1. برون‌سپاری پایگاه داده
چالش‌ها و راهکارهای امنیتی

2. پایگاه داده به عنوان خدمت
گسترش رایانش ابری
کاهش هزینه‌ها
افزایش دسترس‌پذیری
اشتراک‌گذاری
.... DB
Cloud
Server
کارگزار

3. امنیت برون‌سپاری افزودن ملاحظات امنیتی شفافیت از دید کاربر
افزودن پیشکار (proxy) به عنوان واسط
Server
کارگزار
Proxy
پیشکار
Cloud DB

5. چالش‌ها انواع مدل‌های کارگزار کاملا معتمد معتمد اما کنجکاو نا معتمد
وفاداری به روال کار و پروتکل تعیین شده
فقط نیاز به محرمانگی
نا معتمد
امکان تخطی از پروتکل
حذف بخشی از جواب
اعلام عدم وجود داده
...
نیاز به محرمانگی و جامعیت(+ کنترل دسترسی و...)
محرمانگی (confidentiality)
جامعیت داده (data integrity)
کنترل دسترسی (access control)
...
واگذاری به کارگزار
اعمال در سمت پیشکار
ترکیب با روال رمزگذاری
رمزگذاری ویژگی‌بنیاد
مدیریت کلید

6. محرمانگی
راهکارها و نقاط ضعف و قوت

7. سازوکار‌های تامین محرمانگی
رمزگذاری
پردازش پیش از رمزگشایی
توابع رمز خاص‌منظوره
فراداده
رمزگشایی و پردازش در محیط امن
در ابر
در محیط کاربر
چند پارگی (fragmentation)
عمودی
افقی
مقادیر
ترکیبی

8. رویکردهای تأمین محرمانگی
سازوکار‌های تامین محرمانگی
رمزگذاری
پردازش پیش از رمزگشایی
توابع رمز خاص‌منظوره
فراداده
رمزگشایی و پردازش در محیط امن
در ابر
در محیط کاربر
چند پارگی (fragmentation)
عمودی
افقی
مقادیر
ترکیبی

9. فراداده تعریف: داده‌ای برای توصیف ویژگی(های) داده(های) دیگر
شاخص (index): نوع خاصی فراداده
افزایش سرعت بازیابی (عدم نیاز به جستجوی پویشی)
افزایش هزینه درج و حذف
مراحل
ساخت شاخص (index) از روی داده آشکار
رمزگذاری داده‌های واقعی و قرار دادن در کارگزار
قرار دادن شاخص در کنار داده رمزشده در کارگزار

10. فراداده (ادامه) SELECT Name FROM t1 WHERE Salary > 60000 انواعId
Name
Salary 23
Tom
70000
860
Mary
60000
320
Tony
50000
875
Jerry
5600
انواع
مبتنی بر بازه‌گذاری (bucket-based)
مبتنی بر چکیده‌سازی (hash-based)
مبتنی بر درخت B+
...
Enc-tuple
IdS
NameS
SalaryS
010011… 4 28 10
110010… 2 5
001110… 8
100011… 7 1
SELECT Name FROM t1 WHERE SalaryS = 10 OR SalaryS = 3
SELECT Name FROM t1 WHERE Salary > 60000

11. فراداده (ادامه) SELECT Name FROM t1 WHERE Salary > 65000
نقاط ضعف:
نشت اطلاعات در مورد داده
شاخص‌گذاری امن (secure indexing)
امکان تولید سطر اضافی در جواب
نیاز به پالایش پس از رمزگشایی
محدودیت
فقط جستجو، نه محاسبات Id
Name
Salary 23
Tom
70000
860
Mary
60000
320
Tony
50000
875
Jerry
5600
Enc-tuple
IdS
NameS
SalaryS
010011… 4 28 10
110010… 2 5
001110… 8
100011… 7 1
SELECT Name FROM t1 WHERE SalaryS = 10 OR SalaryS = 3
SELECT Name FROM t1 WHERE Salary > 65000

12. رویکردهای تأمین محرمانگی
سازوکار‌های تامین محرمانگی
رمزگذاری
پردازش پیش از رمزگشایی
توابع رمز خاص‌منظوره
فراداده
رمزگشایی و پردازش در محیط امن
در ابر
در محیط کاربر
چند پارگی (fragmentation)
عمودی
افقی
مقادیر
ترکیبی

13. E(A  B) = E(A)  E(B) ? A = B A < B  E(A) < E(B)
رمزگذاری داده
رمزگذاری تمام همریخت (fully homomorphic)
سربار زیاد و عدم کارایی در عمل
رمزگذاری‌های خاص منظوره
قطعی
حافظ ترتیب
همریخت جزئی (partialhomomorphic)
عملیات رشته‌ای (searchable encryption و...)
رمزگذاری لایه‌ای (پیازی)
نیاز به مدیریت لایه‌ها بسته به نوع پرسمان
داده
رمز حافظ ترتیب
رمز قطعی
رمز تصادفی
E(A  B) = E(A)  E(B)
A = B ?
A < B  E(A) < E(B)
E(A  B) = E(A)  E(B)
A >=< B ?

14. SELECT * FROM table1 WHERE A+B>C
رمزگذاری داده A
(OPE)
A (HOM) B
(HOM) C
O(1)
H(1)
O(2)
H(2)
O(3)
H(3) A B C 1 2 3
محدودیت‌ها
کندی رمزهای خاص‌منظوره
تنوع عملگرهای تعریف شده در رمز همریخت
تبدیل انواع
اعداد صحیح و اعشاری
عملیات خاص منظوره
LIKE
اعمال مربوط به تاریخ
...
تبدیل یک ستون به چندین ستون
محدودتر شدن پرسمان‌های مورد پشتیبانی
ناگزیر به انجام پالایش اضافی پس از رمزگشایی
SELECT city FROM table1 WHERE city LIKE %r_%
SELECT * FROM table1 WHERE date BETWEEN 1/1/13 AND 2/2/14
SELECT * FROM table1 WHERE A+B>C

15. رمزگذاری داده راه حل‌ها
استفاده از رمزهای سریع در کنار رمزهای خاص منظوره
مشابه شاخص (index) ولی با امنیت (و دقت) بالاتر
تقسیم‌‌بندی عملیات و انجام حداکثر قسمتهای ممکن در سمت کارگزار A
(AES)
A (OPE)
A (HOM)
335ABE2…
O(1)
H(1)
A4B56E2…
O(2)
H(2) A
(OPE)
A (HOM) B
(HOM) C
O(1)
H(1)
O(2)
H(2)
O(3)
H(3) A B x C 1 2 4 3 6 A
(OPE) B x
(HOM) C
O(1)
H(2)
O(2)
H(4)
O(3)
H(6)
SELECT * FROM table1 WHERE A+B>C
SELECT A,B,C FROM
WHERE x>C
(SELECT A,B,A+B AS x ,C FROM table1)

16. رمز جستجوپذیر Song و همکاران
رمزگذاری متقارن
داده‌ها در قالب چند فایل متنی
رمزنگاری و بارگذاری در سمت کارگزار
جستجوی کلمات ثابت (full word)
درنظر گرفتن ملاحظات امنیتی
امنیت اثبات‌پذیر (provable secrecy)
انزوای پرسمان (query isolation)
جستجوی کنترل‌شده (controlled searching)
جستجوی پنهان (Hidden search)
query isolation : the untrusted server cannot learn anything more about the plaintext than the search result.
Controlled searching: the untrusted server cannot search for an arbitrary word without the user’s authorization.
hidden queries: the user may ask the untrusted server to search for a secret word without revealing the word to the server

17. رمز جستجوپذیر Song و همکاران (ادامه)
ایده اولیه
جستجوی کنترل‌شده
استخراج Ki از Wi و ارسال به کارگزار
جستجوی پنهان
روش نهایی
ki = fk’(E(wi))
ki = fk’(Li)
ki = fk’(wi)
query isolation : the untrusted server cannot learn anything more about the plaintext than the search result.
Controlled searching: the untrusted server cannot search for an arbitrary word without the user’s authorization.
hidden queries: the user may ask the untrusted server to search for a secret word without revealing the word to the server

19. ایده اولیه طرح جنتری برای رمز تمام همریخت
اهمیت ضرب و جمع
متقارن
انتخاب عدد اول بزرگ p به عنوان کلید محرمانه
انتخاب عدد تصادفی کوچک r
رمزگذاری بیت‌به‌بیت
𝐸 𝑏 =𝑝𝑞+2𝑟+𝑏 𝐷 𝑒 = 𝑒 𝑚𝑜𝑑 𝑝 𝑚𝑜𝑑 2
2𝑟+𝑏<𝑝
2*r+b (noise) p 2p 3p
-3p
-2p -p

20. ایده اولیه طرح جنتری برای رمز تمام همریخت (ادامه)
جمع و ضرب
افزایش نویز
Bootstrapping
پرهزینه و غیر عملی
c1+c2 = p(q1 + q2) + 2(r1+r2) + (b1+b2)
c1c2 = p(c2q1+c1q2-q1q2) + 2(r1r2+r1b2+r2b1) + b1b2
Enc(b) b
In reality we need Enc(Enc(b)) but we have considered it in the Decrypt circuit
Decrypt
Enc(Enc(b))
Enc(b)
Enc(Secret key)
Secret key

21. رمز‌های حافظ ترتیب
پنهان‌سازی توزیع
مسطح‌سازی و تبدیل
عدم وجود سطح امنیتی IND-CPA
تعریف مدل‌های جدید
indistinguishability under ordered CPA attack (IND-OCPA)
pseudo-random order preserving function under chosen ciphertext attack (POPF-CCA) …
(Order Revealing Encryption) ORE

22. رمز همریخت RSA ElGemal Paillier 𝑐≡ 𝑚 𝑒 𝑚𝑜𝑑 𝑛 𝑐 1 × 𝑐 2 =𝐸( 𝑚 1 × 𝑚 2 )
𝑐≡ 𝑚 𝑒 𝑚𝑜𝑑 𝑛
𝑐 1 × 𝑐 2 =𝐸( 𝑚 1 × 𝑚 2 )
ElGemal
Paillier
𝑐= 𝑔 𝑚 . 𝑟 𝑛 𝑚𝑜𝑑 𝑛 2
𝐷 𝐸 𝑚 1 , 𝑟 1 ×𝐸 𝑚 2 , 𝑟 2 𝑚𝑜𝑑 𝑛 2 =( 𝑚 1 + 𝑚 2 ) 𝑚𝑜𝑑 𝑛

23. رمز همریخت (ادامه) روش هاسیگموس Hacigumus k = (p,q) و n=pq
𝐸 𝑘 𝑎 = 𝑎 𝑚𝑜𝑑 𝑝, 𝑎 𝑚𝑜𝑑 𝑞
𝐷 𝑘 𝑐 1 , 𝑐 2 = 𝑐 1 𝑚𝑜𝑑 𝑝 𝑞 𝑞 −1 + 𝑐 2 𝑚𝑜𝑑 𝑞 𝑝 𝑝 −1 (𝑚𝑜𝑑 𝑛)
دارای قابلیت پشتیبانی از ضرب
ولی نه تمام همریخت!
نشت اطلاعات (جمع متوالی و ...)
تصادفی‌سازی
𝐸 𝑘 𝑎 = 𝑎 𝑚𝑜𝑑 𝑝 +𝑅 𝑥 .𝑝 , 𝑎 𝑚𝑜𝑑 𝑞 +𝑅 𝑥 .𝑞

25. رویکردهای تأمین محرمانگی
سازوکار‌های تامین محرمانگی
رمزگذاری
پردازش پیش از رمزگشایی
توابع رمز خاص‌منظوره
فراداده
رمزگشایی و پردازش در محیط امن
در ابر
در محیط کاربر
چند پارگی (fragmentation)
عمودی
افقی
مقادیر
ترکیبی

26. رمزگشایی و پردازش در محیط امن
در ابر
سخت‌افزارهای ضد دستکاری (Tamper-proof hardware)
سمت کاربر
مبتنی بر پیشکار (proxy) DB
Cloud
proxy

27. رویکردهای تأمین محرمانگی
سازوکار‌های تامین محرمانگی
رمزگذاری
پردازش پیش از رمزگشایی
توابع رمز خاص‌منظوره
فراداده
رمزگشایی و پردازش در محیط امن
در ابر
در محیط کاربر
چند پارگی (fragmentation)
عمودی
افقی
مقادیر
ترکیبی

28. چندپارگی داده (data fragmentation)
تقسیم داده بین کارگزاران مختلف
محرمانگی ارتباطات بین داده‌ها
عدم فاش شدن کل داده‌ها در صورت نشت از یک کارگزار
روش‌های تسهیم راز (secret sharing) id
name
city 5
Ali
Tehran 6
Naser
Shiraz id
name
city 2 Al
Teh 3
Nas
Shi 1
Ram
Tab
Jav
Ras
Ahm
Zab id
name 5
Ali 6
Naser 9
Ramin 1
Javad 2
Ahmad id
name
city 5
Ali
Tehran 6
Naser
Shiraz 9
Ramin
Tabriz 1
Javad
Rasht 2
Ahmad
Zabol
city
Tehran
Shiraz
Tabriz
Rasht
Zabol id
name
city 3 i
Ran er
Raz 8 in
Riz 1 ad Ht ol id
name
city 9
Ramin
Tabriz 1
Javad
Rasht 2
Ahmad
Zabol

29. جامعیت
اهداف، تکنیک‌ها و معیارها

30. نیازمندی‌های کلی صحت (اصالت) کامل بودن تازگی Query Response
Cloud
Query
Response DB
Verification object
Deterministic
Probabilistic

31. معیارهای ارزیابی هزينه ساخت اوليه ذخيره‌سازي كارگزار
هزينه محاسباتي اجراي پرس‌وجو
هزينه ارتباطات
هزينه درستي‌سنجي
هزينه بروزرساني

32. سازوکار‌های بررسی جامعیت داده ساختار احراز اصالت
درخت چکیده‌ساز مرکل
زنجیره امضا
افزونگی داده
رمزگذاری افزونگی
داده جعلی
سخت‌افزار ضددستکاری

33. سازوکار‌های بررسی جامعیت
داده ساختار احراز اصالت
درخت چکیده‌ساز مرکل
زنجیره امضا
افزونگی داده
رمزگذاری افزونگی
داده جعلی
سخت‌افزار ضددستکاری

34. درخت مرکل مرتب‌سازی بر اساس صفت جستجوپذیر
مرتب‌سازی بر اساس صفت جستجوپذیر
امضای ریشه درخت توسط مالک داده
ارسال داده‌های مورد نیاز برای ساخت ریشه (علاوه بر پاسخ برگشتی)
امکان بررسی صحت و کامل بودن
بررسی به‌هنگام بودن در شرایط خاص

35. سناریوی نمونه SELECT Name FROM Table WHERE C3 < Salary< C5 R N5Id
Name
Salary 1
Ali
$5000 2
Ramin
$3500 3
Saeed
$9000 … 8
Hamid
$4500 R N5 N6 N1 N2 N3 N4
R = H (N5 || N6)
N5 = H (N1 || N2)
N6 = H (N3 || N4)
N1 = H (H (T1) || H (T2))
N2 = H (H (T3) || H (T4))
N3 = H (H (T5) || H (T6))
N4 = H (H (T7) || H (T8))
H(T1)
H(T2)
H(T3)
H(T4)
H(T5)
H(T6)
H(T7)
H(T8) C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8
SELECT Name FROM Table WHERE C3 < Salary< C5

36. مزایا و معایب ساخت ساده شیء وارسی وارسی تازگی پاسخ شیء وارسی بزرگ
بهنگام‌سازی داده
وابستگی زمان وارسی به اندازه پایگاه داده

37. سازوکار‌های بررسی جامعیت
داده ساختار احراز اصالت
درخت چکیده‌ساز مرکل
زنجیره امضا
افزونگی داده
رمزگذاری افزونگی
داده جعلی
سخت‌افزار ضددستکاری

38. وارسی مبتنی بر امضا ارسال امضا به همراه پاسخ ریزدانگی انتخابی
Sign(H(Ali|5000))
Sign(H(Ramin|3500))
Sign(H(Hasan|9000))
Sign(H(Davood|6000))
Sign(H(-|-∞))
Sign(H(-|+∞))
ارسال امضا به همراه پاسخ
ریزدانگی انتخابی
ریزدانه: سربار محاسباتی
درشت‌دانه: سربار ارتباطی
امضا در سطح تاپل
Name
Salary
Ali
$5000
Ramin
$3500
Hasan
$9000
Davood
$6000
SELECT Name
FROM Employee
WHERE Salary > 7000
(Hasan,9000)

39. زنجیره‌سازی امضا به منظور افزودن قابلیت بررسی کامل بودن
یک زنجیره به ازای هر صفت قابل جستجو
وابستگی امضا به عناصر قبلی و/یا بعدی
Sign(R5) = h(h(R5)||h(R6)||h(R2)||h(R7))
امضای یکپارچه (Aggregated Signature) برای کاهش سربار ارتباطی و محاسباتی
Condensed RSA

40. مزایا و معایب تازگی کارایی در به‌روزرسانی
ساختار داده یکسان برای ابعاد مختلف

41. سازوکار‌های بررسی جامعیت
داده ساختار احراز اصالت
درخت چکیده‌ساز مرکل
زنجیره امضا
افزونگی داده
رمزگذاری افزونگی
داده جعلی
سخت‌افزار ضددستکاری

42. تکرار تاپل‌های رمزشده رمزگذاری بخشی از داده‌ها با دو کلید متفاوت
رمزگذاری بخشی از داده‌ها با دو کلید متفاوت
وارسی جامعیت از طریق بررسی میزان هم‌پوشانی
افزایش اطمینان از طریق افزایش همپوشانی
حمله تناظر

43. سازوکار‌های بررسی جامعیت
داده ساختار احراز اصالت
درخت چکیده‌ساز مرکل
زنجیره امضا
افزونگی داده
رمزگذاری افزونگی
داده جعلی
سخت‌افزار ضددستکاری

44. افزودن داده جعلی افزودن تاپل‌های جعلی به پایگاه داده
تمایزناپذیری تاپل‌های جعلی نسبت به تاپل‌های واقعی برای کارگزار
بررسی پاسخ برگشتی
تعداد تاپل‌های جعلی موجود
تعداد تاپل‌های جعلی مورد انتظار در پاسخ
بررسی کامل بودن پاسخ
موازنه بین سربار ذخیره‌سازی و پردازش با احتمال درستی پاسخ