使用支持时间控制的代理重加密的电子健康云安全

1 引言

电子健康记录[1]通过提高资源共享的生产力，促进了医疗系统中的工作与生活平衡。它在提供患者护理所需的精确、完整和最新的信息方面做出了巨大贡献[2–4]。电子健康记录以其便捷和准确的评估方式，使医生和患者都受益。通过使用电子健康记录，医生之间的联系可以得到极大增强，使各方都能全面访问患者的病史，而不是仅获得当前就诊的预览式概要[5–8]。这一过程有助于进行更深入的评估，并使专家能够更快地实现准确诊断[9–11]。电子健康记录还能帮助专家更轻松地跟进患者并跟踪在患者本人及其他专家的共同监护下持续护理。对于处于大规模伤亡情况下的个体而言，例如地震、洪水等，也具有重要意义。[12–14]可从电子健康记录中获益匪浅。在危机情况下，医疗保健可利用EHR比传统方式更快速地获得患者医疗历史的更精确视图[15–17]。

显然，只要有数字数据存在，就有可能出现安全漏洞。网络程序员所掌握的数字化控制令那些希望保护敏感信息的人感到恐惧[18–20]。已有大量案例显示患者的个人医疗记录遭到未授权访问。医疗记录被黑客攻击对个人身份极为危险，可能破坏其声誉、金融账户以及完整性。信任是许多客户面对云时关注的核心问题。当云服务提供商无法确保其安全与保护控制的有效性时，对于在云上存储敏感信息和高度机密应用的用户而言，便会引发担忧。社会抵制信息共享以及改变传统工作方式是采用云计算的典型挑战。当云服务提供商与其客户之间的服务等级协议（SLA）未能提供保障，允许客户审查其信息时[21–23]，云客户的目标和抱负会受到严重影响。一些与利用相关的专门困难

分布式计算包含资产耗尽、执行不确定性、信息锁定风险、信息交换瓶颈以及大规模分散云框架中的漏洞。在信息技术的使用中存在众多信息安全隐患，例如黑客攻击、网络入侵、自然灾害、开放管理接口、加密密钥管理不善，以及掌握个人数据的权限持有者可能因贪婪而违背职业道德所带来的风险[2,5]。这些原因促使软件公司努力保障患者数据在云环境中的安全性。

可通过为每位患者提供用户名和密码以防止未授权访问，从而保护这些电子健康记录[24, 25]。下一步是通过使用仅数据所有者知晓的特殊密钥对存储在云中的数据进行加密，以确保其安全性。我们甚至可以更进一步，记录对患者数据的每一次访问情况。’s 数据。

本文中，我们使用基于代理重加密的公钥加密 （PRE）[26]和PEKS [27]结合关键词搜索方法来实现对患者数据的搜索。在此方案中，加密邮件与加密关键词列表一起被传输到服务器。作为响应，邮件服务器接收接收者发送的可能关键词，以便通过加密邮件 [4, 28, 29]测试陷门。我们还提出了一种机制，其中数据所有者可以在特定时间段内向任意医疗人员授予委托权限。该时间限制以开始和结束时间表示（例如 2017年4月2日–2017年9月19日）。框架中使用了一个时间服务器，能够为客户[30–32]生成时间令牌。在此场景下，数据所有者完全有权将其访问权限委托给其选择的人员。因此，它提供了一个时间段‘t’，时间服务器利用其私钥和被委托人公钥创建时间戳‘ts’。进而，将‘t’封装进‘ts’中。在此系统模型中，我们将使用支持时间控制的代理重加密[33]。该操作由代理服务器执行，其中时间段‘t’将被固定在重新加密的密文中。一旦被委托人发出查询请求，就会创建一个查询陷门。该陷门使用时间戳‘ts’和被委托人私钥。云服务提供商对该查询的批准取决于重新加密密文中嵌入的时间段是否与陷门中封装的时间段相匹配。此机制将导致被委托人的访问权限被终止。

迪菲‐赫尔曼是一种用于在双方之间建立共享密钥的算法。它主要用于交换加密密钥，以用于高级加密标准（AES）[34]等对称加密算法。

1.1 AES加密

高级加密标准（AES）是一种迭代密码，而非费斯妥密码。它基于“替代‐置换网络”，包含一系列相互关联的操作，其中一些操作涉及用其他值替换输入特定输出（替换）和其他涉及重新排列位（置换）。

1.2 高级加密标准（AES）重新加密

代理重加密是一种有用的概念，在非对称加密环境下已提出了许多代理重加密方案。在非对称加密环境下，代理重加密可以很好地实现，因为有许多操作可用于直接将一个密文转换为另一个密文，而代理无需访问明文。

1.3 AES解密

高级加密标准（AES）密文的解密过程与加密过程类似，但顺序相反。每轮包含四个逆序执行的过程：轮密钥加、列混淆、行移位和字节替换。由于每轮中的子过程均为逆序操作，因此与费斯妥密码不同，加密和解密算法需要分别实现，尽管它们密切相关。

2 相关工作

宋等人[35]提出了一种初始的物质性方法，允许服务器通过使用加密的查询关键词直接检查整个加密记录来执行安全检查。为了改进之前的工作，高等人利用布隆过滤器和伪随机函数[36]为每条加密数据记录开发了一个受保护的可搜索列表，并描述了针对自适应选择关键词攻击的查询安全性标准。该方案的安全要求是：如果某个关键词之前已被搜索过，则会暴露查询安全性。为进一步增强安全性和查询生产力，Curtmola等人在[37],中采用了倒排索引[38]和哈希表，设计了一种新颖的可搜索加密方案，并正式提出了更新、更强的安全性定义。此外，基于对称密钥的其他可搜索加密方案，例如[39, 40]，也已被提出以满足不同的应用场景。在[39],中，博内等人首次在公钥环境下构建了可搜索加密方案。

基于代理的重加密（PRE）由万步和冈本提出[41]。该技术已被多项研究扩展，用于处理基于身份的加密 （IBE）[33]或基于属性的加密（ABE）[42]中的权限撤销问题。通常，PRE被用来使客户端在访问控制条件下具备指定能力[43]。例如，阿特尼塞等人[44]提出了一对代理重加密机制能够增强安全性，以防范共谋攻击。该方法已被多种基于PRE的方案广泛采用。最新方法致力于降低信息所有者或客户端的计算开销。例如，Son 等人[45]提出了外包条件性PRE（OC‐PRE）方案，重点在于减少客户端在处理初始设置阶段时的开销。在该方案中，创建者注册条件值和重加密密钥，并将其发送至云中的代理以执行重加密过程。如果参与权限发生变更，创建者或客户只需重新处理条件值变化密钥（CCK），而CCK将使用新的条件值更改密文。这显著减少了重加密密钥生成的开销。然而，该论文仅关注用户级别[46–48]的变更。

移动云计算是已知最有前景的策略之一，它将信息和注册管理模块从个人设备转移到拓扑分布的云服务架构中。移动云计算框架包含多个云空间，每个区域负责管理云框架资源的一部分，例如中央处理器、内存和容量等。如何高效地管理跨多个云空间的云资源，对于提供无缝的移动云服务至关重要。本文提出了一种用于域间服务迁移的管理决策框架，以在不同云区域之间平衡计算负载。我们的框架通过最小化导致用户满意度水平显著下降的服务中断数量，致力于最大化云框架和客户端双方的收益。该系统提出了一种半马尔可夫决策过程来调控决策过程。理想的服务迁移决策是通过综合考虑系统收益与成本而获得的。广泛的仿真实验表明，与贪婪方法相比，所提出的决策框架能够显著提高系统收益并减少中断[49–51]。

一些研究致力于在不泄露个人私有信息的情况下，安全地将各方的信息收集外包给非授权聚合器，或使不同方能够在保护安全性的前提下相互收集信息。有时，这些工作要么需要安全联合通信信道，要么会受到高复杂度的负面影响。本文提出了一种思路，作为外部聚合器，如何对多个群体成员的私有信息进行某些代数统计信息（例如总和、乘积）的聚合，同时保障信息隐私保护。他们假设所有信道均受到窃听攻击的影响，并且每次交互都存在风险。

在整个集合中，外部人员的访问是被允许的。他们提出了一些协议，能在此无力假设下有效确保信息保护，同时限制每个成员的通信与计算复杂度。作为一种极具吸引力的密码学原语，公钥加密下的关键词搜索 （PEKS）[52]使客户端能够对加密数据进行搜索，因此在云计算环境中具有重要意义。尽管现有PEKS方案允许客户端私密地搜索加密信息，但大多数方案未能验证搜索结果，且框架未明确哪些客户端有权请求存储在云服务器上的加密数据文档。最近，郑提出了一种新型密码学方案，称为可验证的属性基关键词搜索（VABKS）[53]。该方案允许满足数据所有者访问控制策略的数据用户的证书去搜索加密数据文档，并验证搜索结果。然而，该方案仍存在对安全信道的不可靠假设，如同Boneh的方案一样。本文中，他们提出了一个新方案，消除了安全信道^，并基于VABKS的密钥策略属性基关键词搜索（KP‐ABKS）[54]，开发了一种从云服务器验证搜索结果的新方法。该方法能够有效验证数据用户所请求数据文档的正确性和完整性。通过他们的验证仿真，结果表明该方案比 VABKS更具实用性。

3 提出的工作

3.1 系统模型

所提出的系统包含三个主要模块：数据中心、数据所有者和用户。信息所有者需要将其私有的电子健康记录存储在外部数据库上。他将关键词从电子健康记录中分离出来，并将这些明文关键词加密为安全可搜索文件。电子健康记录文档被编码为密文。随后，这些数据被外包至数据中心。数据中心包含搜索服务器和电子健康记录存储提供商。搜索服务器根据客户端的请求执行搜索/添加/删除操作，而存储提供商负责信息的存储。客户端使用其私钥生成一个陷门，用于搜索电子健康记录文档，并将其发送给搜索服务器。在接收到请求后，搜索服务器与电子健康记录存储提供商协作，定位匹配的文档，并以加密形式将检索到的数据返回给客户端。

数据所有者使用第三方数据库来存储患者的’私有的电子健康记录。数据所有者的功能包括生成安全可搜索索引，该过程通过从电子健康记录中提取关键词并对其进行加密来实现。

在此模型中，数据所有者为希望访问患者记录的用户分配特定时间段。另一方面，他将包含已分配时间段的用户列表转发给代理服务器和时间戳服务器。该列表的属性包含用户名和已分配的时间段（例如 05/1/2017 15:30:18–05/1/2017 16:36:14）。该时间段使用户拥有解密加密记录并下载它们的访问权限。当时间服务器接收到用户列表后，下一步便是使用其自身的私钥生成一个时间戳，并将其发送给用户。当代理服务器接收到时间段后，便将其封装进重新加密的密文中。数据所有者使用其自身的私钥执行搜索功能。除非时间戳中的时间段与重新加密密文中的时间一致，否则云服务提供商不会返还协调的记录，这与常规的代理重加密安全加密（SE）方案不同。我们设计的系统模型能够减少计算以及通信开销。因此，引入了一种懒惰重加密技术，其中存储在云服务器上的密文仅在用户请求访问权限时才由代理服务器进行重新加密。所提出的系统赋予数据所有者选择可授予搜索权限用户的权利，而无需泄露其私钥。该系统还避免了对数据所有者的时间限制。存在离线密钥生成（KG）攻击的潜在威胁，当执行关键词搜索。为了防止这种攻击，我们使用了结合代理重加密的公共关键词搜索[33],，这是其类型中独有的组合，从而增加了猜测关键词的难度。

3.2 威胁模型

电子健康记录信息服务器被视为半可信的，它会诚实地为客户扫描数据，但也会出于好奇窥探患者的隐私数据。此外，恶意外部攻击者也可能进行窃听。

调查通过公开通道传输的数据，例如编码列表和陷门。他试图根据这些信息推导出受保护的数据。此外，已撤销的被委托人可能会试图利用其私钥获取超过指定日期的信息。由于大部分存储和搜索工作均由信息服务器完成，因此假设信息服务器不会与恶意外部攻击者或已撤销的被委托人串通。

3.3 委托人所有者模块

所提出的系统中的数据所有者是在医院接受治疗的患者。医院的医生将为患者生成一种称为电子健康记录文件的详细报告。信息所有者需要将其私有的电子健康记录存储在外部数据库中。他从电子健康记录中移除关键词，并将这些明文关键词加密为安全可搜索记录。电子健康记录文档被加密成密文。随后，这些数据被外包到云服务器。

3.4 被委托人模块

被委托人可以是医生或任何其他希望访问患者’记录的医院人员。他将被授予特定的时间段。当有效时间终止时，被委托人将失去查询权限。为了实现时间控制的正确撤销，预定义时间数据会与时间戳一起嵌入到重新编码的密文中。借助时间戳，被委托人可以通过 TrapdoorR计算生成一个有效的授权陷门。如果隐藏在重新编码的密文中的时间数据与授权陷门中的时间数据不一致，则TestR计算中的条件不成立。此外，如果当前时间超过预设时间，信息服务器将拒绝被委托人的查询请求。

3.5 合取关键词搜索

在所提出的系统中，合取关键词搜索机制允许客户端同时查询各种请求。与单关键词搜索方案相比，它为用户提供了一种高效生成精确结果的方法。例如，对于一个文档集合，我们解析每个文档，以获得一个关键词列表。然后创建一条记录，将关键词映射到文档，并关联该文档的最终目标。这些记录随后被加密，并传输到服务器。该列表在放置到云服务器之前也被加密：另一方面，可以使用一个将关键词映射到唯一词 ID的本地词典，但必须进行存储和维护由信息所有者存储和维护。为了执行搜索，客户端向信息所有者发送一组关键词。信息所有者进行处理并发送到云服务器。云服务器返回加密的列表条目给信息所有者，然后信息所有者从列表条目的交集中找到匹配所请求关键词的文档。

3.6 代理重加密

首先，关于支持公共关键词搜索的代理重加密，我们必须了解带关键词搜索的公钥加密（PEKS）的概念。它主要用于在加密消息中搜索关键词。为了理解这一点，让我们以一个包含鲍勃、爱丽丝和邮件服务器的邮件系统为例。最初，鲍勃向爱丽丝发送一封使用爱丽丝公钥加密的电子邮件。邮件服务器将检查关键词 Bi mportant^，以便将邮件路由到指定方向。然而，爱丽丝不愿意授权邮件服务器解密邮件内容。因此，提出了一种解决方案：为邮件服务器提供一个仅用于检测关键词的密钥，而无需访问邮件其余部分。该方案称为带关键词搜索的公钥加密（PEKS）。进一步地，如果爱丽丝希望将访问权限授予玛丽，则邮件服务器需将爱丽丝的邮件加密成密文，使得玛丽能够对其进行解密。这一机制被称为支持公共关键词搜索的代理重加密。

3.7 时间控制撤销

该时间段将由数据所有者为请求的访问权限进行分配。该时间段将以名称、日期和时间作为其关键内容，并明确指定开始和结束时间。一项重要的设计目标是实现对时间控制的正确否认机制。当预设时间段无法继续支持时，该授权安排将终止。与当前时间相矛盾。它应防止授权客户端在额外时间内访问记录。

3.8 工作流程

图3展示了整体系统模型的工作流程。它包含六个主要操作实体，即所有者、用户、云管理员、云存储、代理服务器和时间密封服务器。假设约翰是一名患者，他的电子健康记录文件以加密形式存储在云服务器中。他于2017年1月1日前往医院A接受治疗，并由霍尔姆斯医生为其诊治。可信第三方需充当云服务提供商的角色，可以是任何诊所或医院。该第三方将作为所有者和用户之间的中介管理员，具有激活和停用账户的权限。

几个月后，假设约翰决定于2017年4月1日转至其他医院B，并且不希望霍尔姆斯医生访问他的记录。在这种情况下，他将为霍尔姆斯医生分配一个从2017年1月1日到2017年3月30日的时间段。时间服务器在收到该信息后，将为霍尔姆斯医生生成一个时间戳。而代理服务器将对记录进行重新加密，使霍尔姆斯医生能够使用其私钥在加密的记录上进行搜索。因此，该方法限制了用户的未授权访问。由于每个用户都被分配了特定的时间段，该系统减少了云上的通信开销。

3.9 密钥管理算法

符号	描述
Ω	委托指示符
UP	通用参数
bk s, dk s	云服务器的公钥和私钥
bk rs, dk rs	时间戳服务器的公钥和私钥
bk r, dk r	用户的公钥和私钥
r i	委托人
r j	被委托人
X,Y	关键词集
T s	时间密封：有效时间的陷门
S i	委托人密文
S j	受委托人密文
t q ,i	Y上的委托人陷门
t q , j	Y上的受委托人陷门
## 4 结果与讨论

4.1 方案比较

本节包含我们的系统模型与代理重加密方案以及其他可搜索加密方案的比较。

4.1.1 代理重加密

所提出的系统模型支持具有公共关键词搜索的代理重加密[33]，这是其他方案所不具备的。因此，该方案能够安全地执行访问权限委托。

4.1.2 时间控制

通过提供访问电子健康记录的时间段[54]，所提出的系统维护了所有者数据的隐私保护特性。这一概念是同类中的首创，能够限制数据对用户的可用性。

4.1.3 合取关键词

在所提出的系统中，合取关键词搜索[35]机制允许客户端同时查询各种请求。与单关键词搜索方案相比，它为用户提供了一种高效的方式，以精确满足用户的多种需求。

4.1.4 防止在多用户环境中共享密钥

到目前为止，大多数方案都是在加密数据上使用对称搜索。这种对称搜索允许单用户系统执行查询、上传和下载操作。对于多用户系统，对称密钥必须与授权客户端共享。该机制被用于我们的系统模型中，使其更加 robust。

4.1.5 机密性

所提出的系统模型与其他方案相比提供了更高的机密性。该模型的主要目的是保护患者数据的隐私，防止未授权用户和云服务提供商本身访问。因此，在将明文及其中的关键词存储到云服务器之前，会对其进行加密。这一机制防止了云服务提供商访问明文。唯一可以解密记录的密钥由所有者保管。

4.1.6 动态数据变更

一些方案可以在不使用相同对称密钥的情况下增强对加密信息的添加和删除操作，而其他方案则不能。那些本质上属于PEKS设置的替代方案也可以通过利用信息所有者的权限来执行添加和删除操作。公钥和私钥。因此，所提出的方案具有不同的有用功能，并且比大多数现有的可搜索加密方案具有更扎实的安全性实用性。

4.2 图形分析

图8展示了我们方案在不同 l 值下的各项计算的操作时间，其中 l 是关键词的数量。我们还在相同的测试平台上尝试了一些其他方案，以便进行合理的结果比较。为了更清晰地展示执行时间的差异，图8中使用了非均匀轴来呈现明显不同的数值。由于这些方案没有 TrapdoorR 和 TestR 计算，因此图8中仅有一条曲线。与这些方案相比，很容易发现我们的方案几乎始终具有更短的执行时间。在图8中，由于为信息服务器生成公钥时随机选择了一个额外的群元素，我们的方案比其他方案多花费了 9 毫秒。然而，这一微小差异在实际应用中可以忽略不计，因为密钥生成计算仅由云管理员执行一次。

4.3 安全分析

据我们所知，这是首次在可搜索加密框架中基于时间实现程序化自动授权撤销的研究工作。本文提出了一种带有指定分析器和基于时间的代理重加密机制的合取关键字方案（‐），其优势如下：

1. 我们提出了一种支持安全的合取关键字搜索和授权委托操作的新型可搜索加密方案。与现有方案相比，本工作能够实现具有强大授权否认机制的时效性代理重加密。
2. 支持由所有者实施的授权时效设定，可为不同的被委托人预定义明确的访问权限。
3. 所提出的方案已形式化证明可抵御选择关键字时间入侵，并且也能抵抗离线关键字猜测攻击。测试算法无法在没有信息服务器私钥的情况下运行，攻击者无法利用测试算法成功猜测关键词。
4. 该方案的安全性基于标准模型而非随机预言模型，这是首个在标准模型下实现上述功能的原语。

4.4 实现的设计

Re‐cPECK在电子健康记录云中实现的目标旨在完成以下目标。

1. 权限授权 。所提出的可搜索加密方案应允许信息所有者对授权专家进行指定，即信息所有者可以在不泄露其私钥的情况下，将查询权限授予不同的客户端。
2. 时间控制的权限撤销 。主要的设计目标是实现时间控制的访问权限撤销。当预设的有效日期和时间与当前时间不符时，授权安排将自动终止，应阻止授权客户端继续访问记录。
3. 针对不同被授权人的不同授权时间 。该框架的另一项挑战是实现由所有者自定义的不同被委托人的独立访问时段。信息所有者自身不会受到强制限制。
4. 安全性目标 。此安全搜索框架的隐私担忧归纳如下。
   - 口令语义安全性 ：由于提出了一个Re‐cPECK方案，我们将证明其在针对选定口令和选定时间攻击下的不可区分性。
   - 抵御知识图谱攻击 ：由于电子健康记录的关键词通常在一个较小的空间内被可靠地查找，相关的可搜索加密方案可能容易受到离线知识图谱攻击。所提出的方案应能抵御此类攻击。
   - 标准模型 ：众所周知，在标准模型中证明的安全性比在随机预言模型中证明的安全性更强。该安全属性确保了更高的安全级别。

5 结论

本文的基本目标是实现分布式存储中电子健康记录的安全性。为了保护患者信息的隐私，我们提出了一个基于时间的代理重加密^思想的框架。所提出的框架模型在其特定类型中属于首创，提供了结合可搜索加密机制的代理重加密功能。我们为客户端引入了与访问时间相关的时间戳，从而从未来视角增强了电子健康记录的安全性。通过与其他方案的比较分析，证明了所提出的框架更加强大和安全。同时，它减少了存储开销，从而降低了维护成本。在将所提出的系统与其他方案的结果进行对比后，被认为在实际应用场景中具有较低的计算开销。

未来工作，研究有效的密钥分发和否认机制的系统至关重要。必须考察易用性的变化，并研究责任方面并提供更可靠的信任保障。我们将在未来工作中研究分布式计算中多所有者模型的多关键词排序查询方案。