[发明专利]一种基于算术编码的保序加密系统和方法

说明书

本发明涉及一种基于算术编码的保序加密系统和方法，包括：数据初始化模块、索引构建模块、数据加解密模块、测试模块；数据初始化模块：用于首先将原始数据进行预处理，对所有数据进行补位；索引构建模块：用于根据数据初始化模块的结果，利用P(i)确定的子区间，通过算术编码的方式对数据进行编码构建索引；数据加解密模块：用于利用对称加密算法AES对数据进行加密解密。在索引构建阶段，为了提高构建速度，保证数据索引的安全，提出基于算术编码原理索引构建方式；在明文加密阶段，本文采用对称加密算法AES对数据进行加密。本发明可对数值型数据进行保序加密，允许比较操作直接应用于加密数据，能够有效保护用户的数据安全性。

技术领域

本发明涉及云计算安全领域，特别涉及一种基于算术编码的保序加密系统和方法。

背景技术

随着互联网的不断发展，云计算成为了当前信息技术领域的热点之一。云计算以便利、经济、高可扩展性的特点吸引了大量用户，但云计算的隐私安全一直令人担忧，尽管云服务提供商会采取相应的保护措施，但其仍然对数据拥有完全操作权限。加密是保护数据安全性的一种重要方式，可以解决数据隐私安全问题，但会大幅降低用户操作效率并削弱云计算的优势。

搜索是明文数据处理中最基本的操作之一，可搜索加密将会是实现安全云存储的关键技术。保序加密是一种高效的可搜索加密工具，它使数据加密后的密文仍保持明文顺序，并允许比较操作直接应用于加密数据，而无需解密操作数。因此，等值和范围查询以及MAX、MIN和COUNT查询都可以通过加密数据直接处理，也可以适用分组和排序操作，同时利用保序加密可以解决Top-k问题。目前一些以实用为目的的系统和工具将保序加密应用其中，如：CryptDB、BigQuery等。保序加密的基本原理为：如果xy，那么Enc(x)Enc(y)，这一特点使得它非常适合于云计算，可以对数据进行排序、比较等操作。

综上所述，研究具有特殊密文特性的加密算法是保证用户数据安全的研究重点。现有的解决方案存在效率低和安全性差的问题，不能很好的实现两者的平衡。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于算术编码的保序加密系统和方法，可以使得数据平均加密执行时间更短，在数据量为5000时分别为1.299s和1.35s，同时能够有效抵抗统计攻击。本发明提出一种新颖的保序加密方法，该方案是基于索引结构的保序加密方法，对于索引结构，基于算术编码原理来构造，对于明文数据，采用对称加密算法AES进行加密，相比于其他方案，该方案能够达到保序性、安全性、高效性的统一。

本发明技术解决方案为：一种基于算术编码的保序加密系统，包括：数据初始化模块、索引构建模块、数据加解密模块、测试模块；

数据初始化模块：用于首先将原始数据进行预处理，对所有数据进行补位；即原始数据中最高位数为m位，则将所有数据补足为m位，使数据符合保序要求；其次，对处理后的数据按数字概率进行统计，得到数字0-9的概率P(i)，其中0≤i≤9，对P(i)进一步处理，选择参数a，a∈[0,MinP(i)/10],任取两个P(i)，进行P(i)+a和P(i)-a的处理，P(i)更新为P(i)+a.；最后，将P(i)按照数字0-9的顺序在区间[0,1)上排序；

索引构建模块：用于根据数据初始化模块的结果，利用P(i)确定的子区间，通过算术编码的方式对数据进行编码构建索引；

数据加解密模块：用于利用对称加密算法AES对数据进行加密解密。

进一步的，所述数据初始化模块通过统计数据数字概率信息和补位操作实现对数据的初始化：

进一步的，所述索引构建模块中的索引构建通过算术编码的方式进行。

本发明还提出一种基于算术编码的保序加密方法，包括以下步骤：