属性基加密的研究及在电子邮件系统中的应用

论文摘要

随着信息技术和互联网的发展,用户对系统的安全性和功能设计要求不断提高。由于传统的公钥加密体制存在粗粒度访问控制策略以及效率低等缺点,难以适用于细粒度访问控制策略的密文管理。因此本文围绕具有细粒度访问控制策略的属性基加密（Atrribute-Based Encrytion, ABE）体制展开研究,并对其性能进行了优化改进。在此基础上,将改进的ABE方案应用于电子邮件系统中,使其在安全性方面具有机密性和完整性特点,在功能设计方面具有邮件单发及群发加密计算复杂度恒定的优点。本文具体工作和成果如下：在属性基加密体制研究方面,由于密文策略的属性基加密（Ciphertext-Policy Attribute-Based Encryption,CP-ABE）具有对密文细粒度访问控制的特点,因此本文对其重点展开研究。针对原始的CP-ABE方案的性能问题,研究了双线性配对的类型以及不同类型所具有的性能,提出了基于非对称双线性群的CP-ABE方案。定义了CP-ABE方案所使用的访问结构、门限、访问树结构、CP-ABE及其安全模型。进一步优化并改进了CP-ABE的解密算法的性能,使其具有更高效的解密算法。在基于CP-ABE电子邮件系统设计方面,针对传统电子邮件系统存在的完整性和机密性问题,以及现有加密电子邮件系统存在的邮件群发性能低问题,提出了基于CP-ABE的电子邮件系统。首先研究了电子邮件系统的工作原理；其次针对目前电子邮件系统存在的问题,分析了系统的设计目标；然后研究并提出了系统的体系结构,给出了基于CP-ABE的电子邮件系统的核心功能,包括系统初始化、解密密钥分发、邮件加密及发送和邮件接收及解密等。在基于CP-ABE电子邮件系统实现方面,基于上述的研究工作,首先对基于CP-ABE安全电子邮件系统中涉及的关键类进行了定义；然后给出了系统中各个功能的实现方法及过程；最后对设计实现的基于CP-ABE安全电子邮件系统原型进行了功能测试。该原型系统具有在邮件群发时加密算法计算复杂度为O（1）的优点。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 属性基公钥加密体制研究现状
• 1.2.2 安全电子邮件系统研究现状
• 1.3 本文研究内容
• 1.4 本文组织结构
• 第2章 相关理论基础
• 2.1 对称及公钥密码体制
• 2.1.1 对称密码体制
• 2.1.2 公钥密码体制
• 2.2 单向函数
• 2.3 双线性配对及相关假设
• 2.3.1 椭圆曲线密码学理论
• 2.3.2 双线性配对
• 2.3.3 难题假设
• 2.4 拉格朗日插值定理
• 2.5 秘密共享方案
• 2.6 可证明安全性理论
• 2.7 Diffie-Hellman密钥交换
• 2.8 本章小结
• 第3章 基于非对称双线性群的CP-ABE方案
• 3.1 相关定义
• 3.1.1 访问结构
• 3.1.2 CP-ABE的定义
• 3.1.3 CP-ABE的安全模型
• 3.2 基于非对称双线性群CP-ABE方案的构建
• 3.2.1 初始化算法
• 3.2.2 加密算法
• 3.2.3 解密密钥生成算法
• 3.2.4 解密算法
• 3.3 安全性证明
• 3.4 性能分析及解密算法的优化
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于CP-ABE的电子邮件系统的设计
• 4.1 电子邮件系统工作原理
• 4.2 系统设计目标
• 4.3 系统体系结构
• 4.4 系统的设计
• 4.4.1 系统初始化
• 4.4.2 请求/分发解密密钥
• 4.4.3 邮件加密及发送
• 4.4.4 邮件接收及解密
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于CP-ABE的电子邮件原型系统实现
• 5.1 开发环境
• 5.2 类的设计
• 5.2.1 PKG服务器类的设计
• 5.2.2 解密密钥申请客户端类的设计
• 5.2.3 发送方客户端类的设计
• 5.2.4 接收方客户端类的设计
• 5.3 访问树结构及邮件内容加密格式的设计
• 5.3.1 访问树结构的设计
• 5.3.2 邮件内容加密格式的设计
• 5.4 原型系统的实现
• 5.4.1 系统初始化的实现
• 5.4.2 请求/分发解密密钥的实现
• 5.4.3 邮件加密的实现
• 5.4.4 邮件解密的实现
• 5.5 原型系统功能测试
• 5.6 本章小结
• 第6章 总结和展望
• 参考文献
• 致谢