CN107483211B - 一种基于区块链的个性化k-匿名隐私保护激励方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于区块链的个性化k‑匿名隐私保护激励方法。在用户端的隐私级别相同时，买者用户端和卖者用户端根据智能合约中的筛选条件进行拍卖博弈，选出获胜的买者用户端和卖者用户端，形成匿名组，匿名组内的用户端一同向服务器端上传自己的位置和查询请求，实现k‑匿名过程。在用户端的隐私级别不同时，将买者按其所需的隐私级别等级递增的顺序分为多组，由买者用户端个数为n＞k+1的买者组中筛选出的买者形成匿名组，其余组中卖者与买者形成k‑匿名组。本发明能够满足不同用户的隐私级别需求，完成不同隐私级别的k‑匿名隐私保护，应用去中心化的智能合约，避免了可信第三方存在的安全隐患。

Description

一种基于区块链的个性化k-匿名隐私保护激励方法

技术领域

本发明涉及LBS隐私保护领域，具体为针对用户所需隐私级别相同或不同两种情形，分别提出了基于区块链的个性化k-匿名隐私保护激励方法。

背景技术

目前，基于位置的服务(Location Based Service,LBS)已经广泛融入大众的日常生活中。LBS位置服务模型包含两个实体：移动设备和LBS服务器。当用户使用移动设备打开LBS App时，比如谷歌地图、滴滴打车等，用户会上传当前的位置和请求<L,R>给服务器，服务器根据用户的位置信息和查询请求，为用户提供相应的查询服务,比如寻找最近的加油站。但在服务过程中，服务器可以获取用户的位置或轨迹，用户位置隐私易泄露。

在LBS服务中，针对用户的隐私泄露问题已经提出了一些解决方案，其中，k-匿名技术得到了广泛的认可。k-匿名技术主要分为集中式k-匿名方案和分布式k-匿名方案，本文主要涉及分布式k-匿名方案，即服务请求者与附近k-1个真实用户交互共同形成匿名组，匿名组内k个用户同时上传自己的位置信息和查询请求向服务提供商请求服务，服务提供商将相应的查询服务返回至匿名组。

Xu和Cai等人(Xu T,Cai Y.Location anonymity in continuous location-based services.In:ACM International Symposium on Geographic InformationSystems,Acm-Gis 2007,November 7-9,2007,Seattle,Washington,Usa,Proceedings.DBLP,2007:39.)将k-匿名引入到连续的LBS服务中；Zhong等人(Zhong G,Hengartner U.A distributed k-anonymity protocol for location privacy.In:IEEEInternational Conference on Pervasive Computing and Communications.IEEEXplore,2009:1-10.)提出一种分布式算法，假设有多个服务器，但每位用户的位置仅有一个服务器知晓，通过服务器与用户联合确定是否将k-匿名应用于用户区域。上述方案中都假定用户所需隐私级别相同，但在实际生活中，用户所需的隐私级别往往不同，需要一种针对用户不同需求，自定义隐私级别，使得k匿名方案更加灵活。

发明内容

为了克服现有的现有k-匿名隐私保护激励机制依赖于可信中心，且要求所有用户隐私级别相同的不足，本发明提供一种基于区块链的个性化k-匿名隐私保护激励方法，针对用户所需隐私级别相同或不同情形设计不同的激励方案，应用去中心化的智能合约，同时避免可信第三方存在的安全隐患。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于区块链的个性化k-匿名隐私保护激励方法，其中用户端的隐私级别相同，该方法包括以下步骤：

1)买者用户端和卖者用户端通过协商构造智能合约；

2)买者用户端提出实现k-匿名隐私保护的竞价，卖者用户端提出帮助实现k-匿名隐私保护的要价，所述智能合约记录所述竞价和所述要价；

3)买者用户端和卖者用户端根据智能合约中的筛选条件进行拍卖博弈，选出获胜的买者用户端和卖者用户端；

4)获胜的买者用户端和卖者用户端形成匿名组，所述匿名组内的用户端一同向服务器端上传自己的位置和查询请求，实现k-匿名过程；

5)对所述智能合约进行验证，验证通过后进行智能合约的报酬分配。

该方法的各个步骤进一步说明如下：

(1)构造智能合约

请求服务的用户与周围用户形成组，组内划分出买者和卖者，将想要实现k-匿名隐私保护的用户为买者，其采用的用户端设备称为买者用户端，提供帮助的用户为卖者，其采用的用户端设备称为卖者用户端，买者用户端与卖者用户端协商后构造智能合约，如图1所示，智能合约中包括：

买者模块：此模块记录买者信息，买者的k-匿名需求以及其竞价；

卖者模块：此模块记录卖者信息以及参与k-匿名的要价；

条件模块：在此模块进行拍卖博弈，根据以下筛选条件选出获胜的买者、卖者：

其中k-n+1为参与匿名集的卖者人数(卖者用户端个数)，n表示买者用户端个数，a_k-n+2表示第k-n+2个买者用户端的要价，b_n表示第n个买者用户端的竞价；

报酬模块：此模块进行合约验证，若所有验证通过，将进行报酬分配，并将报酬交易记录在此模块；

(2)参加拍卖博弈

买者用户端提出k-匿名需求和想要实现k-匿名的竞价b_i，按照买者用户端竞价的递减的顺序对买者用户端进行排序b_i＝{b₁,b₂,...,b_n}，将排好序的买者用户端序列及每位买者相应的竞价添加到智能合约的买者模块；卖者用户端看到k-匿名任务，在决定参与后，每位卖者用户端给出自己的要价a_j，按照卖者要价的递增顺序对卖者用户端进行排序a_j＝{a₁,a₂,...,a_n}，将排好序的卖者用户端序列及其相应要价添加到智能合约的卖者模块；

(3)选出获胜者

利用智能合约的条件模块，买者用户端和卖者用户端进行拍卖博弈，决定获胜的卖者。根据筛选条件：

选出获胜的买者用户端W^b＝{W₁ ^b,W₂ ^b,...,W_n-1 ^b}，获胜的卖者用户端

其中k-n+1为加入匿名组的卖者人数(卖者用户端个数)。

(4)形成匿名组

获胜的卖者用户端与买者用户端形成k-匿名组，组内所有成员通过同时上传自己的真实位置和查询请求向服务提供商的服务器端请求服务{(L₁,R₁),(L₂,R₂),...,(L_k,R_k)}。攻击者只能发现k个用户在一同请求服务，但无法辨别真正请求服务的用户身份。通过组内用户共同协作实现k-匿名，有效防止了用户位置隐私泄露。

(5)合约验证，报酬分配

智能合约要先进行合约验证，包括用户身份验证和k-匿名验证。用户身份验证通过数字签名实现，k-匿名验证通过服务提供商反馈凭证信息验证。在两验证都通过后，智能合约自动进行报酬分配。

一种基于区块链的个性化k-匿名隐私保护激励方法，其中用户端的隐私级别不同(至少存在隐私级别不同的两个用户端，可以是各用户端的隐私级别都不同，也可以是部分用户端的隐私级别不同)，该方法包括以下步骤：

1)买者用户端、卖者用户端协商构造智能合约，合约包含买者模块、卖者模块、条件模块和报酬模块。

2)每位买者(每个买者用户端)提出自己的k-匿名隐私级别需求，针对用户不同等级的隐私保护需求，合约将买者按其所需的隐私级别等级递增的顺序分为q组

每组内分别对买者进行排序，并将买者信息以及买者竞价b_i记录在买者模块。对所有卖者(卖者客户端)进行排序，并将卖者信息以及卖者要价a_j，记录在卖者模块。

3)在智能合约的条件模块，首先检查买者各组中是否存在买者人数(买者用户端个数)n＞k+1的情况，即买者组能够在没有卖者帮助的情况下实现k-匿名，若存在，计算满足该要求的最大组数x，这些组组内选出部分买者，使得智能合约收益最大，这些买者形成匿名组。每位买者需要支付

作为协助者奖励。然后合约将继续筛选可在卖者帮助下实现k-匿名的剩余用户组，为了增大拍卖的成功率，在买者支付金额满足卖者的要价的基础上，智能合约自动筛选买者出价最高的组，根据筛选条件，最终筛选出加入匿名组的买者与卖者。若x不存在，根据条件π+1≤m和a_π+1≤τ直接筛选能在卖者帮助下实现k-匿名的买者。

4)买者人数为n＞k+1的买者组中筛选出的获胜买者形成匿名组，其余组中卖者与买者组形成k-匿名组共同协作实现k-匿名，各匿名组内所有成员同时上传自己的真实位置和查询请求{(L₁,R₁),(L₂,R₂),...,(L_k,R_k)}，服务提供商在收到请求服务后，将服务信息反馈至各组。

5)智能合约在分配报酬前要进行匿名组内用户身份验证和k-匿名验证，用户身份验证通过数字签名技术实现，k-匿名验证通过服务提供商反馈凭证信息。在验证通过后，对买者、卖者进行报酬分配。

本发明的有益效果是能够针对用户所需隐私级别不同的情形，分别满足不同用户隐私级别需求，完成不同隐私级别的k-匿名隐私保护，应用去中心化的智能合约，避免了可信第三方存在的安全隐患。

附图说明

图1是智能合约结构图。

图2是基于智能合约相同隐私级别k-匿名激励机制执行图。

图3是不同隐私级别k-匿名激励机制的智能合约结构图。

图4是用户隐私级别相同的情况下运行时间随k值变化的曲线图。

图5是用户隐私级别不同的情况下运行时间随买者数量变化的曲线图。

图6是用户隐私级别不同的情况下运行时间随卖者数量变化的曲线图。

具体实施方式

下面通过实施例和附图，对本发明做详细说明。

实施例一：相同隐私级别

1、构造智能合约，图1为智能合约结构图，智能合约包括：

1)随机数标识：用于唯一标识智能合约；

2)余额模块：用于记录用户余额；

3)合约代码，包括买者模块、买者模块、条件模块和报酬模块：

买者模块：记录买者信息

买者的k-匿名需求以及其竞价b_i＝{b₁,b₂,...,b_n}；

卖者模块：记录卖者信息

及其参与k-匿名的要价a_j＝{a₁,a₂,...,a_m}；

条件模块：用于进行拍卖博弈，根据筛选条件：

选出获胜的买者W^b＝{W₁ ^b,W₂ ^b,...,W_n-1 ^b}、卖者

其中k-n+1为参与匿名集的卖者人数，n表示买者人数，a_k-n+2表示第k-n+2位买者的要价，b_n表示第n位买者的竞价；

报酬模块：进行合约验证，若所有验证通过，将进行报酬分配，每位买者需要支付

每位卖家可获得

并记录报酬交易；

4)存储模块：用于记录智能合约状态，存储交易事件。

2、记录买者、卖者信息

按照买者竞价b_i递减顺序将买者信息与其对应的竞价记录在买者模块b_i＝{b₁,b₂,...,b_n}，按照卖者要价a_j递增顺序对卖者信息与其对应的要价记录在买者模块a_j＝{a₁,a₂,...,a_n}。

3、参加拍卖博弈，选出获胜者

根据筛选条件：

选出获胜买者W^b＝{W₁ ^b,W₂ ^b,...,W_n-1 ^b}，获胜卖者

其中k-n+1为加入匿名组的卖者人数。根据此条件可以找到买者出价最低、卖者要价最高的平衡点，确保买者的出价不低于卖者的要价，即卖者协助买者实现k-匿名隐私保护的过程中不会产生亏损。

4、形成匿名组

获胜卖者与买者形成k-匿名组，组内所有成员通过同时上传自己的真实位置和查询请求向服务提供商请求服务{(L₁,R₁),(L₂,R₂),...,(L_k,R_k)}，完成k-匿名。

5、验证合约与分配报酬

在进行报酬分配前，智能合约要进行合约验证，包括用户身份验证和k-匿名验证。用户身份验证通过数字签名实现。其过程为：卖者用自己的私钥对其信息进行数字签名，并将签名发送给买者，然后买者用卖者的公钥进行验签，验证卖者信息，从而确认卖者身份。k-匿名验证通过服务提供商反馈凭证信息实现。服务提供商在收到匿名组上传的一组位置信息和查询请求后{(L₁,R₁),(L₂,R₂),...,(L_k,R_k)}，确认匿名组完成了k-匿名，服务提供商反馈凭证信息

给智能合约，从而验证可k-匿名的成功实现。所有验证审核通过后，智能合约自动进行报酬分配(智能合约将报酬分配给区块链中的每位矿工节点，所述矿工节点是指负责交易验证和区块链系统维护与管理的节点)。具体地，匿名组中每位买者支付报酬

(表示以第n位买者的竞价作为标准，k-匿名组内每位买者需支付同等金额)，匿名组中的每位卖者获得报酬

(表示以第k-n+2位卖家的要价作为标准，k-匿名组内每位卖者可获得同等金额的报酬)。图2是基于智能合约相同隐私级别k-匿名激励机制执行示意图。

实施例二：不同隐私级别

1)一定区域内的用户形成组，组内划分出买者和卖者，并构造智能合约；该合约结构与相同隐私级别合约结构大致相同，包含买者模块、卖者模块，条件模块和报酬模块。图3为不同隐私级别k-匿名激励机制的智能合约结构图。

2)买者提出k-匿名需求，针对用户不同等级的隐私保护需求，合约将买者按隐私保护需求等级递增的顺序分为q组

对于任何买者

等级k_i＝λ_g。然后，仍然按照买者出价b_i的递减的顺序对买者进行排序，将排好序的买者序列及其相应的出价添加到智能合约买者模块；卖者看到k-匿名任务，每位卖者给出自己的要价a_j＝{a₁,a₂,...,a_n}，按照卖者要价a_j的递增顺序对卖者进行排序，将排好序的卖者序列及其相应要价添加到智能合约卖者模块；

3)在智能合约的条件模块，首先检查买者各组中是否存在买者人数n＞k+1的情况，即买者组能在没有卖者帮助的情况下能够实现k-匿名，分为以下两种情况：

a)若存在买者人数n＞k+1的情况，计算满足该要求的最大组数x，1≤x≤q使得

其中

表示从1组到第x组的并集，

表示隐私级别为λ_x的买者用户组，λ_x表示隐私级别；这些买者组可单独形成匿名组实现k-匿名，并且每位买者需要支付

作为实现k-匿名的代价。

然后合约将继续筛选可在卖者帮助下实现k-匿名的剩余用户组，为了增大拍卖的成功率，在买者支付金额满足卖者的要价的基础上，智能合约自动筛选买者出价最高的组，根据以下条件：

最终筛选出加入匿名组的买者

与卖者

其中，m卖者用户数，

为第λ_g组的买者用户人数，

为取1≤y≤q范围内使得使得函数取得最大值的自变量y的值，

是1到y组中取买者竞价最小值。

b)若x不存在，根据条件π+1≤m和a_π+1≤τ直接筛选能在卖者帮助下实现k-匿名的买者。其中：

4)形成匿名组

获胜卖者与买者组形成k-匿名组共同协作实现k-匿名，组内所有成员通过同时上传自己的真实位置和查询请求{(L₁,R₁),(L₂,R₂),...,(L_k,R_k)}向服务提供商请求服务。

5)验证合约与分配报酬

智能合约验证仍利用数字签名对k-匿名组内用户进行身份验证；通过服务提供商反馈凭证信息进行k-匿名验证。验证通过后进行报酬分配，当x不存在时，每位买者需要支付

每位卖者需要支付

当x存在且x＜q时，可自己完成k-匿名的买者组中每位买者需要支付

其余可在卖者协助下完成k匿名的买者组中每人需要支付

提供帮助的卖者可获得报酬

本发明分别评估了匿名度k对于运行时间的影响。为方便计算，针对用户k-匿名隐私级别相同的情况，评估k的影响时，假设k取[10,30],(1)n＝10,m＝20；(2)n＝20，m＝20；(3)n＝10,m＝30。由表1和图4的实验数据可知，随着k增大，筛选算法时间复杂度增大，运行时间略有增大。

表1.用户k-匿名隐私级别相同情况的实验数据

针对用户所需隐私级别不同的情况，评估了买家人数n、买家人数m对于运行时间的影响。在评估n的影响时，假设n取[10,30]，(1)m＝20,k＝15，(2)m＝20,k＝20。由图5可知，随着买者增多，筛选算法要找到按照买者的竞价与卖者要价的平衡点，运行时间增大。在评估m的影响时，假设m取[10,30]，(1)n＝20,k＝15；(2)n＝20,k＝20。由图6可知，随着卖者增多，运行时间同样增大。

本方案中在拍卖博弈时采用的拍卖算法可采用密封投标拍卖算法，恶意投标人不能否认他的出价值，并使用可验证的签名方案证明方案的有效性；还可替换为匿名拍卖算法，每个投标人可以任意和匿名投标以确保投标人的隐私等。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (4)

1.一种基于区块链的个性化k-匿名隐私保护激励方法，其中用户端的隐私级别不同，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)买者用户端和卖者用户端通过协商构造智能合约；

2)各买者用户端提出k-匿名需求，针对各买者用户端不同等级的隐私保护需求，智能合约将买者用户端按隐私保护需求等级递增的顺序分为多组；然后每组中按照买者用户端出价的递减的顺序对买者用户端进行排序，将排好序的买者用户端序列及其相应的出价记录在智能合约中；每个卖者用户端给出自己的要价，按照要价的递增顺序对卖者用户端进行排序，将排好序的卖者用户端序列及其相应要价记录在智能合约中；

3)检查买者用户端的各组中是否存在买者用户端个数n＞k+1的情况，即买者组用户端能够在没有卖者用户端帮助的情况下实现k-匿名，若存在，则计算满足该要求的最大组数x，这些组组内选出部分买者用户端，使得智能合约收益最大，由选出的买者用户端形成匿名组；然后智能合约继续筛选能够在卖者用户端帮助下实现k-匿名的剩余买者用户组，并根据筛选条件筛选出加入匿名组的买者用户端与卖者用户端；若x不存在，则根据筛选条件筛选出能在卖者用户端帮助下实现k-匿名的买者用户端；

4)由买者用户端个数为n＞k+1的买者组中筛选出的买者形成匿名组，其余组中卖者与买者形成k-匿名组，各匿名组内的用户端一同向服务器端上传自己的位置和查询请求，实现k-匿名过程；

5)对所述智能合约进行验证，验证通过后进行智能合约的报酬分配。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)所述智能合约包括：a)买者模块，用于记录买者信息，买者的k-匿名需求以及其竞价；b)卖者模块，用于记录卖者信息参与k-匿名的要价；c)条件模块，用于进行拍卖博弈，根据筛选条件选出获胜的买者和卖者；d)报酬模块，用于进行合约验证，若验证通过则进行报酬分配并记录报酬交易记录。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)所述智能合约继续筛选能够在卖者帮助下实现k-匿名的剩余用户组，是在买者支付金额满足卖者的要价的基础上，自动筛选买者出价最高的组，以增大拍卖的成功率。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5)所述验证包括用户身份验证和k-匿名验证，用户身份验证通过数字签名实现，k-匿名验证通过服务器端反馈的凭证信息进行验证。

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