TD-BIBE (Threshold Distributed Batch Identity-Based Encryption), ni mpango wa usimbaji wa kundi unaotegemea utambulisho ulioundwa ili kutoa ufikiaji kwa seti ya vitambulisho maalumu vya vitu vya data katika ushirikishaji wa data za utalii mahiri kati ya taasisi tofauti kupitia utaratibu mmoja wa pamoja wa uidhinishaji, kusambaza uidhinishaji huo kwa msingi wa kizingiti kati ya mamlaka kadhaa, na kupunguza mzigo wa usimbaji wa wakati halisi. Mpango huu huunganisha kwa njia ya kriptografia kitambulisho cha kitu cha data, lebo ya task-batch, kipindi cha uidhinishaji, toleo la ubatilishaji, muktadha wa uidhinishaji na seti hai ya vitu vilivyoidhinishwa.

Muundo mkuu wa TD-BIBE hutumia kwa pamoja mifumo minne. Kwanza, kupitia distributed key generation inayotegemea Shamir secret sharing, husambaza uwezo wa master-secret wa mfumo kwa mamlaka \(n\) na hulenga kuzuia uundaji wa complete batch decryption key bila ushiriki wa angalau mamlaka \(k\) halali. Pili, husimba vitambulisho hai vya vitu vya data kama mizizi ya set polynomial na kutengeneza compact digest pamoja na membership witness kwa kila kitu kwa seti hiyo. Tatu, huunganisha lebo ya kazi, kipindi, revocation version, context na taarifa ya revocation-list digest ndani ya authorization label moja. Nne, huhamisha sehemu kubwa ya operesheni ghali zisizotegemea ujumbe kwenda hatua ya OfflineEnc, hivyo kuweka hatua ya OnlineEnc kuwa ndogo na kwa kiasi kikubwa huru na ukubwa wa seti.

Katika majaribio, Charm-Crypto 0.43, Python 3.9 na MNT224 bilinear pairing curve zilitumiwa. Ukubwa wa juu wa authorization-set ni \(B=100\), idadi ya juu ya utambulisho wa mfumo \(N=1000\), idadi ya mamlaka \(n=5\), na threshold chaguomsingi ni \(k=3\). Thamani ya \(|S_t|\) iliongezwa kutoka 20 hadi 100; kila jaribio lilirudiwa kwa kujitegemea mara 10 na muda wa wastani ukaripotiwa. Muda wa online encryption wa TD-BIBE ulibaki chini na thabiti katika takriban 2,0–2,5 ms katika safu hii. Kwa upande mwingine, operesheni za Digest na Decrypt huongezeka kadiri authorization-set inavyokua.

Trade-off muhimu ya muundo wa utafiti ni hii: wakati ukubwa wa authorization-set uliopo unapoongezeka, ukubwa wa ciphertext na complete private-key haupanuliwi na gharama ya online encryption huwekwa chini; badala yake, gharama ya kutengeneza set polynomial, kutengeneza membership witness na decryption inakuwa tegemezi kwa ukubwa wa seti hai. Chanzo kinatoa decryption complexity ya TD-BIBE kuwa \(O(|S_{t,v}|)\).

Mpaka muhimu zaidi wa tafsiri: Utafiti huu si jaribio la uwanjani lililofanywa kwenye rekodi halisi za data za watalii, hoteli au usafiri. Plaintext ya jaribio ni elementi moja iliyochaguliwa kwa nasibu katika kundi \(G_T\), na tathmini ni benchmark ya operesheni za kriptografia. Zaidi ya hayo, modeli ya usalama inahusisha kudhibitiwa kwa mamlaka chache kuliko \(k\) chini ya static corruption; offline token leakage/reuse, kudhibitiwa kwa mamlaka \(k\) au zaidi, authenticated private channel compromise na kughushi trusted bulletin ziko nje ya modeli msingi ya usalama.

Kwa nini tatizo linatokea?

Mifumo ya utalii mahiri inaweza kuhitaji ushirikishaji wa vitu vingi vya data kati ya majukwaa ya maeneo ya utalii, hoteli, mifumo ya usafiri, huduma za hali ya hewa, vitengo vya dharura na taasisi za udhibiti. Chanzo kinatoa mifano kama mtiririko wa wageni, mienendo ya watalii, rekodi za malazi, miunganisho ya usafiri, tahadhari za hali ya hewa, taarifa za dharura na data za udhibiti.

Tatizo hapa si tu “kusimba data”. Wakati wa kazi maalumu, ni lazima pia kufafanuliwa kwa njia ya kriptografia ni vitu gani vya data vinaweza kufunguliwa chini ya kazi, kipindi, toleo la ubatilishaji na muktadha gani.

Kwa mfano, ikiwa katika kazi moja ya uratibu wa likizo vitu kadhaa huru vya data vitatumiwa kwa muda na taasisi zilezile, kutengeneza na kusambaza decryption key tofauti kwa kila kitu kunaweza kuongeza gharama ya usimamizi wa funguo pamoja na idadi ya vitu. Kwa hiyo, mbinu ya BIBE inalenga kuweka vitu chini ya batch label moja na kutengeneza nyenzo moja ya uidhinishaji kwa identity subset maalumu.

Uidhinishaji wa Kundi katika Kiwango cha Kitu Unamaanisha Nini?

Katika TD-BIBE, uidhinishaji wa kundi unamaanisha kutengeneza batch decryption key moja kwa seti hai ya vitu vya data \(S_{t,v}\) iliyofafanuliwa chini ya task batch na revocation version maalumu badala ya kutoa ufikiaji wa jumla kwa jukumu la mtumiaji; ciphertext inaweza kufunguliwa tu ikiwa kitambulisho cha kitu cha data kinacholengwa ni mwanachama wa seti hii hai na label, digest, revocation state na key vinaendana na descriptor ileile.

Tofauti kuu kati ya TD-BIBE na ABE

Attribute-Based Encryption (ABE) ina uwezo mkubwa wa kueleza sera zinazotegemea attribute kama idara, jukumu, kiwango cha usalama au madhumuni ya ufikiaji. Lengo la utafiti huu ni kuidhinisha moja kwa moja seti inayobadilika ya vitambulisho vya vitu vya data.

Kwa mujibu wa hoja ya chanzo, kusimba object set kubwa na zinazobadilika mara kwa mara kama attribute/condition tofauti katika sera za ABE kunaweza kusababisha policy kusasishwa daima. TD-BIBE inashughulikia tatizo hili kupitia identity set.

Sifa za kiutendaji za utafiti

Type-3 bilinear map ni nini?

Utafiti hutumia cyclic group tatu zenye prime order \(p\):

na bilinear map:

ni kama ifuatavyo.

\(g_1\in G_1\) na \(g_2\in G_2\) ni generator husika.

Sifa ya Bilinearity:

ni kama ifuatavyo.

Hapa \(a,b\in\mathbb{Z}_p^*\) ni scalar. Sifa hii huruhusu mahusiano ya siri ya algebra ndani ya exponent kulinganishwa kupitia matokeo ya pairing na operesheni muhimu za cancellation kufanywa wakati wa decryption.

Katika Type-3 setting:

na inadhaniwa kwamba hakuna isomorphism inayoweza kukokotolewa kwa ufanisi kati ya source group mbili.

Plaintext space ni nini?

Plaintext space ya TD-BIBE imefafanuliwa katika chanzo kama:

.

Kwa hiyo plaintext ya moja kwa moja ya mpango si mfululizo wa bit wa arbitrary-length; ni group element ndani ya \(G_T\). Chanzo hakifafanui katika utafiti huu jinsi faili kubwa au rekodi ya utalii yenye urefu wowote ingesimbwa kando. Katika majaribio pia \(M\in G_T\) nasibu huchaguliwa kama plaintext.

Mawazo makuu ya usalama yaliyotumika

Discrete Logarithm Problem (DLP): Wakati \(g\) na \(g^a\) zinajulikana, inadhaniwa kuwa ni vigumu kupata \(a\) kwa ufanisi. Katika TD-BIBE, wakati wa distributed key generation huchapishwa:

Kutoweza kutoa polynomial coefficient za siri kutoka commitment kunahusishwa na dhana ya DLP.

DBDH-3: Ni dhana kwamba katika Type-3 bilinear setting ni vigumu kutofautisha kama thamani fulani ya pairing exponent ni uhusiano halisi wa Diffie-Hellman au elementi nasibu ya \(G_T\). Confidentiality reduction ya chanzo inategemea dhana hii.

co-DHP⋆: Imetolewa:

kutokana na taarifa:

ni Type-3 computational problem ambapo ni vigumu kukokotoa thamani. Usalama wa Unauthorized key-combination na threshold authorization umejengwa juu ya dhana hii.

Set polynomial inaundwaje?

Seti hai ya vitu vya data vilivyoidhinishwa:

iwe.

Kila kitambulisho cha kitu cha data hubadilishwa kwa scalar-valued identity hash kuwa:

thamani.

Set polynomial:

huundwa kama ifuatavyo.

Formula hii ina maana muhimu sana: kila hashed identity ndani ya authorization set ni mzizi wa polinomu \(f_S(X)\).

Polinomu:

inapopanuliwa kwa umbo hili, set digest hukokotolewa kwa kutumia public structured powers:

hukokotolewa.

Digest hii huwakilisha seti nzima kwa njia ya kriptografia ndani ya elementi moja ya \(G_1\).

Chanzo kinasema wazi kwamba muundo huu wa set-polynomial na membership-witness unategemea KZG polynomial commitment na kazi za awali za Batched IBE, na hakidai muundo wa polynomial commitment wenyewe kuwa mchango mpya.

Membership witness ni nini?

Ikiwa target \(ID\) kweli ni mwanachama wa seti \(S\):

na:

huwa hivyo.

Quotient polynomial:

ni kama ifuatavyo.

Membership witness:

hukokotolewa kama ifuatavyo.

Witness hii ndiyo elementi inayothibitisha ndani ya algebra ya decryption kwamba kitambulisho kinacholengwa kweli ni root katika set polynomial.

Revocation list hubadilishaje seti hai?

Authorization set ya awali:

na revocation list:

ikiwa hivyo, authorization set hai chini ya version \(v\):

hukokotolewa kama ifuatavyo.

Revocation-list digest:

ni kama ifuatavyo.

Kazi na authorization state huunganishwa ndani ya label ifuatayo:

Hapa:

• \(t\): task-batch identifier.
• \(\mathrm{epoch}\): authorization period.
• \(v\): revocation-version index.
• \(\mathrm{ctx}\): authorization context.
• \(\rho_v\): revocation-list digest.

Context inaweza kubeba masharti ya matumizi kama region, department, data classification, task purpose na emergency level.

Je, Ubatilishaji Uliofungwa kwa Toleo Unabatilisha Ciphertext za Zamani kwa Njia ya Kurudi Nyuma?

Hapana; utaratibu wa revocation wa TD-BIBE hufunga label, key, offline token na ciphertext zitakazozalishwa chini ya version mpya na hali mpya ya \(v\), \(RL_v\) na \(\rho_v\), lakini haurudishi nyuma ufikiaji wa historical ciphertext/plaintext uliopatikana kihalali chini ya version ya zamani.

Kwa nini Canonical Encode ni muhimu?

Chanzo kinataka thamani za identity set, revocation list na context zipangwe wakati wa serialization, mipaka ya urefu itenganishwe, na canonical encoding itumike.

Mbinu hii:

inalenga kuzuia matatizo ya concatenation ambiguity kama mchanganyiko tofauti wa sehemu kubadilika kimakosa kuwa byte sequence ileile.

Usanifu wa mfumo

Distributed key generation inafanyaje kazi?

Mfumo una authorization authority \(n\), na threshold ya kutengeneza complete authorization key:

hufafanuliwa.

Kila authority \(A_i\) huchagua polynomial mbili nasibu zenye daraja lisilozidi \(k-1\):

Coefficient:

huchaguliwa kwa kujitegemea.

Authority huchapisha coefficient commitment zake:

kama ifuatavyo.

\(A_i\) hukokotoa share kwa \(A_\ell\):

na kuituma kupitia authenticated private channel.

Authority inayopokea huthibitisha share hizi kwa commitment. Ikiwa kila kitu ni halali, \(A_\ell\) hupata aggregate shares zake:

kama ifuatavyo.

Implicit master secrets:

ni kama ifuatavyo.

Jambo muhimu katika chanzo ni hili: wakati wa honest execution, master secrets hizi hazijengwi upya katika sehemu moja.

Vipengele vya Public-key:

hupatikana.

Utaratibu wa Kizingiti Unazuiaje Mamlaka Moja Kuwa na Master Key?

Kila authorization authority huhifadhi share zake tu za \((\alpha_\ell,\beta_\ell)\) zinazotokana na Shamir; complete batch key huhitaji kuunganisha angalau partial key \(k\) halali kwa descriptor ileile kwa Lagrange interpolation, hivyo katika modeli ya usalama ya chanzo uwezekano wa mamlaka chache kuliko \(k\) zilizoharibiwa kwa njia tuli kutengeneza complete target key zenyewe hupunguzwa hadi uwezekano usio na maana chini ya dhana ya co-DHP⋆.

Partial batch key inatengenezwaje?

Digest na authorization label kwa pamoja huhashishwa kwenda:

nukta.

Partial batch decryption key ya \(A_\ell\):

huwa.

Partial key hii huthibitishwa kwa pairing equality ifuatayo:

Ikiwa partial key si sahihi, mpokeaji huikataa.

Angalau partial key k hubadilika vipi kuwa complete key?

Seti ya indeksi za authority \(k\) kamili zinazoshiriki:

iwe.

Kwa kila \(\ell\in J\), Lagrange coefficient:

hukokotolewa.

Complete key:

hupata umbo hili.

Mpokeaji huthibitisha complete key kwa:

usawa.

OfflineEnc hufanya nini?

Data provider, kabla plaintext na target identity hazijakamilika, huchagua kwa \(d\) na \(L\) zilizopo:

thamani nasibu.

Offline components:

na:

hukokotolewa.

One-time offline token:

huundwa.

Chanzo kinaweka masharti mawili madhubuti ya usalama kwa token hii:

• Token lazima ihifadhiwe kwa siri.
• Token ileile itumike kwa online encryption moja tu na kisha ifutwe.

Revocation version mpya inapokuwa current, token zilizotengenezwa kwa version ya zamani lakini bado hazijatumika zinapaswa pia kutupwa.

Kwa nini OnlineEnc ni ya haraka?

OnlineEnc kwanza, kwa taarifa ya task iliyotolewa:

hukokotoa tena thamani.

Ikiwa:

basi token hukataliwa.

Hash ya kitambulisho:

baada ya kukokotolewa, ciphertext components:

hupatikana.

Final ciphertext:

ni kama ifuatavyo.

Sababu muhimu ya faida ya performance katika chanzo ni kwamba pairing na operesheni nyingi za exponentiation zimehamishwa kwenda OfflineEnc kabla ya hatua ya online.

Decrypt hufanya ukaguzi gani?

Decrypt haiendeshi tu formula moja ya pairing na kurudisha matokeo. Kwanza hutekeleza mlolongo wa ukaguzi:

1. \(RL_v\subseteq S_t\) hukaguliwa.
2. Revocation digest hukokotolewa upya.
3. Authorization label hukokotolewa upya.
4. Inathibitishwa kuwa ciphertext label na key label ni sawa.
5. \(S_{t,v}=S_t\setminus RL_v\) hukokotolewa upya.
6. Hukaguliwa kama target \(ID\) ipo ndani ya seti hai.
7. Set digest hukokotolewa upya na kulinganishwa na key digest.
8. Complete batch key huthibitishwa kwa pairing equation.
9. Membership witness huundwa.
10. Decryption factor ya mwisho hukokotolewa na plaintext kurejeshwa.

Membership polynomial katika Decrypt

Ukubwa wa seti hai:

uwe.

Kutoka kwa elementi zote za seti isipokuwa target identity:

huundwa.

Membership witness:

ni kama ifuatavyo.

Formula ya mwisho ya decryption

Mpokeaji:

hufanya hesabu.

Plaintext:

hurejeshwa kwa.

Mantiki ya correctness ya formula hii:

inategemea usawa.

Pairing exponent zinapofunguliwa, istilahi za \(f(\tau)\) na \(q(\tau)(id-\tau)\) hufutana na kinachobaki ni:

hubaki.

Wakati wa OnlineEnc:

kwa kuwa:

hupatikana.

Katika modeli ya usalama mshambuliaji anaweza kufanya nini?

Modeli ya adversary ya chanzo humpa uwezo mpana wa kuingilia kutoka nje. Mshambuliaji anaweza:

• Kusikiliza ciphertext, label, revocation digest na public information.
• Kubadilisha, kuweka thamani nyingine badala yake au kufanya replay.
• Kujaribu kutumia pamoja key/ciphertext zinazohusiana na task label, kipindi, revocation version na context tofauti.
• Kupata batch key kwa set na label zisizo challenge.
• Kufanya corrupt kwa njia tuli authorization authority chache kuliko \(k\) na kupata thamani zao za master-key shares.

Kwa upande mwingine, modeli hufanya mawazo yafuatayo:

• Mshambuliaji hawezi kufanya corrupt authority \(k\) au zaidi.
• Authenticated private channels haziwezi kutwaliwa.
• Revocation state kwenye trusted bulletin haiwezi kughushiwa.
• Offline token hubaki ya siri na one-time.

Token leakage au reuse imeainishwa katika chanzo kama implementation-level security violation na kuwekwa nje ya security model ya msingi.

Static corruption ina maana gani?

Katika Security experiment, corrupted authority set:

na: