图像可搜索加密新方案：TEE技术解析
一.引言在前文[1]中，我们已经介绍了图像可搜索加密的经典系统模型，并从效率主导与精度主导两个角度分析了现有的研究方案。虽然这些方案在实用性方面已经取得了进步，但它们在精度、效率和安全性上仍存在权衡。此外，加密算法的设计与实现门槛高也是一大挑战。近年来，可信执行环境技术（TEE）的发展为解决这一问题提供了新的思路。本文将介绍一种基于可信硬件的新型图像可搜索加密方案。二.基于TEE的图像可搜索方案图像可搜索加密的核心目的是在提供图像检索服务的同时，确保服务提供方无法访问图像内容。传统方案依赖于功能加密技
一. 引言
在前文[1]中，我们已经介绍了图像可搜索加密的经典系统模型，并从效率主导与精度主导两个角度分析了现有的研究方案。虽然这些方案在实用性方面已经取得了进步，但它们在精度、效率和安全性上仍存在权衡。此外，加密算法的设计与实现门槛高也是一大挑战。近年来，可信执行环境技术（TEE）的发展为解决这一问题提供了新的思路。本文将介绍一种基于可信硬件的新型图像可搜索加密方案。
二. 基于TEE的图像可搜索方案
图像可搜索加密的核心目的是在提供图像检索服务的同时，确保服务提供方无法访问图像内容。传统方案依赖于功能加密技术，使得密文既不能被恢复为明文，又能用于距离度量；这是一种基于加密算法的跨域控制方法。
考虑另一种思路：如果能够在一个完全隔离的可信环境中执行用户的图像检索请求，且该环境不受其他任何进程的观察和干扰，同时保证其程序行为是确定的和可验证的，那么即使云服务提供商控制着硬件资源，也无法窥探用户的图像数据和检索过程。这样，图像检索任务就能安全执行，用户隐私也得到了保护。
具体而言，基于TEE的方案，其最简模型如图1所示，可分为准备阶段、上传阶段和检索阶段。
准备阶段：云服务提供商基于可信硬件部署图像可搜索加密服务：在普通环境中部署服务平台，如前后端等；通过适当配置，确保机密环境中可以调度实际的图像检索算法。机密环境中包含一个私钥，该私钥对应的公钥是公开的，而云服务提供商自身无法知晓。上传阶段：图像拥有者将图像加密（通常还需要结合对称加密），然后将加密后的图像传输到云服务器。云服务器存储相关密文图像库。检索阶段：与图像拥有者类似，用户将密文图像和加密后的对称密钥上传到云服务器。云服务器通过机密环境提供的系统调用等，将密文图像库和密文查询调度到机密环境中。机密环境在接收到密文图像库或查询时，会首先使用其内含的私钥进行解密，然后执行实际的特征提取与距离度量计算，并将计算出的相似图像加密后送出机密环境。
图1：基于TEE的图像可搜索加密方案
在整个过程中，敏感的图像数据始终是加密的，云服务提供商无法获知其内容。同时，敏感的图像检索计算也始终在可信环境中进行，云服务提供商无法窥探或篡改计算过程及结果。可信硬件作为计算的基础设施，很好地满足了图像可搜索加密在实践中的需求。
基于可信硬件的方案由于其实现原理，在性能上具有显著的优势：①文献[2]指出，部分机密环境中计算开销相比于普通环境仅增加10%；②图像拥有者与用户无需运行较复杂的功能加密算法，只需要传统的对称与非对称加密即可完成图像的处理，加密速度更快；③可直接复用明文领域中最先进的图像检索算法，精度更高，编码成本更低。
三. 不止图像，也不止检索
不难发现，上述过程的安全性依赖于机密环境的隔离性，而与图像检索算法无关。换句话说，如果将图像检索替换为其他实际业务，上述过程仍然具备安全可用性。在现实世界中，需要提供安全服务的场景广泛存在，因为许多业务所需的输入数据和库数据是敏感的，如医疗服务获取的患者病例、金融机构持有的用户资产等。TEE作为一种通用的隐私保护技术，能够适用于这些场景，让数据所有者放心地让数据运营者进行数据驱动的业务创新。
当然，上一节中事实上屏蔽了许多重要的细节，如需扩展到更一般的场景，至少还需要解决以下问题：
1. 数据的安全存储。实际业务数据可能以结构化数据库、非结构化文件、流数据等多种形态存在，仅依赖于机密环境内置私钥以保障普通环境中数据的安全并不可行。
2. 密钥的安全管理。机密环境的可信启动、安全调用、预埋或动态增加私钥都依赖于完整的密钥管理能力，必须通过各类密码学技术保障和论证每一个过程的安全性。
3. 支持分布式调度。真实业务中工作负载通常无法在单台设备上完成，必须能够形成机密环境集群，保障业务的安全负载均衡调度。
对于非安全主营业务的企业来说，全面掌握TEE等前沿的隐私保护技术并非易事，由于上述方案直接依赖于硬件，且与工作负载本身耦合，通常无法以云安全资源池的方式动态添加。是否有成熟简单的集成方案呢？有兴趣的读者不妨关注了解绿盟科技数据保险箱产品[3]。
四. 总结
本文介绍了一种基于可信硬件的新型图像可搜索加密方案。与传统的专用加密算法相比，该方案具有实现简单、性能更优的优点，且可以有效屏蔽密码学细节，降低了应用开发者的使用门槛。
从系统设计的角度来看，传统的专用加密算法类似于一种应用层协议，而基于硬件的可信执行环境则为隐私保护提供了更底层的通用机制。根据计算机领域的一般规律，越底层的方案，其性能越好，复用性也越高。可信硬件技术通过硬件和操作系统直接屏蔽了安全实现细节，有望成为新时代隐私保护的一把利器。
展望未来，随着数字化进程的不断深入与数据要素理念的深入人心，对高效、通用的隐私保护技术的需求将持续增长。TEE作为一种极具潜力的底层安全机制，必将在各行各业的数字化转型和业务创新中扮演越来越重要的角色，是当前最值得关注和应用的安全技术之一。
参考文献
[1]: https://mp.weixin.qq.com/s/ICwRV6fjPqdlLboCzJM\_pg
[2]: https://arch.cs.ucdavis.edu/assets/papers/ipdps21-hpc-tee-performance.pdf
[3]: https://www.nsfocus.com.cn/html/2023/208\_0824/177.html
内容编辑：创新研究院 顾奇 责任编辑：创新研究院 陈佛忠
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