实现高效、隐私保护且安全可验证的外包数据库

《IEEE Transactions on Knowledge and Data Engineering》：Achieving Efficient, Privacy-Preserving and Secure Verifiable Outsourced Database

　　

摘要：

可验证数据库（VDB）是一项关键技术，使外包数据库的查询用户能够验证查询结果的正确性与完整性。尽管存在多种VDB解决方案，但大多数方案未能同时实现数据安全与查询隐私保护，且因查询效率低下而难以实际应用。本文提出Merkle向量矩阵承诺（MVMC）机制，通过将Merkle哈希树与向量承诺相结合，显著提升验证性能。在此基础上，我们设计了一种高效、隐私保护且安全的可验证外包数据库系统——PSVDB。具体而言，数据所有者对数据库进行加密，生成基于MVMC的承诺与证明，并将其外包至服务器，同时为查询用户生成代理重加密密钥。在查询过程中，用户发送同态加密的查询索引，服务器对加密数据库及行Merkle树执行同态运算，生成加密查询结果与验证证明。随后，用户使用同态密钥还原证明与加密查询结果，验证查询结果的正确性与完整性，并通过代理重加密机制解密数据。安全分析表明，PSVDB在保证数据安全与查询隐私的同时，实现了可验证的查询结果。性能评估显示，PSVDB优于现有方案，对于包含2^20条记录的数据库，在线查询时间为10.20秒，并将查询效率分别提升了61倍（618.50秒）、124倍（1271.37秒）和24889倍（253871.49秒）。