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数据库密文检索技术设计与实现.pdf
云 南 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) ，2010，32 ( 6) : 646 ～ 651
Journal of Yunnan University
CN 53 － 1045 / N ISSN 0258 － 7971
数据库密文检索技术的设计与实现 *
张 璇1，彭 朋2，黄勤龙3
(
1．
云南大学 软件学院，云南 昆明
;
复旦大学 软件学院，上海
650091
2．
北京邮电大学 计算机科学与技术学院，北京
3．
)
100876
;
201620
摘要: 在归纳现有的数据库密文检索技术的基础上，利用高效的对称密码技术和
技术提出了一种数
据库加密以及密文检索方案，并进行了实现
经过实验证明，该方案可以很好的保证数据库的机密性，而且能够
在不对数据库解密的基础之上实现高效的密文数据检索，另外，基于已经实现的密文检索技术，还实现了对密
文数据库的其他操作，包括插入数据
Hash
．
更新数据以及删除数据
、
．
关键词: 数据库加密; 密文数据库检索; 对称密码算法;
中图分类号:
文章编号:
文献标识码:
算法
Hash
TP 309
A
0258 － 7971
(
)
2010
06 － 0646 － 06
．
随着科学技术的发展，信息已渗透到社会的各
个角落，起着越来越重要的作用
在这个信息化的
时代，信息存储的安全问题
敏感数据的防窃取和
、
数据库系统作
防篡改问题越来越引起人们的重视
为保存敏感数据的核心系统，其安全性将是信息产
业的重中之重
．
．
1
．
那么，针对存储在数据库中的数据，该如何提
供更为有效的保护手段呢? 加密仍然是保护敏感
］，因为，如果数据库中的数
数据最为有效的手段［
据是以密文形式存储的，即便攻击者成功入侵了系
统并且获取了数据，所得到的也只是密文数据，只
要加密强度足够，并且解密密钥保护得当，攻击者
显然，这种将数据
仍然无法获取他所需要的信息
加密后再存储到数据库中的方法确实是一种非常
有效的保护数据库数据的手段，不过，传统的数据
库检索是基于明文数据进行的操作，对于密文数据
来说，无法直接使用，要解决这个问题，最为直接的
办法是在检索之前对数据库进行解密操作，然后对
解密后的明文数据库再进行检索，但是这种方法存
在
数据库中的数据表之间是
相互关联的，如果要检索数据，必须将整个数据库
解密，而如果数据库数据量非常大，每一次检索前
都需要解密的话，检索效率是非常难于让人接受
个致命的问题:
①
3
②
的，而且，如此巨大的开销在实际操作中是不可行
的;
检索过程中整个数据库是以明文形式存在
的，这又给攻击者以可乘之机以获取数据库中的有
用信息，因为，一旦一个数据库入侵者入侵了数据
库，他不仅能观察到数据库中所有加密的数据，而
且在一段时间内他可以控制整个数据库系统，在控
制期间，入侵者可以监测到大量用户发送过来的检
索信息以及数据库对这些检索命令所进行的相应
处理;
只要对数据库发出检索的命令，解密密钥
就会以某种形式运用到数据库进行解密操作，这也
因
很容易泄漏解密密钥而导致数据库数据的暴露
此，我们需要在保证安全性和高效率的基础上对数
据库进行加密，而在检索前不对数据库进行解密，
而是直接对密文数据库进行检索
③
．
．
本文在归纳了已有的数据库加密以及数据库密
文检索研究的基础之上，提出一种高效的基于密文
数据库的检索技术并加以实现，经过实验证明，这个
并且，基于
方法可以非有效地保护数据库中的数据
．
这个检索技术我们还实现了对于数据库的其他相关
操作，包括插入数据
更新数据以及删除数据
、
．
1 相关研究
1． 1 数据库加密 数据库的保密问题不仅包括在
* 收稿日期:
2009 － 12 － 21
基金项目: 云南省教育厅青年教师科学研究基金项目(
6Y0041D
) ; 云南大学理( 工) 科校级科研项目(
2007Q025C
) ; 云南大学软件学
院信息安全学科建设基金项目(
)
作者简介: 张 璇(
1978 －
2010KS06
) ，女，江苏人，讲师，主要从事数据隐私保护
．
安全电子支付方面的研究
、
．
第
6
期
张 璇等: 数据库密文检索技术的设计与实现
746
传输过程中采用加密保护和控制非法访问，还包括
对存储的敏感数据进行加密保护，使得即使数据不
幸泄露或者丢失，也难以造成泄密
同时，实现数据
．
库加密以后，各用户( 或用户组) 的数据由用户用自
己的密钥加密，数据库管理员获得的信息无法进行
正常脱密，从而保证了用户信息的安全［
另外，通
过加密，数据库的备份内容成为密文，从而能减少因
由此可见，数据
备份介质失窃或丢失而造成的损失
．
库加密对于数据库安全管理，是不可或缺的
目前数
．
］:
据库加密主要存在以下
个方面的问题［
］
2
．
3
2
．
(
1
) 由于数据库系统要执行大量的检索操作，
解密算法既要保证系统的安全
这就要求数据库加
、
性，又要保证对密文数据检索的方便和快速
但是
解密算法，及在其之上的
目前已提出的数据库加
、
删除方法还都不能同时满足系统
检索
、
的安全性和易用性要求
而寻找一个在不影响用户
正常使用前提下能够快速对数据进行加解密的方
法也成为数据库加密体系研究中迫切需要解决的
问题之一
添加
、
更新
、
．
．
．
．
(
2
“
”
”
为基础的
可信第三方
可信第三方
) 目前针对数据库加密体系中密钥管理的
这
“
的密钥管理方法与密码学中
应用和研究大多是以
种基于
用户本人以外的任何人都不可信的理论相悖
1． 2 密文数据的检索 数据库中存储密文数据
后，如何进行高效检索成为一个重要的问题
检索
语句一般不可以直接运用到密文数据库的检索过
程，传统的方法是首先对加密数据进行解密，然后
对解密数据进行检索，正如前面所述，这种方法是
因此，寻找一种既能保证数
不安全也是不高效的
据库安全性又能保证使用方便性( 如: 检索
插入
、
、
删除) 的数据库加密方法一直是数据库加密
更新
、
近年来，不断有学者研究并提出
的主要研究方向
基于密文数据库的索引机制和检索策略［
］:
．
．
．
2
(
1
) 密文数据索引机制: 对密文数据库建立索
现有密
地
、
引，主要是为了实现对密文数据的高效查询
．
文数据索引机制主要有对密文数据的直接索引
址加密的密文索引以及动态安全的密文索引［
］
2
．
对密文数据的直接索引方法的主要缺点是密
文索引树中的地址数据是以明文方式存放的，攻击
者可将各结点的密文数据按其对应的明文进行排
序，并利用部分明
密文对应的统计规律获得可用
、
于破译的关键信息［
2
，
］
4
．
地址加密的密文索引方法可以解决直接密文
索引的缺陷，但如果攻击者能同时动态跟踪数据库
的访问过程，则有可能找出密文与密文地址的对应
关系，得到可乘之机［
，
］
5
2
．
动态安全的密文索引方法虽然可以有效地对
抗攻击者对密文数据和索引的对应关系进行动态
追踪分析，但实现起来却非常复杂，需要采用双地
址索引，每次访问索引之后，都访问
个密文数据，
其中一个密文数据主要是为了产生混淆效果，敌手
通过动态分析检索过程和猜测，能完全知道密文数
据的排序关系的概率大大降低，从而使密文索引的
安全性有所提高［
，
］
6
2
2
(
) 密文数据查询策略: 目前密文数据库查询
种策略: 一种是不用解密而直接操作密文
2
主要有
数据，另外一种是分步查询［
］
2
2
．
．
．
7 － 10
直接操作密文数据的方法包括数据库的秘密
其中: 秘密同态技
同态技术和数据库的序加密等
］对加密算法提出了一定的约束条件，使满
术［
而数
足密文同态的加密算法的应用不具有普遍性
．
］，序
据库的序加密方法主要采用序列密码算法［
5
列密码算法采用异或的运算方法，密钥序列不能重
复，如果对不同记录采取不同的密钥种子，则密钥
管理难度太大，如果对不同记录采取相同的密钥种
子，则会存在不少相同或相近的密文字段值，容易
受到统计攻击和已知明文攻击
11 － 12
分步查询［
］一般需要进行查询分解，先对
密文数据进行范围查询，缩小解密范围，快速解密
后再执行精确查询，查询策略的核心难点在于需要
尽量提高对密文数据库查询的准确率，缩小返回客
户端的密文数据的范围
．
．
目前，密文数据库查询技术面临的主要困难是
算法运行效率不高，过于复杂而不满足易用性，大
多不能支持模糊匹配查询，在处理多表查询时，会
产生大量的伪连接，解密工作量大大增加
在处理
多条件查询时，由于大量中间结果的产生，导致系
统运行效率下降［
］
2
．
在本文中，我们主要解决如何加密数据库并且
基于密文数据库进行高效且安全的数据检索，在我
们的解决方案中所有的敏感数据都以密文的形式
存储在数据库中并且基于密文来进行检索处理
我
们期望达到的目标是，不仅要保证数据库的安全
性，而且要保证数据库检索的速度能够达到一般应
用的要求，满足易用性
个目标，我们采
技术，因为对称密码技术
用对称密码技术和
为达到这
2
．
．
．
Hash
846
云南大学学报( 自然科学版)
第
32
卷
能较好地适应数据库的操作
解密速度快，算法安全，而且加密得到的密
不仅加
、
文是紧凑的，降低了数据库服务器的开销，采用
技术是为了充分利用其不可逆性，保护传输
Hash
到数据库的检索数据，提高安全性
．
2 数据库加密及密文数据库检索方案
2． 1 设计思想 基于对现有的数据库加密以及密
文检索技术的分析研究，我们参考文献［
］的方
案提出了一个支持数据库密文检索的方案，本方案
的主要设计思想如下:
13
(
1
前将经过加密处理( 见图
即每次加
) 数据库加密 明文数据在输入数据库之
) ，加密的粒度为分量，
解密的粒度为每条记录的分量数据，这
、
1
有
M
T
(
名为
T
记录中
后得到
．
假设数据表为
，表
条记录，其中一个属性的属性
的第
条
) 被加密
) 表示数据表
(
，
j
T
(
j
N
) ，
T
T
，
j
i
T
i
个属性和
) (
(
(
C
) 密文由
T
i
i
i
i ＜ = M
) 字段的值，即明文分量
)
，
j
) 存入数据库( 见图
2
部分组成，第
．
部分为对分量
1
部分为基于第
1
(
2
，
) 进行对称加密的密文，第
j
(
2
T
部分密文生成的校验码，用于检索
2
i
．
(
3
) 为保证相同的数据项每次加密的结果都
不相同，在加密时，在数据项的后面添加伪随机数
．
) 在检索时，不解密数据库中的密文，通过
翻译用户提交的明文检索语句与数据库密文中的
校验码进行比较，从而获得检索结果( 见图
4
(
)
3
．
图 1 数据库加密
Fig． 1 Database encryption
图 2 加密粒度
Fig． 2 Encryption at element level
图 3 密文数据库检索
Fig． 3 Query over encrypted database
第
6
期
张 璇等: 数据库密文检索技术的设计与实现
946
．
密
2． 2 方案实现 整套方案包括了数据库加密
、
文数据库检索和检索结果解密，其中加密算法以对
称密码算法中的
为
例
2． 2． 1 数据库加密
为例，
算法以
Hash
SHA
AES
AES
) 元加密算法 以
1
位( 也可以是
加密算法的明文分
位) 作为一个
组
分组，对于每一个分组执行以下步骤进行加密，在
这里我们成为元加密，对明文数据项的加密是通过
元加密算法来实现的
位或者
256
128
192
(
．
一样的时候，密文数据不一样，增加破解的难度) ，
得到一个
步骤
128
: 用密钥
加密，得到
位的分组
;
B
对
进行
B
AES
K1
) ;
4
5
B
(
C1 = AESK1
: 通过
步骤
(
) ;
L
步骤
加密，得到密文
步骤
: 用
K2
6
7
密文
SHA
AES
C2．
SHA
算法求得
L
的哈希值
K2 =
对步骤一中得到的密文
进行
C1
C1
: 最后得到密文数据项
C2 = AESK2
(
) ;
SC = R + C1 +
为
P
128
位的明文，
为密钥，
C
为
128
K1
算法流程图如图
所示
．
5
K1
(
进行
P
对明文
) ;
P
算法求得明文
加密，
AES
的哈希值
P
(
A
2． 2． 2 密文数据库检索 假设检索的条件为
= A
为用户设置的检索项) ，检索语句为
“select
(
) 的
，表示验证成功，得到检索
A．
，表示验证失败，不存在符合检索条
，下列过程验证
Flag = 1
= A”
，
j
C
T
(
)
i
i
(
)
．
假定:
位的密文
步骤
得到密文
步骤
K2 = SHA
步骤
到密文
: 用密钥
1
SHA
C1 = AESK1
: 通过
2
(
) ;
P
: 用
K2
加密步骤
(
) ;
中得到的密文
，得
C1
1
C2 = AESK2
C1
步骤
: 最后得到加密的结果是
位的密文
3
4
128
+ AESSHA
(
)
P
(
AESK1
(
)
P
所示
．
4
C = C1 + C2 = AESK1
(
) )
P
．
算法流程图如图
(
2
假定:
为密钥
步骤
，
j
(
i
．
1
1
组得到
N
位) ，即
128
个
(
T
128
，
j
i
K1
位为
不足
成;
) 对数据库明文分量的加密
，
j
) 为明文分量，
C
T
(
i
) 为密文分量，
: 计算明文分量
i
(
T
，
j
) 的长度，按
位分组，余下的数据为
位分组和
个
) 为
N
128
128
(
L
构
L
L
步骤
: 对于
2
个
N
法进行加密得到结果
位的分组，用元加密算
128
;
步骤
进行填充，增加一串
伪随机数( 增加的随机数能够保证当明文数据是
: 对余下的数据
3
L
R
．
i
(
1
A
…
Flag = 0
)
: 将
* from T where T
明文是否为
结果;
件的记录
步骤
［
，
A
N
: 将
步骤
2
C
［
］;
，
］，
…
M
C
: 设
步骤
: 如果
步骤
4
分，
［
［
］和
C1
s
s
运算得到其哈希值
C2
］( 包括不足
，
j
3
(
i
［
1
［
s
步骤
］，得到
步骤
5
: 用
K
［
］
CK
s
: 比较
= AESK
6
CK
，返回步骤
C1
AES
(
［
］和
s
，
Flag = 1
C2
4
等，
步骤
s + +
;
7
;
步骤
算法的流程图如图
: 返回
Flag
7
所示
6
划分为
个
位的分组
128
N
位的数据块) ;
［
A
1
］，
128
) 划分为
个
M
256
位的分组
C
;
int s = 1
，把
s ＜ = M
C
］用
［
］，将
s
A
(
K = SHA
作 为
2
［
］划分为
s
个部
算法进行哈希
;
SHA
［
］)
A
s
算 法 的 密 钥 加 密
］)
［
s
］是否相等，如果相
［
s
; 否则，
进入
C1
;
Flag = 0
图 4 元加密算法
Fig． 4 Basic encryption algorithm
056
云南大学学报( 自然科学版)
第
32
卷
2． 2． 3 检索结果解密
(
1
) 元解密算法 对于
部分
256
，
先将其分为前后
位，由元加密算法我们可知，
果，所以只需要用
到明文
位的密文分组
，每个部分为
是
解密算法将
128
加密的结
解密即可得
AES
AES
C1
C1
C1
C2
2
，
C
P．
) 对数据库密文分量的解密
(
: 计 算 密 文 数 据 项
(
2
步骤
) 的 长 度 为
，
j
i
C
;
Length
步骤
分组，
2
: 计算得到
;
M = Length /128
步骤
: 对前
进行解密，得到前
3
M － 1
M － 1
(
C
) 有
，
j
i
M
个完整的
位
256
个分组用元解密算法分别
个分组解密的结果
;
R1
1
4
5
步骤
: 对最后一个分组用元解密算法解密后
去除伪随机数的部分，得到明文
步骤
: 得到明文数据项
;
R2
R1 + R2．
2． 2． 4 基于密文数据库的其他操作 本文前面实
现的数据库加密以及密文数据库检索技术可以很
容易的扩展为其他数据库操作，包括数据库的插
更新和删除，并且所有操作都是基于密文数据
入
、
库的
．
数据插入: 用户在输入明文数据后，系统自动
将明文数据项进行加密，然后再插入数据库
数据更新: 分解为数据检索和数据插入
．
2
个步
骤
．
数据删除: 首先利用数据库检索技术检索出需
要删除的数据记录，然后再将其删除
．
3 方案实现
》
《
VBR
． VBR
课程的教学软件
本方案设计完成后，在
安全电子支付与电子
货币
虚拟网上银行系统中
进行了实现
虚拟网上银行系统是模拟真实
世界中的网上银行系统，系统中的敏感数据采用本
方案实现了加密保护，整个系统数据库中的敏感数
据以密文形式保存( 图
查询密码和交
、
易密码都是采用本文的方案加密保护的数据 )
使
用本文的数据库加密以及密文检索方法，
虚
拟网上银行系统中的敏感数据得到了保护，而且本
系统经过实际使用证明，系统的执行效率并不会因
为实施加密操作以及密文检索而降低，完全不影响
整个系统的运行
中的账号
VBR
7
．
．
图 5 加密明文分量
Fig． 5 Encrypt data element T
(
，
)
j
i
图 6 密文数据库检索
Fig． 6 Query over encrypted database
第
6
期
张 璇等: 数据库密文检索技术的设计与实现
156
图 7 加密保存的数据
Fig． 7 Encrypted data in database
4 结束语
．
总的来说，密文数据库的检索是一项复杂的工
作，高效
安全的密文数据库检索更是数据库安全
、
在本文中，我们为了切实提高系
技术研究的热点
统的可用性，保证数据库的安全性，精心研究并实
现了高效且安全的密文数据库检索技术
在今后的
工作中我们将进一步研究检索算法，以使之能适应
诸如模糊查询
复合条件查询等各种复
、
杂查询模式的密文数据库检索机制
多表查询
、
．
．
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ZHAO Dong-feng
，
Kunming 650091
，
China
)
:
Abstract
In this paper
，
the wavelet analysis was applied to multi － layer decomposition of image． Then
，
it
was linked to the right as a model parameter estimates of W with decomposition of the low － frequency coefficients
of the reconstructed image． It was estimated an optimal threshold value of the threshold θ． The final maximum cor-
relation criterion was used to determine network iteration times N． A successful automatic image segmentation was
obtained． Experimental results showed that the method automatically estimated model parameters based on PCNN
，
segmentation images retained a good profile and more details．
;
;
;
pulse coupled neural network
parameter estimation
wavelet analysis
maximum correlation cri-
image to avoid over － smoothing effect
:
Key words
terion
＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊
( 上接第
页)
651
Design and implementation of query over encrypted data
(
1． School of Software
ZHANG Xuan1，
，
Yunnan University
，
，
Shanghai 201620
Fudan University
PENG Peng2，
HUANG Qin-long3
，
，
China
Kunming 650091
，
;
China
2． School of Software
，
Beijing University of Posts and Telecommunications
;
3． School of Computer Science and Technology
，
Beijing 100876
，
China
)
:
Abstract
In this paper
，
we first study some methods for queries over encrypted data
，
and then we present
and implement a database encryption and query solution which is based on symmetric encryption and Hash tech-
nology． Our experiments demonstrate that our solution can guarantee the security of the database and at the same
time provide efficient query． In addition
，
we have implemented data insertion
，
updating and deletion based on our
query technology．
:
Key words
database encryption
;
query over encrypted data
;
symmetric encryption algorithm
;
Hash algorithm
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