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基于同态加密的多功能安全外包计算工具及其机器学习应用

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基于同态加密的多功能安全外包计算工具及其机器学习应用

作者：陆鹏皓华东师范大学

学位级别：硕士

随着大数据时代的到来,每天都有海量的数据通过数字设备产生。机器学习作为需要大量算力和资源的计算任务,能够帮助用户挖掘数据中潜在的信息,并为用户的决策提供建议。然而许多用户受限于有限的本地资源,无法支持大量数据的存储和计算... 详细信息

随着大数据时代的到来,每天都有海量的数据通过数字设备产生。机器学习作为需要大量算力和资源的计算任务,能够帮助用户挖掘数据中潜在的信息,并为用户的决策提供建议。然而许多用户受限于有限的本地资源,无法支持大量数据的存储和计算。云计算作为一项快速崛起的技术,能够提供海量的存储资源和充足的计算能力,然而云服务提供商并不总是可信的,外包计算的安全性成为人们日益关注的重要问题,因此如何设计有效的安全外包计算工具,在保护隐私的前提下实现聚类、神经网络等机器学习算法的外包计算是研究人员面临的一大挑战。此外,目前许多安全外包聚类方案仅提供聚类结果,并不提供对于聚类结果的评估,资源有限的用户无法感知聚类结果的优劣。另一方面,模型逆向攻击的出现使得在云端训练神经网络模型时,需要同时保护数据和模型的隐私。针对上述问题和挑战,本文基于同态加密提出了一个支持实数运算的多功能安全外包计算工具,并实现了机器学习中聚类算法和神经网络的安全外包计算。本文的主要贡献如下:1.实现了能够支持实数运算的多功能安全外包计算工具。本文基于半解密Paillier密码系统和双服务器架构实现了实数密文的存储以及支持加减乘除等运算的安全外包计算协议,并且提供不同类型密文之间的相互转化协议,从而能够在复杂的计算任务上平衡效率与精度。2.实现了在密文上可评估的聚类算法。本文实现了同态K-均值聚类算法及层次聚类算法,并提供同态轮廓系数,从而能够在密文上对聚类结果进行评估,使用户在获得聚类结果的同时,也能了解聚类结果的优劣。3.实现了支持推理和训练的同态神经网络。本文为全连接层、卷积层等常用神经网络模块实现了密文上的安全正向传播和反向传播算法,从而使云服务器能够在同时保护用户数据和神经网络模型隐私的前提下,完成用户请求的模型训练或推理任务。本文对所提出的多功能安全外包计算工具进行了全面的实验及安全性证明,从计算时长和通信开销等角度,对不同密文类型的安全外包计算协议进行了对比分析,并研究了不同参数对同态聚类算法及同态神经网络计算效率的影响。

关键词：安全外包计算同态加密机器学习聚类神经网络

一种针对El-Gamal数字签名生成的安全外包计算方案

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信息网络安全 2019年第3期 81-86页

作者：赵谱崔巍郝蓉于佳青岛大学计算机科学技术学院山东青岛266071 科学技术部信息中心北京100862 中国科学院信息工程研究所信息安全国家重点实验室北京100093

云计算作为一种新型计算模式,满足了人们将计算能力作为一种资源的需求。云服务器可以为资源受限的用户提供计算能力、存储空间等多方面的支持。完全可信的云服务器在实际应用中非常少见,不受信任的云服务器可能会窃取用户隐私。文章提... 详细信息

云计算作为一种新型计算模式,满足了人们将计算能力作为一种资源的需求。云服务器可以为资源受限的用户提供计算能力、存储空间等多方面的支持。完全可信的云服务器在实际应用中非常少见,不受信任的云服务器可能会窃取用户隐私。文章提出一种针对El-Gamal数字签名生成的安全外包计算方案,在云服务器的协助下,资源受限的签名者可以高效生成El-Gamal签名,且保护签名者的隐私不被泄露。该方案还包含验证机制,使签名者可以验证云服务器返回结果的正确性。理论分析证明,该方案可以在保护签名者隐私的前提下帮助签名者提高签名生成效率。

关键词：安全外包计算 El-Gamal数字签名云计算安全

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机器学习算法及应用的安全外包计算研究

机器学习算法及应用的安全外包计算研究

作者：高鹏青岛大学

学位级别：硕士

随着大数据时代的发展,人工智能和机器学习在各行各业发挥着日益重要的作用。然而,机器学习算法及应用的效率仍然是一个非常关键的问题。机器学习算法涉及到耗时的运算,并且训练的数据集越来越庞大,这导致计算资源受限的用户很难独立完... 详细信息

随着大数据时代的发展,人工智能和机器学习在各行各业发挥着日益重要的作用。然而,机器学习算法及应用的效率仍然是一个非常关键的问题。机器学习算法涉及到耗时的运算,并且训练的数据集越来越庞大,这导致计算资源受限的用户很难独立完成复杂的机器学习过程。一个解决方法是将机器学习算法中计算复杂的部分委托给云完成。然而,云服务器是不可信的实体,简单的外包会带来了一些安全问题。如何通过安全外包的方法,使计算资源受限的设备能安全地高效地完成机器学习算法或应用的训练和测试具有重要的意义。本文针对机器学习的算法及应用设计了安全外包方案:(1)提出了一个线性回归算法的安全外包方案。线性回归是经典的机器学习算法之一,在日常生活中发挥重要作用。在我们设计的外包方案中,为了防止敏感数据泄露给云服务器,算法的输入输出都被完全盲化。同时,来自云服务器的计算结果是可验证的。并且支付的公平性由以太坊区块链保证,云服务器能得到报酬当且仅当他能正确地计算出结果。基于提出的方案,我们在以太坊区块链上开发了一个保证支付公平的外包平台。通过理论分析,证明了所提出的方案是安全、正确、高效并且可公开验证的;通过实验模拟,实验结果显示了所提出的方案是高效的。(2)提出了一个对在高分辨率遥感图像上基于Iso Map算法的地物识别安全外包方案。基于Iso Map的地物识别是机器学习的一个重要应用,被广泛应用在互联网智能化生产生活中。在我们设计的方案中,我们运用一系列的初等旋转矩阵使要保护的矩阵的每一个元素值与位置都发生改变,从而保护了计算的输入/输出的隐私性。提出的方案使用户能够以100%的概率检测出云服务器的恶意行为。理论分析证明了所提出的方案是正确、安全并且高效的;实验结果表明,提出的方案可以在识别准确率基本保持不变的情况下,大大提高地物识别的效率。

关键词：云计算安全外包计算机器学习区块链

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基于全同态加密的矩阵安全外包计算研究

基于全同态加密的矩阵安全外包计算研究

作者：王淑芳浙江理工大学

学位级别：硕士

矩阵计算是现代科学和工程中最基础的计算问题之一。矩阵计算通常需要大量的计算资源,因此在计算资源有限的本地进行矩阵运算并不是十分有效的方法。随着云计算的普及,我们可以将矩阵计算任务外包给云服务商进行,从而节约本地计算资源... 详细信息

矩阵计算是现代科学和工程中最基础的计算问题之一。矩阵计算通常需要大量的计算资源,因此在计算资源有限的本地进行矩阵运算并不是十分有效的方法。随着云计算的普及,我们可以将矩阵计算任务外包给云服务商进行,从而节约本地计算资源。但是云服务器并不是完全可信任的,用户将数据外包给云服务器可能会造成安全隐患。全同态加密支持对加密数据执行任意计算,从而为基于云环境的安全外包计算开辟了一条新途径。本文基于全同态加密技术研究矩阵安全外包计算方法,主要工作如下:1.提出了基于全同态加密的矩阵连乘安全外包计算方法。现有的Mishra等人的矩阵连乘方法要求巨大的系统参数,因而非常低效。本文引进了列编码技术,它要求更小的系统参数;其次本文设计二分法进行矩阵连乘计算,该方法将树型结构中的两个相邻矩阵成对相乘,而不是Mishra等人的从左到右的顺序矩阵乘法。二分法产生了对数深度的电路,因此效率要高得多。最后,我们引进了更加高效的超立方结构编码技术,将它与二分法相结合,进一步改进了矩阵连乘安全外包计算效率。实验结果表明,与现有的Mishra等人的矩阵连乘方法相比,我们所提出的方法表现出优异的计算性能,其中超立方结构的方法是最高效的。2.提出了基于全同态加密的矩阵行列式安全外包计算方法。现有的矩阵行列式安全外包计算多数是基于伪装技术的,其安全性较弱。本文基于超立方结构的矩阵编码技术,首次提出了基于全同态加密的矩阵行列式计算方法。实验结果表明基于超立方结构的矩阵行列式计算方法具有较高的性能。与基于伪装技术的方法相比,我们的基于全同态加密的方法更加安全。

关键词：安全外包计算矩阵连乘矩阵行列式全同态加密

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双线性配对安全外包计算的研究

双线性配对安全外包计算的研究

作者：仝乐青岛大学

学位级别：硕士

云计算具有成本低、易扩展等特点,被广泛应用于众多领域。通过云计算,资源受限的用户可以将计算任务外包给云服务器,从而提高本地效率。然而,云计算也带来了一些安全问题。首先,云服务器不是完全可信的,因此用户计算任务中的隐私信息需... 详细信息

云计算具有成本低、易扩展等特点,被广泛应用于众多领域。通过云计算,资源受限的用户可以将计算任务外包给云服务器,从而提高本地效率。然而,云计算也带来了一些安全问题。首先,云服务器不是完全可信的,因此用户计算任务中的隐私信息需要受到保护。另外,云服务器可能出于节约成本的目的,直接返回一个随机结果,而这个随机结果和真实结果对用户来说可能是计算不可区分的,因此用户需要有能力验证计算结果的正确性。此外,用户执行外包计算方案的开销要远远小于用户在本地完成计算任务的开销,否则外包计算就失去了意义。因此设计安全、高效、可验证的外包方案是一个值得研究的科学问题。双线性配对在密码学领域具有广泛的应用,其运算也是密码算法中最耗时的运算之一。对于计算资源有限的设备,将双线性配对运算外包给计算能力强的云服务器是一种可行的选择。本文分别基于双服务器、单服务器和区块链,提出了三个双线性配对安全外包方案:（1）提出了一个基于双服务器的双线性配对安全外包方案。资源受限设备实现安全通信主要依赖于加密算法,而双线性对是许多加密算法的基本运算。在资源受限设备上计算双线性配对非常耗时,因此众多基于双线性配对的加密算法很难大规模应用于资源受限的设备。现有的双线性配对安全外包方案大多基于预计算技术,然而资源受限设备很难有足够的存储空间来存储大量的预计算结果。针对这一问题,设计了基于双服务器的双线性配对安全外包方案,不需要预计算,安全高效且可验证概率接近1。（2）提出了一个基于单服务器的双线性配对安全外包方案。基于双服务器模型设计的安全外包计算方案需要两个服务器参与外包计算,并假定这两个服务器不能合谋,这样强的安全假设在实际应用中难以满足,因此实用性相对不强。针对这个问题,设计了一个基于单服务器的双线性配对安全外包方案,仅通过一个不可信的服务器就可以完成双线性配对的安全外包,同时用户能够以100%的概率验证结果的正确性。该方案也具有不需要任何预计算和本地执行效率高等优点。（3）提出了一个基于区块链的双线性配对安全外包方案。现有的双线性配对安全外包方案都不能实现公平支付,即在外包任务完成后,用户难以根据服务质量对云服务提供商完成支付。以去中心化为主要特点的区块链技术可以解决这一问题,通过授权区块链,设计了一种基于区块链技术的双线性配对安全外包方案,实现了公平支付,并通过实验证明了方案的可行性。

关键词：云计算安全外包计算双线性配对区块链

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数字签名与图算法安全外包计算的研究

数字签名与图算法安全外包计算的研究

作者：赵谱青岛大学

学位级别：硕士

近年来,云计算作为一种新型计算模式,受到了各界的广泛关注,同时也得到了迅速发展。云服务器可以为资源受限的用户提供计算能力、存储空间等多方面的支持。在外包计算中,用户可以将复杂的计算任务交给云服务器来完成,从而节省成本,提高... 详细信息

近年来,云计算作为一种新型计算模式,受到了各界的广泛关注,同时也得到了迅速发展。云服务器可以为资源受限的用户提供计算能力、存储空间等多方面的支持。在外包计算中,用户可以将复杂的计算任务交给云服务器来完成,从而节省成本,提高效率。然而,完全受信任的云服务器在实际应用中非常少见,用户在与不受信任的云服务器进行交互时,存在隐私泄露的风险。此外,云服务器也有可能由于各种软硬件错误原因,返回用户错误的结果。因此,一个安全的外包计算方案要保证用户的隐私不会泄露,并且保证用户能验证云服务器返回的结果正确与否。此外,用户的计算开销要低于其独立完成计算任务所需要的计算开销,否则外包计算就失去了意义。在安全外包计算的研究中,如何设计一个满足安全性、高效性、可验证性三点要求的安全外包计算方案是一个非常值得研究的问题。本文对数字签名与图算法的安全外包计算进行了研究,针对El Gamal数字签名的生成、云存储审计中环签名的生成以及求无向带权图的最小割三个问题,分别提出了三个安全外包方案:(1)El Gamal数字签名生成过程涉及到计算量较大的模幂运算,而模幂运算的底数为签名体制中的公开参数。利用这一特点,对现有的安全外包方案进行改进,设计了对应的安全外包计算方案。在方案中分别对模幂和模逆两种运算进行外包,显著地提高了签名的生成效率。通过安全性分析证明该方案满足安全外包计算的安全性、高效性以及可验证性。(2)在保持身份隐私的云存储审计的方案中,环签名的生成过程由大量模幂运算构成,计算量较大。采用分批次对环签名生成过程中涉及的模幂运算进行外包的策略,利用签名过程中用到的模幂运算的底数大部分为公共参数这一特点,简化现有安全外包方案,设计了对应的安全外包计算方案。该方案降低了用户端计算量,有效地提高了签名生成效率。通过安全性分析和实验结果证明了该方案的安全性、高效性以及可验证性。(3)针对图论中求无向带权图的最小割问题,设计了对应的安全外包方案。在方案中主要采用合并、分解边和顶点的方法对图进行盲化,并且针对单服务器模型和双服务器模型设计了不同的验证算法。通过安全性分析和实验结果证明了该方案的安全性、高效性以及可验证性。

关键词：云计算安全外包计算数字签名图算法最小割

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方阵幂安全外包云计算

计算机应用 2015年第2期35卷 383-386页

作者：刘午阳廖晓峰重庆大学计算机学院重庆400044

为解决计算能力有限的对象(用户)所面临的大维数方阵的高次幂计算问题,利用云计算平台(云端),提出一个安全可验证的方阵幂云计算外包协议。协议中,用户首先构造一个随机置换,再结合克罗内克函数,生成一个非奇异方阵,并求得其逆矩阵,这... 详细信息

为解决计算能力有限的对象(用户)所面临的大维数方阵的高次幂计算问题,利用云计算平台(云端),提出一个安全可验证的方阵幂云计算外包协议。协议中,用户首先构造一个随机置换,再结合克罗内克函数,生成一个非奇异方阵,并求得其逆矩阵,这两个方阵即为密钥;用户用此密钥完成对原方阵的加密,然后将加密所得方阵和原有的幂数发送给云端;云端完成加密所得方阵的求幂运算,并将计算所得方阵返回给用户;用户使用持有的密钥解密云端返回方阵,并随机选取若干解密所得方阵中的元素与相应的正确值进行对比,以验证解密所得方阵是否正确。经过理论分析可知,此协议满足外包协议的四个基本要求,即正确性、安全性、可验证性和高效性。基于此协议模型,在仿真实验中,将方阵幂问题分为方阵维数固定幂数变化和幂数固定方阵维数变化两种情形分别进行仿真。实验结果表明,这两种情形下,与用户自身完成原计算任务相比,外包计算均能大幅减少用户的计算耗时,获得较好的外包性能,且随着方阵维数和幂数的增加,外包效果更加明显。

关键词：方阵幂云计算安全外包计算可验证克罗内克函数随机置换

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云计算环境下可验证矩阵安全外包计算研究

云计算环境下可验证矩阵安全外包计算研究

作者：刘祥北京工业大学

学位级别：硕士

随着现代科学技术的不断发展,性能薄弱的微型计算机早已不能满足工程计算、科学研究甚至日常生产生活的需求。然而具备强大计算能力的大型计算机又是十分昂贵的,云计算的出现则为这一切带来了福音。它通过高速网络将部署在不同地理空间... 详细信息

随着现代科学技术的不断发展,性能薄弱的微型计算机早已不能满足工程计算、科学研究甚至日常生产生活的需求。然而具备强大计算能力的大型计算机又是十分昂贵的,云计算的出现则为这一切带来了福音。它通过高速网络将部署在不同地理空间闲置的计算节点连接起来,成为一个拥有强大计算资源的服务平台。用户可以通过个人终端,将大型的计算任务委托给性能强大的云端服务器,云端服务器按照用户要求完成相关计算任务后将结果返回给用户,云服务提供商按照次数或者资源使用量收取一定的费用。云计算的出现确实给用户带来了极大的便利,但同时也存在着巨大的安全隐患。目前云安全外包计算主要存在的问题集中于以下两个方面:(1)用户隐私数据得不到保护。在一些计算任务中往往包含着重要的隐私数据,如果将这些隐私数据直接上传至云端服务器,若被恶意攻击者利用势必会给用户造成巨大的安全风险。而使用一般意义上的加密方案,又阻碍了云端服务器对用户底层数据的操作。(2)云端服务器计算结果的可靠性得不到有效验证。对于本就疲弱的客户端,要想找到一个有效的方法过滤非法的返回结果无疑是非常困难的。因此,对安全外包计算方案而言,目前急需解决的问题是构建一种适用于云端的加密方法,在保证用户隐私数据安全的同时又能正确的按照用户意图执行每一步操作,并且能够及时的发现非法的返回结果,从而实现数据的安全性和结果的可验证性。针对目前外包计算所面列的严峻现实以及安全外包计算领域的研究现状,本文深入分析了现有的安全外包计算协议所存在的问题,以矩阵安全外包计算为着力点,重点研究了以下几个方面的内容:(1)矩阵乘法安全外包计算协议。针对目前研究方案中存在的安全性不高、计算效率低、可验证性差等问题,根据矩阵乘法的相关性质,利用数据冗余思想和香农混淆原理对现有的矩阵乘法安全外包协议进行了改进,提出来一种新的数据验证思想,提高了数据的安全性和可验证性。通过数据仿真实验证明,该协议具备较高的执行效率,符合预期的设计要求。(2)矩阵行列式安全外包计算协议。针对目前行列式外包计算协议中,不能抵御求解公因子算法的攻击,数据安全性薄弱,返回结果验证效率低等问题,根据行列式的恒等变换和矩阵LU分解思想,提出了一种全新的、安全性能更高的数据加密计算方案,在保证计算效率的同时,也提高了结果的可验证性。该方案中,恶意攻击者返回非法的计算结果而通过客户端验证被接受的概率为0。(3)线性方程组的安全外包计算方案。将上述行列式数据加密方案引入到线性方程组的外包计算中,结合矩阵的分块思想,构造了一个与原方程组具有相似解的新的方程组。通过将新的方程组进行外包计算,保证了原方程组的系数元素及其整个方程组状态信息的安全性。通过理论分析和Python仿真实验证明,该方案满足正确性、安全性、高效性和可验证性的要求。

关键词：云计算安全外包计算矩阵计算数据加密

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基于门限密码学的安全外包计算的研究

基于门限密码学的安全外包计算的研究

作者：陈正超电子科技大学

学位级别：硕士

随着现代社会的发展,计算任务的复杂度越来越高,客户端的计算任务变得越来越繁重。但是由于客户端的计算能力受到硬件设备的影响,客户端的计算能力无法达到满足现代计算的水准。因此,如何将客户端的计算任务外包给服务器进行计算,成了... 详细信息

随着现代社会的发展,计算任务的复杂度越来越高,客户端的计算任务变得越来越繁重。但是由于客户端的计算能力受到硬件设备的影响,客户端的计算能力无法达到满足现代计算的水准。因此,如何将客户端的计算任务外包给服务器进行计算,成了现在面临的问题。安全外包计算的出现就是为了解决客户端计算能力不足与计算任务的计算量过大之间的矛盾。一般的安全外包计算协议都需要满足三个性质,分别是可外包性,安全性和可验证性。当前的大部分的安全外包计算协议只能对特定的函数进行外包计算,无法适用于一般的函数计算,而对任何计算任务进行安全外包计算的协议的复杂度又过高,因此,本文构建了一个能够对一般函数进行外包的安全外包计算协议。本文从门限密码学入手,利用加密算法的同态性来构建了一个适用于一般函数的外包计算协议,同时提出了相应的验证方法。本文的主要工作内容和创新如下:1.本文从门限密码学入手,首先提出了一个(2-3)门限加密算法。之后,本文利用(2-3)门限加密算法构建了一个正确的安全的外包计算协议。该协议实现了(2-3)门限密文上的密文加法运算和密文乘法运算,利用算法的同态性实现了对一般函数的外包计算。同时,本文论证了该协议的正确性,又对该系统的安全性和可外包性进行了定义并证明。2.本文提出了两种方法来实现上述协议的可验证性。第一种方法将计算任务外包给两个不共谋的服务器进行计算,客户端判断两个计算结果是否一致来进行结果验证。第二种方法是客户端进行一段预处理算法得到验证密钥,利用验证密钥对计算结果进行验证。本文对这两种方法都进行了安全性、可外包性和可验证性的证明。3.本文针对解大规模线性方程组的计算任务,利用初等变换矩阵的性质,提出了一个安全外包计算协议。该协议是一个非交互的协议,相比以往的协议,有着少量的效率提升。

关键词：安全外包计算门限密码学可验证性云计算大规模线性方程组