密文数据库中保序加密的研究与改进

摘要

云计算因其节约成本、维护方便、配置灵活已经成为构建现代网络服务的主流部署方式。而存储在云上的海量数据中包含了个人敏感信息和隐私数据，使得不可信云计算环境下的数据隐私保护问题逐渐成为研究重点。保护隐私的主要方法之一就是对数据加密后存放到云中。然而，现有数据库系统对密文进行排序、范围查询等操作较为困难，保证安全性的同时会失去一定可用性。
　　OPE（保序加密）算法能使密文的大小顺序与明文保持一致，支持上述对密文的操作。2013年提出的可变保序编码(mOPE)是一种基于二叉搜索树编码的保序加密方法，支持任意的数据类型，且具有理想的安全性。然而mOPE算法可能频繁地变更密文的保序编码，服务器额外开销较大。本文首先分析了mOPE算法的性能，并针对编码调整环节作出改进，提出了cmOPE保序加密方法，采用重构完全二叉树方法来调整保序编码，降低了编码变更的频率。接着针对实际中并发插入请求的场景，实现了支持批量加密的xmOPE算法，并基于xmOPE算法设计、实现了保序加密系统。两种算法的安全性都符合IND-OCPA标准，除了明文顺序外不泄露其他任何信息。
　　理论分析与实验结果表明，改进了编码调整策略的cmOPE方法能有效降低服务器的计算开销，提高对保序密文增删改的效率。在较低的网络延迟下，cmOPE的执行效率约为mOPE的1.4倍，触发编码调整的频率极低。基于xmOPE方法实现的保序加密系统，其每次批量加密的记录数可随队列服务器接收请求数调整，高效批量处理插入请求，且受网络延迟影响较小。

目录

声明

第一章绪论

1.1 课题研究背景

1.2 课题研究现状

1.3 本文主要工作

1.4 本文组织结构

第二章相关背景知识介绍

2.1 密文数据库技术概述

2.2 密文范围查询与保序加密算法

2.3 本章小结

第三章 mOPE保序加密算法

3.1 mOPE算法概述

3.2 原理与实现

3.3 本章小结

第四章改进的mOPE算法-cmOPE

4.1 cmOPE算法概述

4.2 cmOPE算法的设计与实现

4.3 mOPE与cmOPE算法理论对比分析

4.4 实验数据对比分析

4.5 安全性分析

4.6 本章小结

第五章xmOPE算法与保序加密系统

5.1 类mOPE算法的阻塞性与改进

5.2 xmOPE保序加密算法

5.3 基于xmOPE的保序加密系统

5.4 实验结果与分析

5.5 本章小结

第六章cmOPE与xmOPE算法的缺陷与改进

6.1 cmOPE与xmOPE算法的优缺点

6.2 编码调整范围优化

6.3 实验数据与分析

6.4本章小结

第七章 总结与展望

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文

附录2 攻读硕士学位期间参加的科研项目

致谢