基于主密钥机制广播加密算法的改进研究

张绛丽　段旭

摘 要 本文在子集差分广播加密方案（Subset Difference Method）的基础上引入主密钥机制（Master Key），对已有的广播加密方案进行了改进。与SD方案相比较，新的方案在确保安全性的前提下减少了用户存储的密钥量，可高效灵活地进行解密权限的控制。

关键词 广播加密 子集差分 主密钥

计算机的普遍应用和Internet的蓬勃发展使得办公自动化成为趋势，尤其是管理结构复杂、分支机构分布地域广泛的大型企业的正常运转越来越依赖于计算机和网络。为了确保信息传输的安全，各种加密技术和密钥管理方案先后被提出并实现。传统的公钥加密体制仅适用于点对点的通讯。当通讯的模式为一对多时，需要为每一个服务请求建立一个单独的连接。例如，一个拥有一万人的企业，同一段信息要用一万个不同的公钥加密一万次，然后分别发送给相对应的员工。解决此类问题的方法之一就是采用广播加密方案。

1991年Berkovits[1]首次提出广播加密的概念。1994年Fiat和Naor[2]描述这样一个问题：“在只拥有单向通道的情况下，两个互相陌生的实体怎样达成一致的通讯密钥”。广播加密问题自此正式确立。本文对已有的广播加密方案进行了改进，在子集差分广播加密方案（Subset Difference Method）的基础上引入主密钥机制（Master Key）。与SD方案相比较，新的方案在确保安全性的前提下减少了用户存储的密钥量，可高效灵活地进行解密权限的控制。

1 相关知识

广播加密方案中注重的性能指标有：密文头部长度、用户存储密钥量和用户解密计算复杂度。明文信息经广播加密处理后将得到密文主体和一块为用户解密提供必要信息的称为密文头部的区块，密文头部长度与信息传输效率成正比。考虑到用户接收端的存储能力和计算能力的局限性，又要求用户存储的密钥尽可能少，解密计算复杂度尽可能小。一个好的方案还要具有很好的伸缩性，可以适应大规模用户（各种性能最好与N无关），且可以对抗任意多个用户的合谋攻击。

2001年Naor等提出了子集覆盖撤销框架和两种基于树结构的广播加密方案Complete Subset method（CS）和Subset Difference method（SD）[3]。其中SD方案堪称经典，成为此后众多改进方案的基础和性能参考标准。本文在SD的基础上进行树结构的分层并引入Master Key机制，在保留了SD优良性能的基础上进一步减少了用户存储的密钥量（具体性能比较见表1）。由于改进方案具有层次特性，可以通过调节S的取值来获得用户存储密钥量与密文头部长度两项性能的平衡。本文提出了一个基于主密钥的广播加密方案，在这个特殊的层次结构的系统中改进方案加密后的密文头部长度将不再受到层次结构的影响而达到与SD相同的效果。

1.2 子集覆盖框架

1.3 Subset Difference Method（SD）

5 总结

本文应用分层与Master Key机制对SD方案进行了改进，在确保安全性的前提下保持了SD的优点，同时进一部减少了用户存储的密钥量。针对改进方案的分层特性，将其运用到企业文件保密分发系统中，从而实现了企业文件高效、保密传输和解密权限的灵活控制。

参 考 文 献

[1] S.Berkovits. How to Broadcast a Secret： Advances in Cryptology-Eurocrypt91， Lecture Notes in Computer Science [C]. Springer， 1991：525-541.

[2] A.Fiat， M.Naor. Broadcast Encryption： Advances in Cryptology-Crypto93， Lecture Notes in Computer Science [C]. Springer， 1994：480-491.

[3] M.Naor， J.Lotspiech. Revocation and Tracing Schemes for Stateless Receivers： Advances in Cryptology-Crypto 2001， Lecture Notes in Computer Science [C]. Springer， 2001 ：41-62.

[4] Selim G.Akl， Peter D.Taylor. Cryptographic Solution to a Problem of Access Control in a Hierarchy [J]. ACM Transactions on Computer Systems， 1983， 1（3）：239-248.

[5] D.Haleby， A.Shamir. The LSD Broadcast Encryption Scheme： Advances in Cryptology-Crypto 2002， Lecture Notes in Computer Science [C]. Springer， 2002：47-60.

[6] 徐成，王箭 通信市场 2008年第2期：98-106