什么是ABE什么又叫做用戶密鑰的屬性匹配加密屬性

Trias聯(lián)合“北大軟微-八分量協(xié)同創(chuàng)新實驗室”定期舉辦技術沙龍。該實驗室成立于去年9月份，以可信計算、區(qū)塊鏈等作為主要研究方向，致力于推動智能互聯(lián)新時代下的人機互信問題的解決。針對沙龍具體細節(jié)問題，我們將推出由實驗室教授、博士生主筆撰寫的系列文章。本期文章由北京大學的兩位博士生李聰、馮新宇撰寫。

關注信息安全圈的小伙伴，九月初可能看到了一則新聞，歐洲電信標準協(xié)會（ETSI）發(fā)布了兩套新的基于屬性的加密（Attribute-Based Encryption，ABE，下文的描述中均使用英文縮寫）標準。新加密標準被認為可確保個人數(shù)據(jù)只會在用戶密鑰的屬性匹配加密屬性時才能解密。

看完這則新聞，你或許不禁會問，什么是ABE？什么又叫做用戶密鑰的屬性匹配加密屬性？下面就聊聊ABE中的幾個基本問題。

屬性，屬性集合及策略

百度百科中對屬性的解釋是：“屬性就是人類對于一個對象的抽象方面的刻畫。由于事物屬性的相同或相異，客觀世界中就形成了許多不同的事物類。具有相同屬性的事物就形成一類，具有不同屬性的事物就分別地形成不同的類。

在ABE中，屬性也有著相似的作用。舉個例子，Jacky Li是A大學信息安全學院的教授，那么“A大學”，“信息安全學院”以及“教授”就是ABE中刻畫Jacky Li這個人的多個屬性，這些屬性可以構(gòu)成一個屬性集合，我們可以把它記為集合SJacky L。

下面我們聊聊策略。一種簡單的理解是策略實際即是由屬性及它們間關系所組成的一個邏輯表達式，例如下式Policy1：

參與X課題 or（信息安全學院 and A大學and 教授）

這是一條簡單的策略，其表達的含義是唯有X課題組的成員或是A大學信息安全學院的教授才能滿足其要求。

最后，還必須說說屬性集合與策略的匹配。

我們?nèi)允褂肧Jacky Li與Policy1進行說明。SJacky Li集合中沒有“參與X課題”這一屬性，故其無法滿足策略的前半部分；而策略的后半部分，要求“信息安全學院”、“A大學”、“教授”這三個屬性同時出現(xiàn)，而SJacky Li同時包含了這三個屬性，所以屬性集合匹配策略后半部分，由于策略前后兩部分是or的關系，故屬性集合SJacky Li能夠滿足策略Policy1，我們稱之為屬性集合與策略匹配成功。

倘若此時另一個用戶Johnson，他的屬性集合是SJohnson= {計算機學院，A大學，教授}，顯然SJohnson無法滿足Policy1，此時屬性集合與策略匹配失敗。

什么是ABE？

清楚了ABE中的屬性及策略的概念，我們開始解釋什么是ABE。拋開嚴謹?shù)亩x，用一句話說明ABE加密算法其實就是看屬性集合與策略是否相匹配的一個公鑰加密“游戲”。

簡單解釋下這句話，首先ABE是一個公鑰加密算法，既然是公鑰加密算法，就有公鑰和私鑰的概念，每一名參與ABE系統(tǒng)的用戶都有一個屬于自己的私鑰，而加密方在加密數(shù)據(jù)時使用的則是公鑰，在ABE中我們?nèi)趸€這一概念，稱之為公共參數(shù)（public parameter）。

其次，在傳統(tǒng)公鑰加密中，用戶會使用其私鑰嘗試解密密文，ABE也不例外。

與傳統(tǒng)方法不同的是，設計者將屬性集合與策略嵌入到了用戶私鑰與密文中，這樣一來，私鑰與密文輸入解密算法嘗試解密的過程，實際也就是屬性集合與策略相匹配的過程，倘若能夠匹配成功，則算法順利完成解密操作，用戶可成功恢復出明文數(shù)據(jù)。倘若匹配失敗，則用戶無法恢復明文，解密失敗。

KP-ABE與CP-ABE

在這里還有兩個概念需要說明，即KP-ABE與CP-ABE。

KP-ABE，Key-Policy ABE，翻譯過來即是密鑰策略ABE，什么是密鑰策略？上文中提到了ABE的解密過程中需要進行策略與屬性集合匹配的操作，但實際我們并沒有說清楚策略和屬性集合分別在哪。Key-Policy指的是策略嵌入用戶密鑰中，屬性集合嵌入于密文中，在解密的過程中，用戶將嵌入策略的密鑰與嵌入屬性集合的密文輸入解密算法，通過這種方式，實現(xiàn)策略與屬性集合的匹配。

而CP-ABE（Ciphertext-Policy ABE，密文策略ABE）呢？自然是策略嵌入在密文中?。∷cKP-ABE在結(jié)構(gòu)上是一種對偶關系，這也就是為什么往往學者們在提出一個新的CP-ABE方案時，會在同一篇論文中同時再提出一個KP-ABE方案。同樣條件與假設下，兩類算法的密文密鑰結(jié)構(gòu)設計比較好類比與遷移。

需要注意的一點是，這種相似性僅存在于結(jié)構(gòu)上，CP-ABE與KP-ABE在應用場景方面有著極大的不同。

CP-ABE由于策略嵌入密文中，這就意味著，數(shù)據(jù)擁有者可以通過設定策略去決定擁有哪些屬性的人能夠訪問這份密文，也就相當于對這份數(shù)據(jù)做了一個粒度可以細化到屬性級別的加密訪問控制。

CP-ABE的應用場景一般是公有云上的數(shù)據(jù)加密存儲與細粒度共享，而KP-ABE的應用場景則更加偏向于付費視頻網(wǎng)站、日志加密管理等等（由于篇幅的關系，具體場景會在后續(xù)文章中繼續(xù)討論）。

ABE的優(yōu)勢是什么？

我們以CP-ABE為例，舉一個簡單的例子說明ABE相較傳統(tǒng)公鑰加密算法的優(yōu)勢。

一個數(shù)據(jù)擁有者需要將一份明文文件，加密發(fā)送給N個不同的用戶，倘若使用傳統(tǒng)公鑰加密算法，數(shù)據(jù)擁有者需要首先保存這N個用戶的公鑰（不考慮公鑰證書的情況下），利用這N個不同公鑰，使用該份明文文件，加密N次，形成N份不同的密文，分別發(fā)送給這個N個用戶。

若使用ABE來完成這項任務則會輕松很多。此時，數(shù)據(jù)擁有者只需要制定一條僅有這N個用戶才能滿足的訪問策略，接著輸入公共參數(shù)PP、該條策略以及明文文件至ABE加密算法，進行加密一次，形成唯一一份密文。得到密文后，數(shù)據(jù)擁有者將該份密文分別發(fā)送給這N個不同用戶。

從加密計算開銷與存儲開銷的角度來看，ABE在該場景下（數(shù)據(jù)加密共享場景）相較于傳統(tǒng)公鑰加密算法，有著肉眼可見的性能優(yōu)勢，此處便不再贅述。

結(jié)語