張一鳴，羅 冰

（1.中國人民解放軍信息工程大學(xué) 指揮軍官基礎(chǔ)教育學(xué)院，河南 鄭州 450001 2.河南師范大學(xué) 計算機(jī)與信息工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453007）

屬性加密在電子書包系統(tǒng)中的應(yīng)用

張一鳴1，羅 冰2

（1.中國人民解放軍信息工程大學(xué) 指揮軍官基礎(chǔ)教育學(xué)院，河南 鄭州 450001 2.河南師范大學(xué) 計算機(jī)與信息工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453007）

電子書包意即利用信息化設(shè)備進(jìn)行教育教學(xué)的便攜式終端。目前，在一些大城市的中小學(xué)已率先使用。隨著教育教學(xué)改革的不斷發(fā)展，電子書包已是大勢所趨，不可逆轉(zhuǎn)。電子書包是一款致力于提高中國教育信息化、提高家庭和學(xué)校配合效率的產(chǎn)品，產(chǎn)品將主要針對小學(xué)教育。其中主要包含了家校溝通功能，提供更加豐富的教育信息化功能等。然而學(xué)校的數(shù)字化教育資源、學(xué)生的成長史等隱私信息并不希望被泄漏。文章通過屬性加密的方法，對電子書包使用者的私鑰設(shè)置屬性集，為數(shù)據(jù)密文設(shè)置訪問結(jié)構(gòu)，由屬性集和訪問結(jié)構(gòu)之間的匹配關(guān)系確定電子書包使用者的訪問能力，從而讓其真正成為孩子們學(xué)習(xí)和生活的信息助手，一個真正的安全可靠的“數(shù)字化書包”。

電子書包；隱私；屬性加密；屬性集

1 屬性加密應(yīng)用于教學(xué)概述

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們獲取知識和信息的手段也發(fā)生了翻天覆地的變化。近些年來借助于移動終端設(shè)備的移動學(xué)習(xí)模式越來越多被人們采用。然而隨之而來的教學(xué)改革不是單純的學(xué)校改革，教學(xué)改革的基礎(chǔ)是建立在課堂上，電子書包教學(xué)的出現(xiàn)將會大力沖擊傳統(tǒng)的課堂教學(xué)，慢慢改變當(dāng)前模仿、負(fù)責(zé)的教學(xué)方式，那么新的電子書包教學(xué)方式是否擁有革命的能力呢?答案是必然的。教學(xué)改革的最終目標(biāo)是為了讓學(xué)生可以擁有更強(qiáng)的自主學(xué)習(xí)意識，從被動接受教師傳授的知識到自動向教師探究知識。電子書包通過在線的方式可以提高學(xué)生的自主探究能力，與傳統(tǒng)的被動學(xué)習(xí)相比，電子書包的教學(xué)沖擊是非常之大的[1]。由于電子書包接入網(wǎng)絡(luò)的緣故，電子書包將不僅對革傳統(tǒng)教學(xué)的命運(yùn)，對網(wǎng)絡(luò)教育的發(fā)展也會起到一定的推動作用，對于當(dāng)下一些不努力跟上網(wǎng)絡(luò)教育發(fā)展潮流的公司或者產(chǎn)品將會造成毀滅式的打擊。電子書包要真正大面積推廣和普及，尚有很長的路要走，相對而言，電子書包的硬件目前可能最成熟，因?yàn)橐延姓粕想娔X、智能手機(jī)、手持電子閱讀器等產(chǎn)品作為基礎(chǔ)，電子書包所需要的各種技術(shù)已基本具備和成熟[2]。但電子書包是基于網(wǎng)絡(luò)的雙向和多向交互的，因此這中間存在著隱私安全的問題比如：成長史，家庭情況，以及一些教育資源不愿意免費(fèi)的資源等一系列的安全問題。

本文以密碼學(xué)課程中屬性加密內(nèi)容為例，將其應(yīng)用于電子書包的安全隱私保護(hù)中，并根據(jù)使用電子書包的特點(diǎn)，將屬性加密應(yīng)用于電子書包中，以保證教學(xué)資源和學(xué)生個人隱私信息的安全性。

2 電子書包發(fā)展的現(xiàn)狀分析

電子書包萌芽于新加坡，1999年，新加坡政府將德明中學(xué)作為試點(diǎn)，首次試行了163個電子書包。美國韓國日本等國家緊隨其后，也開始紛紛進(jìn)行電子書包項(xiàng)目的研究。但早期研究大都停留在對硬件核心技術(shù)的研發(fā)和試行階段，因此其實(shí)質(zhì)是便攜式的電子閱讀產(chǎn)品[3]。2009年后，數(shù)字化教育蓬勃發(fā)展，一些國家為普及信息技術(shù)教育，開始重視并加大力度投資電子書包，電子書包產(chǎn)業(yè)鏈也開始不斷被完善。截至目前，電子書包在一步步邁向成熟。

而在國內(nèi)，電子書包也在由萌芽邁向發(fā)展。2000年國家首次推出“校校通”，這也打開了電子書包時代的大門，電子書包開啟了第一輪的發(fā)展。由于當(dāng)時技術(shù)的限制，電子書包的表現(xiàn)形式主要為PDA、手持電子閱讀器、個人電腦等形態(tài)。隨著云計算、物聯(lián)網(wǎng)、多媒體等核心的信息技術(shù)的發(fā)展，電子書包經(jīng)歷了新一代的發(fā)展。比如：2001年北京伯通科技有限公司研發(fā)的“綠色電子書包”，包括了小學(xué)至初中的所有教科書內(nèi)容。2009年4月漢王與英特爾聯(lián)手推出了電子書包，并將陜西師范大學(xué)附屬小學(xué)作為試點(diǎn)[4]。實(shí)踐表明，在云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的支持下，電子書包具有大好的發(fā)展前景，其將作為新興力量，繼續(xù)推動教育教學(xué)的發(fā)展[5]。

3 主要概念介紹

3.1 電子書包

對于電子書包的定義目前還沒有完全絕對權(quán)威的說明。目前主流定義電子書包是指在校內(nèi)外使用的、可容納圖片、視頻、音樂、文本文件和其他電子材料的個人數(shù)字知識庫或者移動終端[6]。查閱大量文獻(xiàn)歸納總結(jié)后，筆者認(rèn)為，電子書包擺脫了學(xué)生重負(fù)荷的學(xué)習(xí)環(huán)境，以移動設(shè)備，物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，以學(xué)生為主體，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的便攜式數(shù)字化移動終端。

電子書包的核心思想是：自主性、個性化、隨時性、互動性。電子書包將以往的“灌輸式，被動式”學(xué)習(xí)模式，轉(zhuǎn)換成“自主式，個性化”的教育理念。電子書包不僅強(qiáng)調(diào)老師和學(xué)生的互動，同時注重家長和學(xué)校的聯(lián)系結(jié)合，學(xué)生家長將聯(lián)手為學(xué)生創(chuàng)造最佳學(xué)習(xí)環(huán)境。隨時性則指，電子書包作為移動終端，使學(xué)生學(xué)習(xí)的范疇不僅局限于學(xué)校和家中，為學(xué)生創(chuàng)造更大的學(xué)習(xí)空間[7]。

但就目前來講，人們對電子書包的安全性仍存在質(zhì)疑，比如，電子書包數(shù)據(jù)源是否會受到不良信息的侵犯。學(xué)生的個人信息是否會被不良分子利用，學(xué)校的隱私數(shù)據(jù)能否得到良好的保護(hù)等。因此針對這些安全隱患，本文提出屬性加密與電子書包相結(jié)合理念。只有滿足屬性的群體可解密數(shù)據(jù)共享資源。

3.2 CP-ABE算法

CP-ABE方案主要由Bethencourt等人提出，在CP-ABE方案中，密文和訪問結(jié)構(gòu)樹關(guān)聯(lián)，用戶私鑰和屬性集合關(guān)聯(lián)。用戶的屬性集合和密文中的訪問結(jié)構(gòu)樹相互匹配時，用戶就可以訪問加密的密文。解密者可以根據(jù)需要設(shè)置訪問結(jié)構(gòu)樹的條件。因?yàn)樵L問結(jié)構(gòu)樹包含于密文中，由此可以得知密文的解密策略，該方式還可避免密鑰頻繁的分發(fā)。此外，CP-ABE方案還比較適用于“大屬性域”的方案，且適合于屬性數(shù)量不受控制的系統(tǒng)[8]。鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，將CP-ABE應(yīng)用于電子書包的分布式環(huán)境中。其原理如圖1所示，資源發(fā)布者根據(jù)需要設(shè)置訪問結(jié)構(gòu)樹，用戶如果需要訪問加密的資源，則用戶的身份屬性必須和資源發(fā)布者所設(shè)置的訪問結(jié)構(gòu)樹相匹配才可以訪問。如圖1所示：Bob要訪問加密的資源，Bob所具有的屬性是學(xué)生和姓名。對比訪問結(jié)構(gòu)樹中，學(xué)生和家長或關(guān)系，學(xué)號和姓名或關(guān)系，而樹的頂端是且的關(guān)系，不難看出，Bob可以訪問加密的資源。同理，訪問者A lice的屬性也滿足發(fā)布者預(yù)先設(shè)置的訪問結(jié)構(gòu)樹，因此A lice也可以訪問受保護(hù)的資源。

圖1 電子書包加密原理

4 屬性加密在電子書包中的應(yīng)用構(gòu)想

隨著移動設(shè)備的迅速普及，電子書包對人們的學(xué)習(xí)方式有著重要轉(zhuǎn)變。電子書包具有方便，不受地域時間的限制等優(yōu)點(diǎn)，已成為潮流不可逆轉(zhuǎn)。然而，學(xué)校的教育資源，學(xué)生的個人學(xué)習(xí)隱私等信息并不希望無關(guān)人員了解到，也不希望被泄露。因此構(gòu)想一種基于屬性加密的電子書包學(xué)習(xí)模型很有必要。此模型中，對每個學(xué)生的私鑰設(shè)置屬性集合，為學(xué)校的教學(xué)資源數(shù)據(jù)密文設(shè)置訪問結(jié)構(gòu)。每個學(xué)生或家長的權(quán)限代表一個屬性，借助權(quán)威機(jī)構(gòu)對訪問者的權(quán)限屬性進(jìn)行認(rèn)證，認(rèn)證通過就為學(xué)習(xí)者頒發(fā)對應(yīng)的密鑰，本模型中的學(xué)校的學(xué)習(xí)資源全部以加密形式存儲在服務(wù)器中，學(xué)校的教學(xué)資源的發(fā)布者可以根據(jù)實(shí)際需要來靈活制定訪問策略。加密后，本模型下的任何學(xué)生或家長都能夠公開訪問所需要的學(xué)校的教育資源，僅當(dāng)學(xué)生或家長具有的屬性滿足學(xué)校學(xué)習(xí)資源發(fā)布者所制定的訪問策略時，才可以解密該學(xué)校的教育資源中的內(nèi)容。其具體的方案設(shè)想如圖2所示。在電子書包系統(tǒng)中，資源的發(fā)布者比如學(xué)校或者老師等可以根據(jù)需要對自己上傳到電子書包系統(tǒng)服務(wù)器端的資源通過設(shè)置合適的訪問結(jié)構(gòu)進(jìn)行加密。訪問者如家長和學(xué)生等通過電子書包學(xué)習(xí)終端如平板、電腦、PDA等對加密后的資源進(jìn)行訪問，僅當(dāng)學(xué)生和家長等的屬性集合和西園發(fā)布者所設(shè)置的訪問結(jié)構(gòu)樹能夠匹配時，才能成功訪問受保護(hù)的資源。例如圖Lice為學(xué)習(xí)者，他所具備的屬性集合滿足電子書包系統(tǒng)中資源加密時所設(shè)置的訪問結(jié)構(gòu)，因此他可以成功訪問需要的學(xué)習(xí)資源。同理，所有屬性滿足系統(tǒng)中預(yù)設(shè)訪問結(jié)構(gòu)樹的用戶均可以成功訪問教育教學(xué)資源。本方案不但保護(hù)了用戶個人信息的安全，而且還保證了教育資源不被無限制地剽竊和非法傳播。

圖2 電子書包加密系統(tǒng)

利用屬性的加密體系，系統(tǒng)中的用戶的認(rèn)證以及訪問權(quán)限不再用單一的身份或者證書進(jìn)行刻畫，每個用戶擁有一個屬性集合以及屬性集對應(yīng)的密鑰集。加密或者解密的過程與一個訪問控制結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)，我們可以通過對此結(jié)構(gòu)的定義規(guī)定解密者應(yīng)具有的屬性結(jié)構(gòu)[9]。本文電子書包系統(tǒng)主要由4個算法組成。

（1）Setup(k，I):輸入安全系數(shù)k和屬性集合I，輸出主私鑰MSK和公共參數(shù)P。

（2））Keygen(MSK，X)：輸入MSK和任意權(quán)限X，輸出密鑰SKX。

（3）Enc(P，Y，m)輸入P，密文索引Y和將加密的資源m，輸出密文CTY。

（4）Dec(P，SKX，CTY)：輸入P，SKX和CTY，輸出解密的結(jié)果m'。

5 結(jié)語

本文結(jié)合屬性加密的機(jī)制，并將其應(yīng)用于電子書包方案之中。我們將學(xué)生的身份信息設(shè)置成一個屬性集合來表示，教育資源的發(fā)布者如學(xué)校和老師對自己上傳到電子書包系統(tǒng)中的學(xué)習(xí)資源訪問結(jié)構(gòu)進(jìn)行加密，只有學(xué)生或家長等訪問者的屬性集合滿足資源發(fā)布者設(shè)定的訪問結(jié)構(gòu)時，才可以獲得該加密的學(xué)習(xí)資源，從而保證學(xué)習(xí)資源和學(xué)習(xí)者的隱私信息。關(guān)于屬性加密更多的概念和應(yīng)用理解讀者可參閱文獻(xiàn)[10-12]。密碼學(xué)是一門充滿樂趣的學(xué)科，然而其在實(shí)際生活中的應(yīng)用還有待人們進(jìn)一步的探索。期待密碼學(xué)能給人們的生活帶來更加豐富的體驗(yàn)。

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Application of attribute-based encryption in E-Book package

Zhang Yim ing1, Luo Bing2
（（1.College Commanding Officer of Basic Education, the PLA Ιnformation Engineering University, Zhengzhou 450000, China; 2.Computer and Ιnformation Engineering School of Henan Normal University, Xinxiang 453007, China）

Electronic schoolbag is a portable term inal to apply the information technology equipment in education and teaching. Currently, it has fi rst to be applied in some primary schools of some big cities. W ith the development of educational reform, electronic schoolbag has been the general trend which is irreversible. Electronic schoolbag is a product that comm its to improve Chinese education information and raise the communication efficiency between school and fam ilies, which w ill be focused on primary education mainly including the fam ily-school communication capabilities, providing more education information technology functions and so on. However, schools’ digital resources, students’ grow th history and other private information are not hoped to be disposed. Through the attributebased encryption, the paper sets up attribute set for the electronic schoolbag users and the access structure for the data ciphertext. And the user's access ability of electronic schoolbag can be determ ined by the matching relationship between attribute set and access structure, which can really be the information assistants in child’s learning and life and make it become a truly safe and reliable digital bag.

electronic schoolbag; privacy; attribute-based encryption; attribute set

張一鳴（1995— ），男，河南新鄉(xiāng)。