CN107196926B - 一种云外包隐私集合比较方法与装置 - Google Patents

一种云外包隐私集合比较方法与装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种云外包隐私集合比较方法与装置，涉及通信技术领域。用以解决现有外包隐私集合比较协议存在安全性不能得到保障，实用性和可扩展性不高的问题。包括：第一服务器收到终端发送的随机数ri和第一密文，将第一密文转换为第二密文并和随机数ri发送至第二服务器；第一服务器收到第二服务器反馈的第二服务器随机数
Figure DSA0000144357510000011
和第三密文，将第三密文转换为第四密文并和第二服务器随机数
Figure DSA0000144357510000012
发送至终端；其中，第二服务器采用第二服务器密钥
Figure DSA0000144357510000014
获取终端集合的伪随机置换并计算其交集，第三密文包括终端集合的伪随机置换的交集和第二服务器密钥
Figure DSA0000144357510000013
的伪随机函数；第四密文包括终端集合伪随机置换的交集和终端密钥Ki的伪随机函数。

Description

一种云外包隐私集合比较方法与装置
技术领域
本发明涉及通信技术领域，更具体的涉及一种云外包隐私集合比较方法与装置。
背景技术
隐私集合比较是安全多方计算的重要研究内容，隐私集合比较的思想是参与方在计算输入集合的交集的同时，能够保护各自的隐私输入信息。隐私集合比较允许参与方在保护各自数据隐私的前提下，计算输入集合的交集，其在数据挖掘、国土安全、人类基因组研究、社交网络、隐私保护等方面有着重要和广泛的应用。虽然我们可以利用安全多方计算的通用方法来解决隐私集合比较的问题，但是这些方法计算效率低下。为了进一步提高计算效率，之前的许多工作集中于特定的隐私集合比较协议的设计和实现，并且已经提出了一系列的隐私集合比较协议。但这些协议中的大多数是单输出协议，即一方知道交集结果而另一方却不知道，因此，协议的公平性难以保证。
随着云计算和移动互联网迅猛发展，云外包计算成为企业和学术界研究热点。随着移动设备的普及，智能手机、PDA、平板电脑、移动社交网络正变得和我们的日常生活越来越密不可分。在移动社交网络中，用户通常利用资源受限的移动设备来访问他们的个人资料并进行相关的数据分析与计算。因此，计算能力弱的客户端可以将复杂的私人信息计算任务外包给计算能力强的服务器，而不是在本地设备上计算。云租户可以享受无限制的计算资源，云服务提供商则可以按需收费。目前云外包方案有两类：一类是针对通用计算功能的方案；另一类是针对特定的计算功能的方案。
通用的云外包计算存在以下问题：所有参与方都使用相同的密钥去加密他们的私有集合，致使安全性不能得到保障；保证云租户诚实遵守协议的方法采用承诺方案和零知识证明，需要租户进行多轮交互，实用性不高；云外包计算需要大量复杂、耗时的计算，且效率低下，不能很好的适应于计算能力薄弱的智能手机、平板电脑、PDA等设备，可扩展性不高。
发明内容
本发明实施例提供一种云外包隐私集合比较方法与装置，用以解决现有外包计算存在安全性不能得到保障，实用性和可扩展性不高的问题。
本发明实施例提供一种云外包隐私集合比较方法，包括：
第一服务器收到终端发送的随机数ri和第一密文，将所述第一密文转换为第二密文并和所述随机数ri发送至第二服务器；其中，所述第一密文包括终端集合的伪随机置换和终端密钥Ki的伪随机函数，所述第二密文包括所述终端集合的伪随机置换和第二服务器密钥
Figure BSA0000144357530000021
的伪随机函数；
所述第一服务器收到所述第二服务器反馈的第二服务器随机数
Figure BSA0000144357530000022
和第三密文，将所述第三密文转换为第四密文并和所述第二服务器随机数
Figure BSA0000144357530000023
发送至所述终端；其中，所述第二服务器采用第二服务器密钥
Figure BSA0000144357530000024
获取所述终端集合的伪随机置换并计算其交集，所述第三密文包括所述终端集合的伪随机置换的交集和所述第二服务器密钥
Figure BSA0000144357530000025
的伪随机函数；所述第四密文包括所述终端集合伪随机置换的交集和所述终端密钥Ki的伪随机函数。
本发明实施例还提供一种云外包隐私集合比较装置，其特征在于，包括：
第一加密单元，用于收到收到终端发送的随机数ri和第一密文，将所述第一密文转换为第二密文并和所述随机数ri发送至第二服务器；其中，所述第一密文包括终端集合的伪随机置换和终端密钥Ki的伪随机函数，所述第二密文包括所述终端集合的伪随机置换和第二服务器密钥
Figure BSA0000144357530000026
的伪随机函数；
第二加密单元，用于收到所述第二服务器反馈的第二服务器随机数
Figure BSA0000144357530000027
和第三密文，将所述第三密文转换为第四密文并和所述第二服务器随机数
Figure BSA0000144357530000031
发送至所述终端；其中，所述第二服务器采用第二服务器密钥
Figure BSA0000144357530000032
获取所述终端集合的伪随机置换并计算其交集，所述第三密文包括所述终端集合的伪随机置换的交集和所述第二服务器密钥
Figure BSA0000144357530000033
的伪随机函数；所述第四密文包括所述终端集合伪随机置换的交集和所述终端密钥Ki的伪随机函数。
本发明实施例中，提供了一种云外包隐私集合比较方法与装置，该方法提出了云外包隐私集合比较协议，该协议将隐私集合比较扩展到多密钥上，终端可以利用自己的密钥解密，同时，该方法中结合代理重加密技术，将终端加密的密文转换成云服务提供商可用其密钥解密的密文，从而使得终端的私有数据安全性得到了提高；进一步地，将大量复杂、耗时的计算外包给具有强大计算能力的云服务提供商来完成，计算能力薄弱的终端只需进行少量解密运算，终端之间无需复杂的交互和验证，从而提高了隐私集合比较的效率，具有很强的实用价值；而且，该方法无需公钥基础设施的支持，也不需要终端和服务器之间进行频繁的交互，实用性比较强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种云外包隐私集合比较方法流程示意图；
图2为本发明实施例提供的云外包隐私集合比较方案框架示意图；
图3为本发明实施例提供的一种云外包隐私集合比较装置结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例中涉及的专业内容：
1、密钥同态伪随机函数
定义：F：κ×χ→y表示一个安全的伪随机函数(PRF)，且
Figure BSA0000144357530000041
都是组。若给出F(k1，x)和F(k2，x)，存在一个高效的算法可以输出
Figure BSA0000144357530000042
则我们记
Figure BSA0000144357530000043
为密钥全同态。即有：
Figure BSA0000144357530000044
最近，Boneh et al.基于LWE问题，在标准模型中提出了第一个可证明的安全密钥同态PRFs。PRF使用两个公共矩阵
Figure BSA0000144357530000045
其中m可由安全参数得到，且密钥是矢量
Figure BSA0000144357530000046
其域为{0，1}l。在点x＝x1...xl∈|0，1|l，PRF如下：
Figure BSA0000144357530000047
函数满足FLWE(k1+k2，x)＝FLWE(k1，x)+FLWE(k2，x)+e，其中e∈[-1，1]m，且该函数可以成为对称密钥代理重加密方案的基础。
2、对称代理重加密
代理重加密允许用户将自己的解密权限给其他用户，这样代理就可以将Alice的密文转换成Bob的密文。自从Blaze等人首先提出重加密以来，许多基于非对称加密的代理重加密方案相继被提出。相反地，D.Boneh等人提出了一种对称密钥代理重加密方案。对称密钥代理重加密算法∏＝(Setup，KeyGen，ReKeyGen，Enc，ReEnc，Dec)如下：
Setup(1k)→pp：初始化阶段输入安全参数k，输出公共参数pp；
KeyGen(1k)→sk：密钥生成阶段输入安全参数k，输出一个密钥sk；
ReKeyGen(skA，skB)→rkA→B：密钥重构阶段使用密钥skA和skB计算出重加密密钥rkA→B；
Enc(sk，m)→C：加密阶段输入密钥sk和信息m，输出一个密文C；
ReEnc(rkA→B，CA)：重加密阶段输入重加密密钥rkA→B和CA，输出密文CB；
Dec(sk，C)：解密阶段输入密钥sk和密文C，输出信息m。
F：κ×χ→y表示一个密钥同态加密伪随机函数，使用密钥同态伪随机函数的对称代理重加密方案简要描述如下：
Setup(1k)输出公共参数pp；
KeyGen(1k)从密钥空间K输出一个密钥sk；
ReKeyGen(skA，skB)计算重加密密钥rkA→B＝skB-skA；
Enc(sk，m)选择一个随机数r←χ并输出(r，m+F(sk，r))；
ReEnc(rkA→B，(r，CA))计算(r，CA+F(rkA→B，r))；
Dec(sk，(r，C))输出信息m＝C-F(sk，r)。
图1示例性的示出了本发明实施例提供的一种云外包隐私集合比较方法流程示意图。
如图1所示，本发明实施例提供的一种云外包隐私集合比较方法包括以下步骤：
步骤101，第一服务器收到终端发送的随机数ri和第一密文，将所述第一密文转换为第二密文并和所述随机数ri发送至第二服务器；其中，所述第一密文包括终端集合的伪随机置换和终端密钥Ki的伪随机函数，所述第二密文包括所述终端集合的伪随机置换和第二服务器密钥
Figure BSA0000144357530000051
的伪随机函数；
步骤102，所述第一服务器收到所述第二服务器反馈的第二服务器随机数
Figure BSA0000144357530000052
和第三密文，将所述第三密文转换为第四密文并和所述第二服务器随机数
Figure BSA0000144357530000053
发送至所述终端；其中，所述第二服务器采用第二服务器密钥
Figure BSA0000144357530000054
获取所述终端集合的伪随机置换并计算其交集，所述第三密文包括所述终端集合的伪随机置换的交集和所述第二服务器密钥
Figure BSA0000144357530000055
的伪随机函数；所述第四密文包括所述终端集合伪随机置换的交集和所述终端密钥Ki的伪随机函数。
第一服务器收到终端发送的随机数ri和第一密文之后，将第一密文转换为第二密文，并发送随机数ri和第二密文至第二服务器。在本发明实施例中，第二密文包括终端发送的集合的伪随机置换和第二服务器密钥
Figure BSA0000144357530000061
的伪随机函数。
举例来说，多个用户Pi(1≤i≤n)用其密钥加密私有集合产生第一密文Ci(1≤i≤n)，然后，用户将随机数ri和第一密文Ci发送给第一服务器
Figure BSA0000144357530000062
第一服务器
Figure BSA0000144357530000063
利用算法
Figure BSA0000144357530000064
生成代理重加密密钥
Figure BSA0000144357530000065
并利用代理重加密算法将第一密文Ci转化为由第二服务器
Figure BSA0000144357530000066
密钥加密的第二密文
Figure BSA0000144357530000067
在步骤102中，第二服务器对收到的第二密文通过第二服务器密钥
Figure BSA0000144357530000068
进行解码，并根据第二密文中的文件，计算终端集合伪随机置换的交集，将第二服务器随机数
Figure BSA0000144357530000069
和第三密文反馈给第一服务器。
在实际应用中，由于第三密文中含有终端集合的伪随机置换的交集和第二服务器密钥
Figure BSA00001443575300000610
的伪随机函数，所以，当终端收到第一服务器反馈的第四密文之后，可以从第四密文中获取与发送文件相对的集合伪随机置换的交集。
举例来说，第二服务器
Figure BSA00001443575300000611
用
Figure BSA00001443575300000612
对第二密文
Figure BSA00001443575300000613
进行解密，然后，计算终端集合伪随机置换的交集，并把交集转化为第三密文
Figure BSA00001443575300000614
和第二服务器随机数
Figure BSA00001443575300000615
返回给第一服务器
Figure BSA00001443575300000616
Figure BSA00001443575300000617
利用算法
Figure BSA00001443575300000618
生成代理重加密密钥
Figure BSA00001443575300000619
并利用重加密算法将得到密文三
Figure BSA00001443575300000620
转化为由用户密钥加密的第四密文
Figure BSA00001443575300000621
然后发送
Figure BSA00001443575300000622
和
Figure BSA00001443575300000623
至用户，最后，用户用密钥进行解密，得到最终的交集信息。
为了清楚介绍本发明实施例提供的一种云外包隐私集合比较方法，以下结合图2，对本发明实施例提供的云外包隐私集合比较方法进行介绍：
图2为本发明实施例提供的云外包隐私集合比较方案框架图，如图2所示：
记F：κ×χ→y是单密钥同态伪随机函数(PRF)，P：{0，1}k×S→{0，1}{≥k}是一个伪随机置换函数(PRP)。参与方Pi有个集合
Figure BSA0000144357530000071
且Si是Pi的隐私集合，服务器
Figure BSA0000144357530000072
都没有输入。
云外包准备阶段：
步骤1001，一个服务的请求者要求响应者进行隐私集合比较(PSI)，响应者决定是否接受请求者的邀请。如果所有的响应者都接受请求者的邀请，则协议继续执行；否则，协议终止。
步骤1002，服务器
Figure BSA0000144357530000073
为了计算(PRP)选择一个随机数
Figure BSA0000144357530000074
一个k-bit随机串K，然后将其发送给Pi(1≤i≤n)。
密钥产生阶段：
参与方Pi从密钥空间κ中选择一个k-bit随机串Ki，计算
Figure BSA0000144357530000075
并且将其发送给服务器
Figure BSA0000144357530000076
服务器
Figure BSA0000144357530000077
选择一个k-bit随机串
Figure BSA0000144357530000078
计算
Figure BSA0000144357530000079
同时将其发送给服务器
Figure BSA00001443575300000710
服务器
Figure BSA00001443575300000711
恢复重加密密钥
Figure BSA00001443575300000712
和
Figure BSA00001443575300000713
隐私集合交集计算阶段：
步骤2001，参与方pi从样本空间χ中选择一个随机数ri，然后发送(ri，Ci＝PK(Si)+F(Ki，ri))给服务器
Figure BSA00001443575300000714
其中PK(Si)表示集合的伪随机置换，Ci表示密文。
步骤2002，服务器
Figure BSA00001443575300000715
发送
Figure BSA00001443575300000716
给服务器
Figure BSA00001443575300000717
将服务器
Figure BSA00001443575300000718
的密文转换成服务器
Figure BSA00001443575300000719
的密文。
步骤2003，服务器
Figure BSA00001443575300000720
用密钥
Figure BSA00001443575300000721
计算得到集合的伪随机置换PK(Si)，再计算
Figure BSA00001443575300000722
然后服务器
Figure BSA00001443575300000723
从样本χ空间中选择随机数
Figure BSA00001443575300000724
发送
Figure BSA00001443575300000725
给服务器
Figure BSA00001443575300000726
其中，Φ表示伪随机置换集合的交集，
Figure BSA00001443575300000727
表示集合伪随机置换的交集的密文。
隐私集合交集恢复阶段：
步骤3001，服务器
Figure BSA0000144357530000081
发送
Figure BSA0000144357530000082
给参与方Pi。
步骤3002，参与方Pi用其密钥解密并计算伪随机置换集合交集的逆
Figure BSA0000144357530000083
即所有参与方集合的交集。
基于同一发明构思，本发明实施例提供了一种云外包隐私集合比较装置，由于该装置解决技术问题的原理与一种云外包隐私集合比较方法相似，因此该装置的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。
如图3所示，该装置包括第一加密单元301和第二加密单元302。
第一加密单元301，用于收到收到终端发送的随机数ri和第一密文，将所述第一密文转换为第二密文并和所述随机数ri发送至第二服务器；其中，所述第一密文包括终端集合的伪随机置换和终端密钥Ki的伪随机函数，所述第二密文包括所述终端集合的伪随机置换和第二服务器密钥
Figure BSA0000144357530000084
的伪随机函数；
第二加密单元302，用于收到所述第二服务器反馈的第二服务器随机数
Figure BSA0000144357530000085
和第三密文，将所述第三密文转换为第四密文并和所述第二服务器随机数
Figure BSA0000144357530000086
发送至所述终端；其中，所述第二服务器采用第二服务器密钥
Figure BSA0000144357530000087
获取所述终端集合的伪随机置换并计算其交集，所述第三密文包括所述终端集合的伪随机置换的交集和所述第二服务器密钥的伪随机函数；所述第四密文包括所述终端集合伪随机置换的交集和所述终端密钥Ki的伪随机函数。
应当理解，以上一种云外包隐私集合比较装置包括的单元仅为根据该设备装置实现的功能进行的逻辑划分，实际应用中，可以进行上述单元的叠加或拆分。并且该实施例提供的一种云外包隐私集合比较装置所实现的功能与上述实施例提供的一种云外包隐私集合比较方法一一对应，对于该装置所实现的更为详细的处理流程，在上述方法实施例一中已做详细描述，此处不再详细描述。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (2)

1.一种云外包隐私集合比较方法，其特征在于，包括：
第一服务器收到终端发送的随机数ri和第一密文，利用代理重加密算法将所述第一密文转换为第二密文并和所述随机数ri发送至第二服务器；其中，所述第一密文包括终端集合的伪随机置换和终端密钥Ki的伪随机函数，所述第二密文包括所述终端集合的伪随机置换和第二服务器密钥
Figure FSB0000185795870000011
的伪随机函数；
所述第一服务器收到所述第二服务器反馈的第二服务器随机数
Figure FSB0000185795870000012
和第三密文，利用代理重加密算法将所述第三密文转换为第四密文并和所述第二服务器随机数
Figure FSB0000185795870000014
发送至所述终端；其中，所述第二服务器采用第二服务器密钥
Figure FSB0000185795870000013
获取所述终端集合的伪随机置换并计算其交集，所述第三密文包括所述终端集合的伪随机置换的交集和所述第二服务器密钥
Figure FSB0000185795870000015
的伪随机函数；所述第四密文包括所述终端集合伪随机置换的交集和所述终端密钥Ki的伪随机函数。
2.一种云外包隐私集合比较装置，其特征在于，包括：
第一加密单元，用于收到终端发送的随机数ri和第一密文，利用代理重加密算法将所述第一密文转换为第二密文并和所述随机数ri发送至第二服务器；其中，所述第一密文包括终端集合的伪随机置换和终端密钥Ki的伪随机函数，所述第二密文包括所述终端集合的伪随机置换和第二服务器密钥
Figure FSB0000185795870000016
的伪随机函数；
第二加密单元，用于收到所述第二服务器反馈的第二服务器随机数
Figure FSB0000185795870000017
和第三密文，利用代理重加密算法将所述第三密文转换为第四密文并和所述第二服务器随机数
Figure FSB0000185795870000019
发送至所述终端；其中，所述第二服务器采用第二服务器密钥
Figure FSB0000185795870000018
获取所述终端集合的伪随机置换并计算其交集，所述第三密文包括所述终端集合的伪随机置换的交集和所述第二服务器密钥
Figure FSB00001857958700000110
的伪随机函数；所述第四密文包括所述终端集合伪随机置换的交集和所述终端密钥Ki的伪随机函数。
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