面向云计算的同态加密方案的改进

摘要

目前，云计算成为了各大互联网公司的重点研究产业，纷纷加大力度推进云计算的商业化发展。但是各大云服务商提供的服务频频爆出安全问题，这些现象都影响了用户对于云计算特别是公有云的信任，极大的制约了以公有云为代表的云服务的推广。云计算安全问题中，最受用户关注的问题则是数据安全问题。为了能够保护云端数据，本文在云计算中引入同态加密方案来提高安全性。同态加密方案具有同态型，这意味着用户将密文上传之后，可以直接对密文进行计算，效果等同于对明文的计算。这样就解决了公有云环境下的数据泄漏问题。
　　目前的对全同态加密算法优化和改进而来的方案，大多都存在方案效率较低、存储的公钥尺寸过大等问题，并不能很好的适用于现实情况中。针对这些问题，本文采用偏移公钥压缩方案和提高模数技术对DGHV方案进行优化，并从理论上，对改进方案的性能和安全性进行了分析。最后通过实验来进行验证理论分析的结果。
　　本文的主要研究方向是将同态加密应用OpenStack中。主要做了下面的这些工作:
　　(1)首先对基于整数的全同态加密方案做出详细介绍，然后概括描述了层次型全同态加密方案，并加以对比。然后根据云计算服务的自身特点，将云计算中的用于身份认证的PKI技术和同态加密算法相结合，解决了云计算中多用户环境下的安全问题。
　　(2)另外提出一种基于偏移公钥压缩和提高模数技术改进而来的新方案。以DGHV方案为主要构造思路，通过改变模数的方式，使得一次加密的数据由原始的1 bits提高到k bits，通过采用偏移公钥压缩的方式，将公钥的尺寸降低。提出了一个在加密和公钥尺寸上都有所优化的方案，并从理论上对改进方案进行了分析。
　　(3)将新的方案应用在OpenStack下，通过实验数据的处理来验证方案的可用性。实验基于改进之后的全同态加密方案，展示了在云计算环境下，改进的同态加密方案的正确性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 同态加密研究现状

1．2．2 云计算研究现状

1．2．3 同态加密在云计算安全上的研究现状

1．3 论文的主要工作和组织结构

2 同态加密技术及其研究现状

2．1 同态加密基本概念

2．1．1 同态加密定义

2．1．2 全同态加密方案构造

2．2 典型全同态加密方案

2．2．1 整数上全同态加密方案

2．2．2 层次全同态加密方案

2．3 方案比较与分析

2．4 本章小结

3 面向云计算的同态加密方案

3．1 云计算与云安全

3．1．1 云计算服务

3．1．2 云计算安全

3．1．3 云计算安全的关键技术

3．2 云计算数据保护技术

3．3 基于云计算的同态加密方案

3．3．1 支撑技术

3．3．2 方案构造

3．3．3 方案优势分析

3．4 本章小结

4 基于偏移公钥和提高模数的改进设计

4．1 支撑技术

4．1．1 偏移公钥压缩技术

4．1．2 提高模数技术

4．2 SomeWhat方案设计

4．2．1 设计思路

4．2．2 基本结构

4．2．3 效率分析

4．3 FHE方案设计

4．3．1 方案构造过程

4．3．2 方案自举性证明

4．4 方案安全性证明

4．5 方案效率验证

4．6 本章小结

5 云计算环境下的改进同态加密方案的验证

5．1 实验环境设定

5．2 方案的实现及验证

5．3 本章小结

结论

致谢

参考文献

附录