本發(fā)明屬信息安全領(lǐng)域，涉及一種對用戶進行密鑰管理的方法及其在數(shù)據(jù)加密中的應(yīng)用。

背景技術(shù)：

在許多時候，不同的用戶有不同的加密解密權(quán)限，比如一個高級別用戶可以解密所有的加密文件，而低一級的用戶則只能解密一部分文件，這些用戶都有自己獨自負責(zé)的一部分文件可以解密，他們管理的文件范圍如同一棵樹，最高級別用戶可以看成是樹根，負責(zé)所有文件，級別越低，負責(zé)的文件越少。

舉一個例子，一個科的人每一個人都管理自己的文件，一個科長可以查閱該科所有人的文件，處長可以查閱所有下轄科的文件，以此類推，這種情況現(xiàn)實中經(jīng)常存在，但是沒有見到相關(guān)研究。

在數(shù)據(jù)量大的時候，密鑰量是比較大的，而且管理起來非常復(fù)雜。目前大數(shù)據(jù)越來越大。目前有許多密鑰管理方案，如果只是對密鑰進行加密存儲，則密鑰量比較大，管理起來復(fù)雜，而且對于這類提到的如同一棵樹一樣的加密密鑰的管理權(quán)限不能很好控制。為了能夠存儲較少的密鑰，而且對不同級別的用戶賦予不同的權(quán)限，我們利用單向函數(shù)來產(chǎn)生密鑰。

大數(shù)據(jù)往往屬于不同的用戶，需要用不同的密鑰加密，有不同的安全級別，有不同的訪問控制權(quán)限。本發(fā)明利用單向函數(shù)的單向性質(zhì)設(shè)計了一種可以滿足需要的密鑰生成管理方法，并且應(yīng)用于大數(shù)據(jù)的加密保護。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

對于單個用戶，他可能負責(zé)大量的文件(或者數(shù)據(jù)等)，采用相同的加密參數(shù)去加密大量的數(shù)據(jù)是不安全的，所以需要較多的密鑰。這些文件需要用不同的密鑰加密，本方法中這個用戶可以有一個初始密鑰，考慮到數(shù)據(jù)的加密需要用到大量的密鑰，大量密鑰的管理復(fù)雜，為了避免這些缺陷，這里采用單向的函數(shù)去產(chǎn)生密鑰，單向函數(shù)可以正向計算，但是反過來求逆則困難。比如hash函數(shù)就是這樣的函數(shù)。

加密的單元可以是一個文件，一個文件夾或者是文件的一部分，或者是某一段存儲位置的數(shù)據(jù)等，我們稱為塊，我們用唯一確定這個數(shù)據(jù)塊的信息A(比如位置、路徑、代號等)以及用戶初始密鑰K產(chǎn)生塊加密的對稱密鑰。單個分段(數(shù)據(jù)塊)的加密密鑰由數(shù)據(jù)塊信息A和初始密鑰K的不可逆函數(shù)M(F(K，A))產(chǎn)生，F(xiàn)為一個函數(shù)，簡單地，可以是將K和A合并，比如哈希函數(shù)，即HASH(F(K，A))值，截取加密數(shù)據(jù)塊所采用對稱加密算法的密鑰長度相應(yīng)的位數(shù)(注意，如果密鑰的長度大于hash函數(shù)的輸出長度，可以將以上信息分別輸入多個函數(shù)，HASH(F₁(K，A))，HASH(F₂(K，A)))，也可以是多個不同單向函數(shù)(如hash函數(shù))的值，作為所定位的數(shù)據(jù)塊的加密密鑰。當(dāng)然也可以把這個整體當(dāng)做一個單向函數(shù)。

理論上說，我們只需要存儲好初始密鑰就行了，不過有時候為了方便可選地也可以加密各個分段的加密密鑰?？梢圆捎枚嘀丶用埽瑑?yōu)選地可以用公鑰加密后的分段加密密鑰，并且將分段信息、分段是否加密、分段的加密密鑰對應(yīng)的數(shù)據(jù)塊的信息、加密算法信息、明文數(shù)據(jù)的編碼類型等等，存放在一起，比如用表格存儲起來，我們稱為加密信息表。

當(dāng)有多級用戶的時候，由最高級用戶的初始密鑰K_r結(jié)合次高級用戶的某一唯一信息B_i(可以是公開的，也可以是只有最高級用戶知道的，比如用戶名稱、姓名、代號、編號等，但是這個信息應(yīng)該是唯一，不重名的)產(chǎn)生次高級用戶的初始密鑰，計算方法為M(F(K_r，B_i))，M()為單向函數(shù)，截取合適長度的數(shù)據(jù)作為次高級用戶的初始密鑰；進一步由次高級用戶初始密鑰以相同的方式產(chǎn)生再低一級用戶的初始密鑰；直到產(chǎn)生最低級用戶的初始密鑰，然后由最低級用戶的初始密鑰產(chǎn)生數(shù)據(jù)塊的加密密鑰。

有時候密鑰可能存在泄漏，丟失的情形，如果是各級的初始密鑰丟失，由于密鑰的產(chǎn)生規(guī)則，需要更換所有的初始密鑰和由它們產(chǎn)生的塊密鑰，重新解密，再用新的密鑰加密，如果是單個塊密鑰泄漏，一般情況下，也需要更換初始密鑰，由于采用多個初始密鑰，加密信息表中應(yīng)該包含初始密鑰(可能是加密的)或者初始密鑰的信息。這會帶來較大的代價，因此，優(yōu)選地，我們提出兩種方案：A)泄漏的初始密鑰的用戶開始更換初始密鑰，產(chǎn)生下一級的用戶初始密鑰，(如果它是最低級的，則沒有下一級)，采用新的最低級的初始密鑰產(chǎn)生密鑰去加密泄漏密鑰的塊，并且更新加密信息表；B)在加密信息中，增加一個信息更改密鑰次數(shù)的信息，簡單地可以是Null(空)，1，2這樣的形式，或者f(0)，f(1)，f(2)，只有能夠唯一確定修改次數(shù)的信息就行，下一級用戶的初始密鑰Kr+1產(chǎn)生單向的函數(shù)為M(F(K_r，B，f(N)))，B為用戶的編號，數(shù)據(jù)塊的對稱加密密鑰采用M(F(K_r，A，f(N)))產(chǎn)生，A為文件的確定信息，在密鑰信息表中也必須同樣對應(yīng)更改密鑰次數(shù)的信息，或者由于更改密鑰的數(shù)據(jù)塊總是少數(shù)，將N和對應(yīng)的數(shù)據(jù)塊信息在其他地方存儲起來。表面上看，函數(shù)形式和前面的不一樣，增加了N相關(guān)的內(nèi)容，可以當(dāng)做是原單向函數(shù)的進一步限定。

如果某一級用戶的初始密鑰泄漏，從它的上一級用戶的初始密鑰產(chǎn)生新的密鑰，注意其中N在原來的基礎(chǔ)上加1，這樣可以保證密鑰是新的，而且由于單向性，互相之間不能相互推導(dǎo)，不會泄密。

在文件多或者數(shù)據(jù)大的情況下，這些文件的權(quán)限也往往復(fù)雜，可能是屬于上面提到的多級用戶的樹形的權(quán)限。則可以采用如下的加密方法：

1、確定好各級用戶的權(quán)限，根據(jù)上述的方法，首先最高級用戶產(chǎn)生一個初始密鑰，然后根據(jù)上述方法，逐級地產(chǎn)生多級用戶的初始密鑰。

2、根據(jù)需要對需要加密的大規(guī)模數(shù)據(jù)進行分塊(分段)，比如數(shù)據(jù)如果是以文件形式存儲的，可以以文件為單位當(dāng)做一塊，也可以是一個文件進行分段，也可以是一個文件夾當(dāng)做一塊。這里的文件也可以是Hadoop中的SequenceFile等文件形式，或者是xml文件中的一個特性的值。

3、根據(jù)設(shè)定的規(guī)則或者用戶的選擇，判定數(shù)據(jù)塊(段)是否需要進行加密，以及采用什么樣的方式進行加密。加密只針對于每一塊的值，比如某些文件格式中有分隔符，有長度的記錄，可以不進行加密。如果數(shù)據(jù)塊需要采用公鑰加密方法，則不需要用到產(chǎn)生的密鑰，只需要利用公鑰和私鑰加密解密即可，如果是對稱加密，則需要在下一步產(chǎn)生塊加密密鑰。

4、根據(jù)文件塊的位置信息(唯一確定這個分段的信息A)和最低級用戶的初始密鑰K_l產(chǎn)生數(shù)據(jù)塊的加密密鑰，我們用初始密鑰產(chǎn)生。單個分段(塊)的加密密鑰由唯一確定這個分段(數(shù)據(jù)塊)的信息A和初始密鑰K_l的不可逆函數(shù)M(F(K_l，A))產(chǎn)生，比如哈希函數(shù)，即HASH(F(K_l，A))值，F(xiàn)為一個函數(shù)(簡單地可以是將K、A兩個數(shù)據(jù)合并)，截取加密數(shù)據(jù)塊所采用對稱加密算法的密鑰長度相應(yīng)的位數(shù)。采用單向性的函數(shù)就可以避免通過塊的密鑰去逆向推導(dǎo)初始密鑰，其他塊的密鑰，安全性好而且方便。

5、根據(jù)選擇的方法對數(shù)據(jù)塊進行加密，得到的數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)是否加密，如果加密，則相應(yīng)的解密所需要的信息和參數(shù)都要存儲起來，比如采用什么方式進行加密，加密的密鑰和各種參數(shù)。比如，可以將這些信息存放在表中，這些信息包含有唯一確定這個分段的信息A(比如文件的路徑，xml文件中的一個特性)，密鑰K(這個密鑰可能是加密的)或者密鑰的存放信息B(比如，地址或者是在某個表格中的位置)，加密的算法和其他信息(比如分組長度，初始向量，加密模式等)。

在此基礎(chǔ)上，還可以增加更改密鑰次數(shù)的信息，密鑰丟失的時候可以直接更換新的密鑰，重新加密數(shù)據(jù)塊。

解密是一個相反的過程。

具體實施方式

以下對本發(fā)明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。

實施例1為本用戶密鑰管理方法的實施例，由于采用相同的加密參數(shù)去加密大量的數(shù)據(jù)是不安全的，所以需要較多的密鑰。這些文件需要用不同的密鑰加密，所以這個用戶有一個初始密鑰K，他對不同的文件的對稱加密密鑰是不同的，且不能相互推導(dǎo)，我們用唯一確定這個文件的路徑A以及初始密鑰K產(chǎn)生。采用一個哈希函數(shù)產(chǎn)生，取HASH(K‖A)值，‖表示合并，截取加密數(shù)據(jù)塊所采用對稱加密算法的密鑰長度相應(yīng)的位數(shù)作為所定位的文件的加密密鑰。當(dāng)然也可以把這個整體當(dāng)做一個單向函數(shù)。

實施例2為與實施例1相類似，是實施例1的拓展，最高級用戶的初始密鑰Kr結(jié)合次高級用戶的某一唯一編號Bi產(chǎn)生次高級用戶的初始密鑰，計算方法為將HASH(Kr‖Bi)的值截取合適長度的數(shù)據(jù)作為次高級用戶的初始密鑰；以此類推，進一步由次高級用戶初始密鑰以相同的方式產(chǎn)生再低一級用戶的初始密鑰；直到產(chǎn)生最低級用戶的初始密鑰，然后由最低級用戶的初始密鑰產(chǎn)生數(shù)據(jù)塊的加密密鑰。

實施例3為本加密方法實施例2的優(yōu)選實施例，與實施例2要求相同，有時候密鑰可能存在泄漏，丟失的情形，如果是各級的初始密鑰丟失，需要更換所有的初始密鑰和由它們產(chǎn)生的塊密鑰，重新解密，再用新的密鑰加密，如果是單個塊密鑰泄漏，一般情況下，也需要更換初始密鑰，由于采用多個初始密鑰，加密信息表中應(yīng)該包含初始密鑰(可能是加密的)或者初始密鑰的信息。因此，優(yōu)選地，在加密信息中，增加一個信息更改密鑰次數(shù)的信息N，簡單地可以是Null(空)，1，2這樣的形式，下一級的初始密鑰Kr+1產(chǎn)生單向的函數(shù)為HASH(Kr‖Bi‖N)，為了方便，假設(shè)函數(shù)的長度正好是密鑰的長度，這樣無需截取，在密鑰信息表中也必須同樣對應(yīng)更改密鑰次數(shù)的信息。如果某一級用戶的初始密鑰Kr+1泄漏，從它的上一級用戶的初始密鑰Kr產(chǎn)生新的密鑰HASH(Kr‖Bi‖N+1)，依次遞推產(chǎn)生HASH(Kr+1‖Bj‖N'+1)，…，最后產(chǎn)生數(shù)據(jù)塊的加密密鑰HASH(Kr+k‖As‖Nm+1)。以上產(chǎn)生的密鑰用于對稱加密，如果需要用公鑰和同態(tài)加密，則利用公鑰進行加密。

實施例4為方法本的加密應(yīng)用，一個單位的文件權(quán)限分配屬于上面提到的多級用戶的樹形的權(quán)限，采用如下的加密步驟：

1、確定好各級用戶的權(quán)限，最高級用戶可以獲得所有文件的加密密鑰，次高級的用戶可以獲得他管轄用戶的所有文件的沒有，根據(jù)上述的方法，首先最高級用戶產(chǎn)生一個初始密鑰Kr，然后根據(jù)上述方法，逐級地產(chǎn)生多級用戶的初始密鑰K_r+i。

2、以文件為單位當(dāng)做一個加密的單元。

3、根據(jù)設(shè)定的規(guī)則或者用戶的選擇，判定文件是否需要進行加密，以及采用什么樣的方式進行加密。對稱加密采用下一步的方法產(chǎn)生密鑰，非對稱加密利用相應(yīng)的密鑰加密。

4、根據(jù)文件的路徑A和最低級用戶的初始密鑰Kl產(chǎn)生文件的對稱加密密鑰，用HASH(F(Kl‖A))產(chǎn)生，截取加密數(shù)據(jù)塊所采用加密算法的密鑰長度相應(yīng)的位數(shù)作為密鑰。

5、根據(jù)選擇的方法對文件進行加密，得到的數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)是否加密，如果加密，則相應(yīng)的解密所需要的信息和參數(shù)都要存儲起來，比如采用什么方式進行加密，加密的密鑰和各種參數(shù)。比如，可以將這些信息存放在表中，這些信息包含有唯一確定這個文件的文件路徑，對應(yīng)的初始密鑰或者塊加密密鑰K(這個密鑰可能是加密的)或者密鑰的存放信息地址，加密的算法和其他信息(比如分組長度，初始向量，加密模式等)。

實施例5為本加密方法實施例4的改進，進一步增加了密鑰泄露后的密鑰更新方法，如果是各級的初始密鑰丟失，需要更換所有的初始密鑰和由它們產(chǎn)生的塊密鑰，重新解密，再用新的密鑰加密，在加密信息中，增加一個信息更改密鑰次數(shù)的信息N，簡單地可以是Null(空)，1，2這樣的形式，下一級的初始密鑰Kr+1產(chǎn)生單向的函數(shù)為HASH(K_r‖B_i‖N)，為了方便，假設(shè)函數(shù)的長度正好是密鑰的長度，這樣無需截取，在密鑰信息表中也必須同樣對應(yīng)更改密鑰次數(shù)的信息。如果某一級用戶的初始密鑰Kr+1泄漏，從它的上一級用戶的初始密鑰Kr產(chǎn)生新的密鑰HASH(K_r‖B_i‖N+1)，依次遞推產(chǎn)生HASH(K_r+1‖B_j‖N'+1)，…，最后產(chǎn)生數(shù)據(jù)塊的加密密鑰HASH(K_r+k‖A_s‖N_m+1)，A為文件的路徑。以上產(chǎn)生的密鑰用于對稱加密，如果需要用公鑰和同態(tài)加密，則利用公鑰進行加密。

篇幅所限，不能一一舉例，以上實施例的限定條件和優(yōu)選方法可以交叉組合，本專利是保護范圍不限于實施例，實施例中許多限定可以用發(fā)明內(nèi)容中的限定替換。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。