的同时支持可验证的搜索操作？
• RQ4 为确保区块链增强型可搜索加密中的公平性与机密性，需要哪些密码机制？
• RQ5 结合专用服务器与区块链支持的混合模型，是否能比完全去中心化的方案实现更好的隐私与公平性？

主要发现

• 在可搜索加密中直接用区块链替代服务器会导致运营成本增加、隐私泄露加剧以及安全漏洞增多。
• 所提出的框架保留了原始方案的隐私保障，因为区块链仅存储公共元数据，不包含陷门或加密索引。
• 区块链仅用于存储签名、加密结果和公钥，确保服务器无法获取额外信息。
• 通过争议解决机制实现公平性，违规服务器将受到惩罚，诚实服务器则根据可验证结果获得奖励。
• 在正常操作中，区块链的开销极小，因为每次搜索仅需写入少量公共记录。
• 该方案保持了IND-CPA机密性与EU-CMA不可伪造性，确保在标准假设下的安全性。