物联网的高效可验证安全外包计算关键技术研究

As the fast development of Internet of Things (IoT), it is required for resource-constrained devices to outsource the computation of high complexity to the cloud in semi-trusted or malicious settings. Secure outsourced computation has become one of the most important research fields. Unfortunately, the widely adopted technique of public key (fully) homomorphic encryption in the existing work, significantly deviates the principle of hybrid encryption and its high computational cost cannot be tolerated by resource-constrained users in IoT. To address this issue, this project plans to study the key techniques of efficient verifiable secure outsourced computation, mainly in the following four aspects: (1) To study new encryption schemes or protocols for efficient verifiable secure outsourced computation under the standard model or universal composable (UC) model. (2) To explore new generalized solution to efficient verifiable secure outsourced computation by reducing the usage times of public key encryption/decryption while it has to be used for privacy preservation, and aim to solve the cryptographic theoretical problem of designing provably secure privacy preserving outsourced data aggregation; (3) To address the generalized theory of efficient correctness verifiability and auditability by exploiting the technique of batch verification; (4) Based on our proposed new techniques of efficient verifiable secure outsourced computation, we try to tackle kinds of applied cryptographic issues in IoT, such as secure outsourced pattern matching and outsourced traffic recommendation. This project aims to achieve important results in the four aspects above, and contributes to the research field of efficient verifiable secure outsourced computation in IoT.

随着物联网的迅猛发展，资源受限的物联网节点需将高复杂性的计算外包给半可信或恶意环境下的云服务器完成，安全外包计算成为一项重要研究课题。然而，国内外最新成果多利用公钥（全）同态加密技术实现，计算开销大且违背混合加密基本原则。为解决上述问题，本项目围绕物联网的高效可验证安全外包计算关键技术，从以下四方面展开研究：（1）研究标准模型或UC通用组合模型下高效可验证且适用于安全外包计算的新型加密方案或协议；（2）探索在不得不使用公钥加密实现数据隐私保护时，通过减少公钥加密/解密次数实现轻量级安全外包计算的一般性构造方法，以及可证安全的具有隐私保护的外包数据聚合的密码理论问题；（3）通过批量验证技术实现轻量化防欺诈与抗抵赖的一般性理论问题；（4）解决多种类型物联网环境中的安全外包模式匹配、交通道路推荐等应用密码学问题。本项目将力争在这四方面取得重要进展，推进物联网的高效可验证安全外包计算研究。

本项目系统地研究了物联网的高效可验证安全外包计算关键技术相关课题，取得了一系列重要突破，发表18篇学术论文，其中有9篇属于CCF A类或中科院一区论文，包括IEEE TDSC、IEEE TIFS、IEEE TCC、IEEE IoT Journal等期刊或会议；2篇属于CCF B类论文，包括Computers & Security 和ICDCS 2019等期刊或会议；SCI检索7篇，EI检索17篇，ESI高被引论文1篇。项目负责人和主要研究人员还应邀在国内外学术会议作邀请报告5次，申请发明专利2项。.本项目主要创新性工作包括：.（1）研究UC通用组合模型下高效可验证且适用于安全外包计算的新型加密方案或协议。包括提出了不依赖传统的公钥全同态加密技术、通过减少公钥加密使用次数构造轻量级安全外包计算的新理论、新方法；基于离线状态下常数次（与输入数据个数无关）任意单向陷门置换，分别给出了单用户与多用户场景下轻量级安全外包计算的一般性构造方法，解决了国际著名密码学家Craig Gentry团队在国际三大顶级密码会议之一美密会CRYPTO 2010提出的“如何利用比全同态加密更高效的密码原语设计可验证安全计算”这一挑战性公开问题。.（2）通过批量验证技术，解决了轻量化防欺诈与抗抵赖的一般性理论问题。包括提出轻量级可验证外包模式匹配协议，利用同态消息认证码技术对外包计算结果的正确性给出高效的验证方法；构造恶意敌手模型下高效的隐私保护外包可验证图像去噪与匹配协议；发现了智能推荐系统中外包计算结果正确性可验证、可审计的一般性构造理论与方法。.（3）针对具体的安全物联网应用场景，提出了新兴网络服务环境下基于安全外包计算的若干应用密码学解决方案。包括在离散神经网络中，提出了轻量级隐私保护模型训练与计算协议；在移动医疗社交网络中，提出了隐私保护的数据包传输中继候选节点安全计算协议等。.此外，本项目还扩展了许多研究。受资助期间，项目负责人作为主要合作完成人获得2018年度教育部自然科学一等奖，培养1名博士后出站，1名博士和5名硕士毕业，7名硕、博士生在读，1人获得2018-2019年度研究生国家奖学金。