基于同态加密的全文检索方案设计与实现

为了有效保障外包数据的安全性,满足用户高效检索储存在云中的数据。提出一种基于同态加密的云存储全文检索方案。该方案以整数向量加密技术为基础,建立向量空间模型,进而在密文下计算检索向量与文档向量的余弦相似度,进行检索。方案利用加密算法的同态性,在上传文件,检索以及下载文件的整个过程中,云服务器均无法获取明文数据,方案可进行多关键词检索。在第三方不可信云存储场景中具有准确和更高的检索效率,方案描述简单,保证了用户数据的机密性,在实际场景中具有良好的应用。     

云存储中高效密文检索的中文数据加密方案

数据加密是确保云存储数据安全的主要技术,高效的密文检索技术对于提高密文检索效率和减小存储开销起到了决定性作用。大多数已有的基于密文检索的中文数据加密方案需要上传密钥,增加了密钥泄漏的风险。在密文检索过程中,对于关键字的匹配,一些方案需要多次对密文解密,严重降低了密文检索的效率;另一些方案构建了大量的索引文件,浪费了云存储空间。文中提出了一种能兼顾检索效率和存储开销的中文数据加密方案,其在数据加密阶段利用了数据分块随机排序和标号向量加密技术,在密文检索阶段配合构建的索引向量文件对密文进行类明文检索。在整个过程中不需要将密钥上传至云服务器,建立索引向量文件所消耗的存储空间也小于其他基于索引的方案。实验表明,本方案在检索效率和存储开销上优于其他两种方案,并且能在耗费较少时间和存储空间的情况下准确地找到用户存储的数据。     

一种基于MLWE的同态内积方案

同态内积在安全多方几何计算、隐私数据挖掘、外包计算、可排序的密文检索等场景有广泛的应用.但现有的同态内积计算方案大多是基于RLWE的全同态加密方案,普遍存在效率不高的问题.在柯程松等人提出的基于MLWE的低膨胀率加密算法基础上,提出了一种同态内积方案.首先给出了密文空间上的张量积运算⊗,该密文空间上的运算对应明文空间上的整数向量内积运算;然后分析了方案的正确性与安全性;最后给出了两种优化的加密参数,对应计算两种不同大小的整数向量同态内积的应用场景.通过C++与大整数计算库NTL实现了该方案.对比其他同态加密方案,该方案能够比较高效地计算整数向量的同态内积.     

基于Simhash的安全密文排序检索方案

针对密文检索中存在的计算量大、检索效率不高的问题，提出一种基于Simhash的安全密文排序检索方案。该方案基于Simhash的降维思想构建安全多关键词密文排序检索索引（SMRI），将文档处理成指纹和向量，利用分段指纹和加密向量构建B+树，并采用"过滤-精化"策略进行检索和排序，首先通过分段指纹的匹配进行快速检索，得到候选结果集；然后通过计算候选结果集与查询陷门的汉明距离和向量内积进行排序，带密钥的Simhash算法和安全k近邻（SkNN）算法保证了检索过程的安全性。实验结果表明，与基于向量空间模型（VSM）的方案相比，基于SMRI的排序检索方案计算量小，能节约时间和空间成本，检索效率高，适用于海量加密数据的快速安全检索。     

支持检索关键词语义扩展的可排序密文检索方案

针对云计算环境下已有的密文检索方案不支持检索关键词语义扩展、精确度不够、检索结果不支持排序的问题，提出一种支持检索关键词语义扩展的可排序密文检索方案。首先，使用词频逆文档频率（TF-IDF）方法计算文档中关键词与文档之间的相关度评分，并对文档不同域中的关键词设置不同的位置权重，使用域加权评分方法计算位置权重评分，将相关度评分与位置权重评分的乘积设置为关键词在文档索引向量上相应位置的取值；其次，根据WordNet语义网对授权用户输入的检索关键词进行语义扩展，得到语义扩展检索关键词集合，使用编辑距离公式计算语义扩展检索关键词集合中关键词之间的相似度，并将相似度值设置为检索关键词在文档检索向量上相应位置的取值；最后，加密产生安全索引和文档检索陷门，在向量空间模型（VSM）下进行内积运算，以内积运算的结果为密文检索文档的排序依据。理论分析和实验仿真表明，所提方案在已知密文模型和已知背景知识模型下是安全的，且具备对检索结果的排序能力；与多关键字密文检索结果排序（MRSE）方案相比，所提方案支持关键词语义扩展，查询准确率比MRSE方案更加准确可靠，而检索时间则与MRSE方案相差不大。     

基于计数型布隆过滤器的可排序密文检索方法

云计算环境下密文检索困难,已有的可搜索加密方案存在时间效率低、文件检索索引不支持更新、检索结果不能实现按精确度排序等问题。首先基于计数型布隆过滤器构建文件检索索引,将文件集中的关键词哈希映射到计数型布隆过滤器索引向量,实现了按关键词进行密文检索,同时,支持密文检索索引的动态更新。其次,由于计数型布隆过滤器本身不具备语义功能,不能实现按相关度对检索结果排序,引入关键词频率矩阵和词频逆文本频率（TF-IDF）模型计算关键词的相关度分值,以实现按相关度分值对检索结果排序。最后,理论和实验性能分析证明了该方法的安全性、可更新能力、可排序能力和高效性。     

基于混合云架构的深度语义密文检索

针对传统的云环境下密文检索方案基于统计学模型来生成文件向量和检索向量,并没有考虑文件和请求的深层次语义信息,提出一种基于混合云架构的深层次语义密文检索模型。通过私有云联邦学习神经网络模型构建向量生成模型,通过公有云存储密文数据。另外,提出密倒排索引表来存放文件向量,在公有云的检索过程中,保证检索信息不被泄露的情况下提高检索的效率。对真实数据集的分析和实验表明,提出的方案在安全性和搜索效率方面都优于目前同类型的密文检索方案。     

基于同态加密的多关键词检索方案

随着云存储服务的发展,越来越多的数据拥有者选择将数据外包给云服务商存储。为了保证数据的安全性,云服务器上的数据应该以密文形式存储。现有的多关键词密文检索技术不能兼顾准确性和安全性的问题,提出一种利用改进的向量空间模型和同态加密技术进行多关键词检索的方案。性能分析表明该方案能够有效地解决密文的多关键词检索问题。     

CRSHE：基于同态加密的新型密文检索方案

针对文本密文存储与检索需求,提出一个检索与共享功能分离的云存储模型,在此基础上设计了一种同态加密算法,并给出一种新型同态密文检索方案CRSHE。可有效解决检索关键词隐私泄漏、不支持同态加密等问题,通过排序反映文档与关键词之间的相关程度,在多关键词检索时极大地提升检索性能。测试实验表明,该方案比线性密文检索方案效率高,具有较高的准确性。     

基于B+树的多关键字密文排序检索方法

针对当前社会信息量大、隐私信息需要加密存储带来的检索难度大等问题,研究分析了现有的基于密文的可搜索加密方案,提出了一种基于B⁺树的多关键字密文排序方法。利用向量模型构建索引和查询陷门,根据相关性分数和关键字匹配度对检索结果进行排序。在真实数据集上进行了实验,结果证明本方案具有较高的检索效率。     

支持语义扩展的动态多关键词密文排序检索

针对云存储环境下已有的动态多关键词密文排序检索方案不支持关键词语义扩展、不具备前向安全和后向安全的问题，提出一种支持语义检索且具备前向安全和后向安全的动态多关键词密文排序检索方案。该方案通过构建语义关系图实现查询关键词的语义扩展；使用树索引结构实现数据的检索和动态更新；利用向量空间模型实现多关键词排序搜索；基于安全K近邻算法对维度扩展后的索引和查询向量进行加密。安全性分析表明，该方案在已知密文模型下是安全的且具有动态更新时的前向安全和后向安全。效率分析及仿真实验结果表明，该方案在服务器检索效率方面优于目前同类型具有相同安全性或相同功能的方案。     

面向云存储的基于全同态密码技术的文档相似度计算方法

针对云存储服务中存在的用户隐私保护需求,提出了一种在密文状态下的文档相似度计算方法。数据拥有者将文档ID、加密后的文档密文以及文档simhash值的密文上传到云服务器中;云服务提供者进行待计算相似度文档的simhash密文值和数据拥有者文档simhash密文值的全同态加法运算,获得文档间汉明距离的密文;数据拥有者解密汉明距离密文获得文档相似度排序结果。云端在不获悉数据内容及其simhash明文的情况下完成数据对象相似度运算,保护了数据隐私。给出了该方法的详细过程及相关的实验数据,验证了该方法的可行性。     

基于ElGamal的同态云端密文存储检索方案

云端数据存储的安全性和检索效率是网络空间安全亟待解决的问题之一.本文提出了一个新的密文检索模型,并在此基础上利用ElGamal同态密码算法和SM4分组密码算法,设计了一种基于混合同态加密的云端密文存储检索方案.首先,该检索方案能够在数据上传、检索和下载的过程中,保证数据的安全,可用于个人云端U盘等应用场景.其次,对该方案的正确性和安全性进行分析.最后,通过实验的方式对方案的正确性进行了证明.实验结果表明该方案在保证数据安全的情况下,检索结果正确,效率高.     

供应链产品信息搜索系统中基于同态加密的隐私保护研究

为了有效保障云计算环境下供应链产品信息搜索系统中外包数据的安全性,提出一种基于全同态加密的关键词搜索方案.该方案基于向量加密技术对文档集合建立关键词向量空间模型,进而在加密域中计算搜索关键词与文档向量空间的相似度,从而实现信息搜索操作.方案利用加密算法的同态性,在整个搜索过程中第三方均无法获取明文数据,在一定程度上保护...     

一种云环境中密文数据的模糊多关键词检索方案

越来越多的企业和个人用户将大量的数据存储在云服务器。为了保障数据隐私,重要数据以密文形式存储在云端,但却给数据检索操作带来严峻挑战。传统的基于明文的检索方案不再适用,已有的基于密文的检索方案存在不支持模糊检索或多关键词检索、效率较低、空间开销较大、不支持检索结果排序等问题。因此,研究安全高效的密文检索方法具有重要意义。提出了一种新的云环境中密文数据的模糊多关键词检索方案,该方案能够从云服务器上检索出包含有指定多个关键词的密文,支持模糊关键词检索,并且不会向云服务器和其他攻击者泄露与数据和检索相关的任何明文信息;使用计数型布隆过滤器和MinHash算法构建索引向量和查询向量,使得索引构建和查询过程更加高效,且排序结果更加准确。安全性分析和性能评估表明该方案具有高安全性、可靠性、检索效率和准确率。     

面向云环境密文排序检索的字典划分向量空间模型

针对传统向量空间模型（TVSM）生成的向量维度高,计算文档与检索关键词相关度的向量点积运算耗时长的问题,提出一种面向云环境密文排序检索的字典划分向量空间模型（DPVSM）。首先给出DPVSM的具体定义,并证明了DPVSM中检索关键词与文档的相关度得分与TVSM中的相关度得分完全相等;然后,采用等长字典划分方法,提出加密向量生成算法和文档与检索关键词相关度得分计算算法。实验结果表明,DPVSM文档向量的空间开销远少于TVSM,且文档数量越多开销降低越多;此外,DPVSM的检索向量的空间开销以及相关度得分计算的耗时也远低于TVSM。显然,DPVSM在生成向量的空间效率和相关度得分计算的时间效率上均优于TVSM。     

模糊粗糙集在科技文档检索中的应用研究

关于提高文献的检索效率,在科技文献检索过程中,传统的基于关键词匹配的检索方法缺乏对知识的理解和处理,只能检索出包含关键词的文献,而不能检索出与关键词语义相似的文献,因而检索结果在查全率和查准率都无法满足检索者的要求.将模糊粗糙集理论引入信息检索当中,对信息检索模型的缺陷进行了改进.首先用传统的互信息函数计算标引词之间的语义关联权重,构建出模糊近似空间;然后用TF - IDF方法获得文档的模糊向量表示,在计算标引词重要度权重时,不但考虑了标引词出现的频度,还考虑位置因素,查询的模糊向量表示完全由用户的兴趣确定;最后用模糊近似空间对关键词进行概念扩展,挖掘出相似概念类,计算文档和查询模糊表示的上、下近似集,文档和查询的匹配不再是关键词匹配,而是利用布尔逻辑的合取、析取公式对上、下近似集进行模糊匹配,并返回按相似度值排序的检索结果.仿真测试表明,方法能提高科技文档检索的性能,能对科技文献进行概念意义上的检索.     

优化的基于错误学习问题的CKKS方案

针对基于错误学习（LWE）问题的CKKS同态加密方案在密态数据计算中存在的密文大、计算密钥生成复杂以及同态计算效率低的缺陷,运用比特丢弃和同态计算密钥重组的方法,提出了一种优化的LWE型CKKS方案。首先,丢弃密文向量的部分低位比特和同态乘法计算中密文张量积的部分低位比特,从而减小了同态乘法过程中的密文规模;其次,针对比特丢弃对同态计算密钥进行重组和优化,从而去除密钥交换过程中powersof2含有的无关扩展项并降低计算密钥的规模和同态乘法过程中的噪声增长规模。在保证原有方案安全性的基础上,所提优化方案使得计算密钥的维度减少,使得同态乘法的计算复杂性降低。分析结果表明,所提出的优化方案在一定程度上降低了同态计算及计算密钥生成过程的计算复杂性,从而降低了存储开销并提升了同态乘法运算的效率。     

NTRU型无需密钥交换的全同态加密方案

详细分析了环LWE上NTRU基本加密方案的噪声特性与同态性,引出了"零次同态加密"的概念,并且说明了环LWE上NTRU基本加密方案是一个零次同态加密。提出了2个同态加密方案,展示了如何基于NTRU零次同态加密,设计NTRU型BGN同态加密方案与全同态加密方案。在该NTRU型全同态加密方案中,其密钥在密文计算中始终保持不变,因此,无需密钥交换就获得了一个全同态加密方案。此外,该NTRU型全同态加密的密文是一个向量,相比密文是矩阵的GSW全同态加密方案,具有存储与传输上的优势。     

基于多表达的第一阶段语义检索模型

当前,信息检索系统通常采用“检索+重排序”的多级流水线架构。基于稠密表示的检索模型已经被逐渐应用到第一阶段检索中,并展现出了相比传统的稀疏向量空间模型更好的性能。考虑到第一阶段检索所需的高效性,大多数情况下这些模型的基本架构都采用双编码器（bi-encoder）结构。对查询和文档进行独立的编码,分别得到一个稠密表示向量,然后基于获得的查询和文档表示使用简单的相似度函数计算查询-文档对的得分。然而,在编码文档的过程中查询是不可知的,而且文档相比查询而言通常包含更多的主题信息,因此这种简单的单表示模型可能会造成严重的文档信息丢失。为了解决这个问题,设计了一种新的语义检索方法 MDR(multi-representation dense retrieval),将文档编码成多个稠密向量表示。同时,该方法引入覆盖率（coverage）机制来保证多个向量之间的差异性,从而能够覆盖文档中不同主题的信息。为了评估模型性能,在MS MARCO数据集上进行了段落排序和文档排序任务,实验结果证明了MDR方法的有效性。