民航空管私有云的全同态加密的关键技术研究

Based on CAAC Air Traffic Management (ATM) private network, Private Clouds can effectively integrate a variety of information resources in ATM system. In order to protect the ATM information security, data need be encrypted and stored in “ATM Private Clouds” in the form of ciphertexts. However, the indexing and processing of the encrypted ATM information will become extremely difficult. We want to operate the arbitrary plaintext information homomorphically, just by operating ciphertexts, without decryption. So, the project will focus on the research of Fully Homomorphic Encryption (FHE) algorithms to solve their efficiency and security problems. To the best of our knowledge, today the best efficiency is only λ^3.5 where λ is security parameter and the best security cannot still reach IND-CCA1 which is the theoretically strongest for FHE. The research includes 4 parts: (1) the efficient somewhat homomorphic encryption scheme, (2) the efficient recryption algorithm, (3) the squashed decryption circuit, and (4) the provable security technology by combination of IND-CPA and Plaintext-Awareness security. By creative jobs, we will propose efficient and secure FHE algorithms where the efficiency will be λ^2 and the security will be IND-CCA1. Furthermore, we will also design some application schemes to demonstrate the practical value of our algorithms in “ATM Private Clouds”.

“空管私有云”是基于民航空管的专用网络，它能够充分整合空管系统的各种信息资源。为了保障空管信息的安全，数据需要被加密，以密文的形式存储在空管私有云中。然而，对加密后的空管信息的检索和处理，也因此变得异常困难。为了在不解密的情况下，仅仅通过处理密文，就能够同态的处理任意明文。本项目将开展全同态加密算法的研究，解决目前的全同态加密效率不高（目前最高的效率仅仅为安全参数的3.5次方），安全强度不够（达不到理论上的IND-CCA1安全）的关键性问题。主要研究内容包括：（1）高效的somewhat同态方案；（2）高效的重加密算法；（3）能够自评估的解密电路；（4）IND-CPA安全联合“明文感知安全”的可证明安全技术。通过在这些内容上的探索和创新，设计出高效而安全的全同态加密算法（安全参数的2次方、IND-CCA1安全），并设计在空管私有云中，具有示范价值的全同态加密的应用方案。

保护民航空管私有云中数据安全的一种方法，是对私有云中的敏感数据进行加密。但传统的加密限制了数据的使用，对空管信息的检索和处理变得异常困难了。例如，如果数据以明文存储，则可以指定一个关键字有效地搜索数据；而如果数据以密文方式存储，仅凭传统的加密方案，很难支持对密文的关键字搜索。全同态加密，由于具有不解密就能对加密数据任意处理的优点，则有望成为空管私有云中保障数据安全的可能方法。然而，目前全同态加密算法的效率很低，不具有实用性。针对这一情况，本项目对somewhat同态方案、重加密、以及压缩解密电路等全同态加密的关键技术进行了研究，提高了全同态加密算法的效率和安全性；另一方面，对全同态加密在空管私有云中的应用进行了研究，这为空管私有云中数据拥有者的隐私安全提供技术支撑，实现隐私友好的安全服务。在基金资助期间，本项目共培养硕士生4名，发表论文13篇，其中SCI索引7篇，EI索引4篇。