基于TEE的多数据所有者协作属性撤销安全医疗数据共享方案

《Journal of Information Security and Applications》：A TEE-based multi-data-owner collaborative attribute revocation scheme for secure medical data sharing

　　

摘要

随着跨机构数据共享需求的日益增长，如何在保护隐私的前提下实现多个数据所有者之间的安全协作，已成为数据安全研究中的关键挑战。传统的基于属性加密（ABE）的访问控制机制在处理属性撤销和多方协同时面临计算开销高、密文频繁重新加密以及对中心化机构过度依赖等问题，难以满足医疗等高敏感领域的动态安全需求。为解决上述局限，本文提出了一种基于可信执行环境（TEE）的多数据所有者可控数据共享机制。该机制利用TEE的硬件级隔离和可信计算能力，将关键操作封装在安全执行域内，从而显著提高属性撤销的效率并降低计算和通信成本。此外，本文设计了一种协作式属性撤销机制，使多个数据所有者能够共同参与访问授权决策，实现去中心化的动态访问控制。大量的实验评估表明，所提出的机制在高效性和可扩展性方面表现优异，具有较强的数据保密性和细粒度可控性，展现出在医疗等高敏感环境中实现安全隐私保护数据共享的潜力。

引言

随着医疗信息化的持续推进，大量患者的临床数据已被数字化并结构化地存储在医院信息系统中。这一转变为疾病机制研究、疫情预警和精准治疗提供了前所未有的高质量数据资源。在此基础上，跨机构医疗数据共享已成为推动医疗研究创新和健康决策支持系统发展的关键驱动力。

然而，医疗数据的高度敏感性在共享过程中带来了严峻的隐私和安全挑战。为实现可控条件下的安全数据共享，必须确保数据所有者能够实施动态且细粒度的访问控制。这通常需要集成属性驱动的访问控制策略与高效的多方协作撤销机制——这代表着当前系统设计中的核心难点。尽管已有多种基于加密的访问控制机制被提出，如属性加密（ABE）以及结合密钥管理服务的访问控制策略，但在实际的多数据所有者部署场景中仍面临诸多挑战。其中，属性撤销——对于维持动态安全至关重要——仍然尤为复杂，难以有效实现。

当前研究主要集中于由中心机构驱动的重新加密方案，通过周期性更新密钥或密文来实现访问撤销。具体而言，当中心机构撤销某用户的属性时，系统必须定位所有受影响的数据所有者（DO），而每个数据所有者又必须独立更新其对应的密文。然而，该机制在多所有者场景中存在固有的局限性：它不仅给每个数据所有者带来巨大的计算开销，还会在云端引发"撤销风暴"，导致大规模的通信和同步成本。这种低效使得该机制难以支撑大规模的医疗联盟应用。因此，突破传统重新加密模式的约束，设计一种高效、协作且轻量化的撤销机制，已成为构建可容纳多个数据所有者并在半信任环境中有效运行的数据共享系统的关键挑战。

为应对上述挑战，研究人员开始探索硬件辅助安全技术。近年来，可信执行环境（TEE）凭借其硬件级隔离能力，成为构建安全数据共享系统的有前景的基础。已有研究尝试将密钥管理和访问策略验证等敏感操作迁移至TEE中，以抵御外部攻击和内部威胁。例如，Jie等人[1]提出了一种基于Intel SGX的轻量化访问控制框架，其中密码核心和策略验证模块在TEE内执行，确保密钥生成和分发过程的可信保护和隔离执行。类似地，Kalapaaking等人[2]采用安全飞地执行核心认证和密钥分发逻辑。这些研究表明了硬件安全在保护数据访问逻辑方面的有效性。然而，大多数现有方法聚焦于单所有者或中心化场景，尚未充分挖掘TEE在多个数据所有者协作进行安全数据共享环境中的潜力。

与此同时，面向多数据所有者的数据共享机制也取得了显著进展。一些研究探索了利用区块链或分布式共识协议来实现跨机构的身份和访问权限协调（Tavares等人[3]、Fang等人[4]）。这些方法在一定程度上减轻了对中心机构的依赖。然而，它们在实际应用中仍面临显著瓶颈。一方面，共识协议引入了较大的延迟和通信开销，难以满足实时性要求。另一方面，在缺乏可信执行环境的情况下，策略匹配和撤销决策等敏感逻辑仍在不可信节点间暴露，导致潜在的信息泄露和篡改风险。因此，在兼顾"去中心化协作"与"可信计算"的同时又不牺牲性能，仍然是一项亟待解决的关键技术挑战。

为应对上述问题，本文探索将TEE集成到访问控制架构中，采用硬件增强的安全机制来确保关键计算过程的保密性和完整性。同时，设计了一种新型的多数据所有者协作属性撤销机制，使得在不依赖单一中心机构的情况下能够实现细粒度和动态的权限管理。

基于上述设计，本文提出了一种具有强撤销能力和半信任方协作控制的TEE安全数据共享系统。该系统支持多机构数据访问控制场景，特别适用于医疗等对隐私要求严格的领域。其有效性通过在疾病相关性研究场景中的实施进一步得到验证。本文的主要贡献总结如下：

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  构建了一个基于TEE的可控数据共享系统，以提高属性撤销处理的效率。通过在TEE安全环境中执行核心撤销相关计算——如密钥更新和策略验证，系统利用硬件级隔离和计算能力，显著降低了撤销操作过程中通常产生的通信和计算开销。
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  提出了一种多数据所有者协作属性撤销机制，以在多方治理和严格隐私监管的医疗数据共享场景中实现细粒度访问控制。该机制允许多个数据所有者共同参与数据用户访问属性的撤销，从而实现去中心化且动态的权限管理。它有效满足了医疗等高敏感领域对动态安全和合规监管的双重要求。

章节片段

属性撤销

ABE是一种强大的密码学方法，能够实现细粒度的访问控制和保密性保护。它尤其适用于需要一对多加密的云计算应用场景。在ABE系统中，撤销——即撤回或取消属性持有者的访问权限——始终是ABE安全方案实际部署中的关键挑战[5]。Chen等人[6]通过关键词与属性的绑定结合，实现了精确的……

系统模型

该设计基于以下核心概念：系统允许多个数据所有者（DO）协作控制数据用户（DU）的属性状态。一旦某个属性被大多数数据所有者联合撤销，该数据用户将立即被拒绝访问与该属性相关的任何数据——无需重新加密原始密文。整个框架以TEE为中心，TEE负责执行属性验证、撤销评估和摘要签名。协同工作……

系统初始化算法

在系统初始化阶段，访问控制中心（AC）执行 SystemSetup(1^λ) 算法，其中 λ 为安全参数。具体而言，AC首先基于RSA密码体制生成一对主RSA密钥对：它随机选择两个大素数 p 和 q，计算模数 $N=p·q$ 和欧拉函数 $\phi \left(N\right)=(p?1)(q?1)$。然后，选择一个与 φ(N) 互素的公钥指数 e，并计算满足 e·d ≡ 1 (mod φ(N)) 的私钥指数 d。因此，……

结论

本文提出了一种基于TEE的多数据所有者可控数据共享机制，以解决多所有者环境下的数据共享和属性撤销管理挑战。利用TEE的硬件级隔离和可信计算能力，系统在安全域内执行属性验证、密钥更新和撤销评估等核心操作，从而建立了一个高安全性、低开销的访问控制框架。

未来……

CRediT作者贡献声明

何鑫丰： 撰写——审稿与编辑、监督、项目管理。李晓： 撰写——原稿撰写、可视化、验证、软件、数据整理、概念构思。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的经济利益或个人关系，这些关系可能会影响本文所述的工作。

何鑫丰|李晓