CN108809516B - 一种格式化数据脱敏的高安全性编码解码方法 - Google Patents

一种格式化数据脱敏的高安全性编码解码方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及信息通信，旨在提供一种格式化数据脱敏的高安全性编码解码方法。该种格式化数据脱敏的高安全性编码解码方法包括编码过程和解码过程，编码过程包括步骤：封装输入数据、生成编码矩阵、引入偏置项作为密钥和生成编码输出数组，解码过程包括步骤：获取输入数据组的样本个数、获取编码后数据及密钥、导出编码矩阵和还原输入数据。本发明通过在传统的格式化数据的编码、解码过程中，引入随机产生的密钥的方法，实现了格式化数据的脱敏，提高编码、解码过程的随机性和安全性。本发明采用随机密钥体制，但是同时保证数据的可溯源性，可应用于ICT等领域格式化数据脱敏的编码、解码过程中。

Description

一种格式化数据脱敏的高安全性编码解码方法
技术领域
本发明是关于信息通信领域，特别涉及一种格式化数据脱敏的高安全性编码解码方法。
背景技术
编码是信息从一种形式转换为另一种形式的过程，用预先规定的方法将文字、数字或者其他对象编成数码，在电子计算机、通讯等领域广泛使用。解码，是编码的逆过程。数据脱敏实现了对于敏感隐私数据的可靠保护。通过数据脱敏，可以在开发、测试和其它非生产环境以及外包或云计算环境中安全地使用脱敏后的数据集。
随着互联网领域和通信领域飞速发展，IT(信息业)与CT(通信业)两种服务相互结合与交融，通信业、电子信息产业、互联网、传媒业都将融合在ICT的范围内。在ICT发展过程中，保护服务方与用户方数据隐私的格式化数据脱敏也成为一个重要关注点。借助数据脱敏技术，可以屏蔽敏感信息，并使屏蔽的信息保留其原始数据格式和属性，以确保可在应用程序(用户端)使用脱敏数据，而防止隐私信息的泄露。因此，格式化数据的编码和解码方法的设计不仅要考虑便利性，也要考虑安全性。
目前，在信息通信领域以及互联网领域中，常见的实现格式化数据脱敏的编码方法包括替代、混洗、数值变换、加密、遮挡、空值插入等方法。加密法指对待脱敏数据进行加密处理，使外部用户只看到无意义的加密后数据，同时在特定场景下，可以提供解密能力，使具有密钥的相关方可以获得原数据。加密的方法存在一定的安全风险(密钥泄露或加密强度不够)；加密本身需要一定的计算能力，对于大数据集来源会产生很大资源开销；一般加密后数据与原始数据格式差异较大，“真实性”较差。一般情况下，加密的数据脱敏方式应用不多。
传统加密法是采用固定的密钥和特定的映射函数，实现输入数据与输出数据的一对一映射，该映射方式对于他的用户而言是不可知的。对于信息发送方而言，映射关系是已知的，在这种前提下，编码过程通常采用一种加密编码的方式。针对数据脱敏，该传统的加密方法的优点是可以采用线性编码的方式，简单且便于还原发送方所传达的信息。但是，该方法的加密方式也导致信息的编码过程的安全性较差，其编码方式容易被破解。另外，固定的密钥和映射结构也会导致安全性较差。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种具有高安全性且易于实现的加密法格式化数据脱敏的编码、解码方法。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种格式化数据脱敏的高安全性编码解码方法，包括编码过程和解码过程；
所述编码过程具体包括下述步骤：
步骤A1：封装输入数据：
将输入的N个要处理的样本封装为一个数据组X，
Figure BDA0001664611350000021
将X作为一组输入数据；
其中，每个样本都是d维数据，d维数据是指包含的数据个数为d，d是大于0的整数(为了效果起见，d取值范围在2到20间较优)；数据组X内各元素的取值范围为0到9的整数，包含0和9，即X∈》N×d，N＞d(在该范围内的具体取值，根据实际需求确定)，》表示整数矩阵；所述
Figure BDA0001664611350000022
表示第N个样本，是由d个元素所组成的列向量，“T”符号表示转置操作；
步骤A2：生成编码矩阵：
对步骤A1的每组输入数据X，使用随机函数生成相对应的一组矩阵E1，满足E1∈》d×d，》表示实数矩阵；
对生成的矩阵E1进行预处理：将矩阵E1内的数据取绝对值后得到矩阵|E1|，并对其中每一列作求和处理，得到1行d列的矩阵Es，即Es∈》1×d；将得到的新矩阵Es进行铺放模块处理生成新矩阵Emax，Emax∈》d×d；随后将矩阵E1内的数据分别点除Emax内的数据后，再点乘d或d的正整数倍，得到处理之后的编码矩阵E；
所述铺放模块处理是指：Emax中每一行的各元素均为Es的一行内相对应元素，共生成d行，满足Emax∈》d×d；
步骤A3：引入偏置项作为密钥：
对步骤A1的每组输入数据X，使用随机函数生成一个偏置项密钥u1，满足u1∈》N×d；
对生成的偏置项密钥u1进行处理：对u1内的元素点乘m，m取值为10的正整数倍(选取的点乘值，在满足满足10的正整数倍前提下，根据实际需求确定，为效果起见，点乘1000较优)；再对点乘后的矩阵内各元素进行四舍五入取整，得到密钥u，满足u∈》N×d；
步骤A4：生成编码输出数组：
将步骤A1的每组输入数据X，与步骤A2得到的对应编码矩阵E相乘，得到初步编码数据Y1，即Y1＝XE；
将初步编码数据Y1加上步骤A3得到的对应密钥u，再对生成的矩阵内元素点乘100后进行四舍五入取整，得到编码输出矩阵Y，即Y＝round((Y1+u)⊙100)；其中，“round()”表示对括号内矩阵的每个元素进行四舍五入取整，“⊙”符号代表点乘，即符号左边矩阵的每个元素均乘以符号右边的数字；
最后，将编码输出矩阵Y、密钥u和部分特定的输入样本组成的矩阵
Figure BDA0001664611350000031
的混合数据，作为编码输出数组；其中，
Figure BDA0001664611350000032
是指由用户选定的输入数据组X中特定的n个行的样本组成的新数组，d≤n＜N(即n的取值范围是：大于等于步骤A1所述要处理的样本的维度数d且小于步骤A1所述要处理的样本个数N)，且
Figure BDA0001664611350000033
秩不小于d(即
Figure BDA0001664611350000034
秩不小于步骤A1所述每个样本的维度d)；
所述解码过程具体包括下述步骤：
步骤B1：获取步骤A1中所述输入数据组X所包含的样本个数N；
步骤B2：获取编码后数据和密钥：
对获取的编码输出数组进行处理：根据步骤B1获取的样本个数N，对编码输出数组进行截取，分别获取该编码输出数组的编码输出矩阵Y、密钥u和部分特定的输入样本
Figure BDA0001664611350000035
步骤B3：导出编码矩阵：
根据步骤B2中获取的部分特定的输入样本组
Figure BDA0001664611350000036
查找其相对应的输出样本组矩阵
Figure BDA0001664611350000037
所述输出样本组矩阵
Figure BDA0001664611350000038
是指从编码输出矩阵Y中找到与输入样本矩阵
Figure BDA0001664611350000039
内各样本相对应的输出样本组成的矩阵；
根据步骤B2获取的密钥u，部分特定的输入样本
Figure BDA00016646113500000310
及其相对应的输出数据
Figure BDA00016646113500000311
后，通过矩阵运算还原出该编码输出数组的编码矩阵E；
所述矩阵运算的方式为：
Figure BDA00016646113500000312
其中，“./”符号表示符号左边矩阵中每个元素均除以符号右边的数字；所述
Figure BDA00016646113500000313
是指部分特定的输入样本组成的矩阵
Figure BDA00016646113500000314
的转置；
步骤B4：还原输入数据：
根据步骤B3得到的编码矩阵E，步骤B2得到的编码输出矩阵Y和密钥u，解码出原输入数据X，即X＝round((Y./100-u)E-1)；
其中，“round()”表示对括号内矩阵的每个元素进行四舍五入取整，“./”符号表示符号左边矩阵中每个元素均除以符号右边的数字；所述E-1是指对编码矩阵E作求逆操作。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过在传统的格式化数据的编码、解码过程中，引入随机产生的密钥的方法，实现了格式化数据的脱敏，提高编码、解码过程的随机性和安全性。本发明采用随机密钥体制，但是同时保证数据的可溯源性，可应用于ICT(信息通信技术)等领域格式化数据脱敏的编码、解码过程中。
附图说明
图1为本发明的流程示意图。
图2为本发明中编码过程的流程示意图。
图3为本发明中解码过程的流程示意图。
具体实施方式
首先需要说明的是，本发明是计算机技术在信息安全技术领域的一种应用。在本发明的实现过程中，会涉及到多个软件功能模块的应用。申请人认为，如在仔细阅读申请文件、准确理解本发明的实现原理和发明目的以后，在结合现有公知技术的情况下，本领域技术人员完全可以运用其掌握的软件编程技能实现本发明。凡本发明申请文件提及的均属此范畴，申请人不再一一列举。
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
如图1所示的一种格式化数据脱敏的高安全性编码解码方法包括编码过程和解码过程。编码过程，通过增加密钥随机性，解决加密过程中的随机性程度较低的问题，提高编码过程的随机性；解码过程，解决了解码过程中传统脱敏算法无法还原或者易于还原但安全性较差的问题。
下面的实施例可以使本专业的专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
如图2所示，编码过程具体包括下述步骤：
步骤a1：封装输入数据：
将输入的N个要处理的样本封装为一个数据组X，
Figure BDA0001664611350000041
其中每个样本中包含d维数据，即此时X∈RN×d，将X作为一组输入数据；
其中，步骤a1所述的数据组X内各元素的取值范围为0到9内的整数，包含0和9；步骤a1所述d维数据是指：每个样本中包含的数据的个数为d；d的取值范围为：d可以取任何大于0的整数，为了效果起见，d取值范围在2到20间较优；N的取值范围为：N＞d；在所述范围内的具体的大小，根据实际需求确定。
例：选取每个样本维度为4，样本个数为20，将该数据组成一个输入矩阵X，即N＝20，d＝4，生成的X表示如下：
Figure BDA0001664611350000051
步骤a2：生成编码矩阵：
对步骤a1所述的输入的每个数据组，生成相对应的一组矩阵E1，对生成的矩阵进行预处理，作为编码矩阵E；
其中，步骤a2所述生成相对应矩阵的方法为：使用随机函数生成一个矩阵E1，满足E1∈》d×d；
其中，步骤a2所述的对生成矩阵预处理的方法为：将矩阵E1内的数据取绝对值后得到矩阵|E1|并对其中每一列作求和处理，得到矩阵Es，其中Es∈》1×d；将得到的新矩阵Es进行铺放模块处理生成新矩阵Emax，其中Emax∈》d×d；随后将步骤A2所述的矩阵E1内的数据分别点除Emax内的数据后再点乘d或d的正整数倍，得到处理之后的编码矩阵E；
其中，所述铺放模块处理是指：Emax中每一行的各元素均为Es的一行内相对应元素，共生成d行，满足Emax∈》d×d；
例：根据步骤a2生成的矩阵E1为：
Figure BDA0001664611350000052
对生成的矩阵E1进行处理，此时的Es为：
Es＝(1.01011.27542.17101.7936)
矩阵E1内的数据分别点除Emax内的数据后再点乘d＝4，求得的编码矩阵E如下：
Figure BDA0001664611350000053
步骤a3：引入偏置项作为密钥：
对步骤a1所述的每组输入数据X，生成一个偏置项密钥u1，并对生成的偏置项密钥u1进行处理，得到所需的密钥u，满足u∈》N×d；
其中，步骤a3所述的生成偏置项密钥u1的方法为：使用随机函数生成一个矩阵u1，满足u1∈》N×d；
其中，步骤a3所述的并对生成的偏置项密钥u1进行处理方法为：对u1内的元素点乘m，其中m为10的正整数倍，为效果起见，点乘1000较优；对点乘后的矩阵内各元素进行四舍五入取整，得到密钥u；其中选取的点乘的数字，在满足满足10的正整数倍前提下，根据实际需求确定。
例：在本例中，对原始生成的u1内各元素选择点乘10后进行取整操作，处理后的密钥u为：
Figure BDA0001664611350000061
步骤a4：生成编码输出数组：
将步骤a1所述的输入矩阵X与步骤a2所述的编码矩阵E相乘，得到初步编码数据Y1，即Y1＝XE；将初步编码数据数据Y1加上步骤A3所述的偏置项密钥u，对生成的矩阵内元素点乘100后进行四舍五入取整，得到编码输出矩阵Y，即Y＝round((Y1+u)⊙100)，其中“round()”表示对括号内矩阵的每个元素进行四舍五入取整，“⊙”代表点乘；
例：本例中，得到初步编码数据Y1为：
Figure BDA0001664611350000062
根据上述步骤所提供方法，生成的编码输出矩阵Y为：
Figure BDA0001664611350000063
通过以上几个步骤，完成了对输入矩阵X的数据清洗，实现了数据的编码过程。
如图3所示，解码过程具体包括下述步骤：
步骤b1：获取a1所述的一组输入数据组X所包含格式化数据的样本个数N；
例：数据编码时候每次封装的格式化数据的个数可以作为对输出数组信息处理的重要信息，在已知该数据的基础上，可以对输出数组做处理，为下一步骤做准备。承接步骤a1至a4，可知此处的N＝20，同时作为解码方，同样清楚每个样本的维度，此例为4
步骤b2：获取编码后数据和密钥：
对编码后的输出的数据进行处理，分离出步骤a4所述的编码输出矩阵Y和步骤a3所述的偏置项密钥u；
其中，步骤b2所述的编码后的输出的数据是指经过步骤a1至a4处理过后的编码输出矩阵Y，偏置项密钥u和部分特定的输入样本
Figure BDA0001664611350000071
的混合数据，
Figure BDA0001664611350000072
是指输入数据组X的n行样本组成的新数组，
Figure BDA0001664611350000073
满足的条件是
Figure BDA0001664611350000074
秩等于步骤Al所述每个样本的维度d；
其中，步骤b2所述的对编码后的输出的数据进行处理方法为：根据步骤b1获取的样本个数N，对编码后的输出的数据进行截取，分别获取步骤a4中生成的编码输出矩阵Y，步骤a3所述的偏置项密钥u和部分特定的输入样本
Figure BDA0001664611350000075
例：步骤a1至a4完成了数据的编码过程，在数据传输时，每组传输的数据包括每组X加密后生成的Y，密钥u，以及部分的样本信息
Figure BDA0001664611350000076
这一组信息用的是相同的密钥和加密矩阵，该组数据的传输过程的数据编码方式可以由用户自定义，此处给出一种数据传输过程的编码方式：将Y的个位、十位、百位和千位分别传输，在个位传输时，同时传输部分的样本信息
Figure BDA0001664611350000077
和密钥u，在十位、百位和千位的相应位置用0来表示。通过收到这一串信息信息后，再通过步骤b1获取要解码的样本个数N的基础上，实现对接收到的数据进行信息获取，分别获取编码输出矩阵Y，偏置项密钥u和部分特定的输入样本
Figure BDA0001664611350000078
在本步骤中，获取的编码输出矩阵Y，偏置项密钥u和部分特定的输入样本
Figure BDA0001664611350000079
分别表示如下：
Figure BDA00016646113500000710
Figure BDA00016646113500000711
Figure BDA00016646113500000712
本例子中特定的输入样本
Figure BDA00016646113500000713
是指：由用户指定的输入数据矩阵X的前五个样本组成的矩阵。
步骤b3：导出编码矩阵：
根据步骤b2中获取的部分特定的输入样本
Figure BDA00016646113500000714
查找其相对应的输出样本
Figure BDA00016646113500000715
根据步骤b2获取的偏置项密钥u，部分特定的输入样本
Figure BDA00016646113500000716
及其相对应的输出数据
Figure BDA00016646113500000717
后，通过矩阵运算还原出步骤a2所述的编码矩阵E；矩阵运算的方式为：
Figure BDA0001664611350000081
其中，“./”符号表示符号左边矩阵中每个元素均除以符号右边的数字；
例：由上述步骤中，可以得知，此处的相对应的输出样本
Figure BDA0001664611350000082
可表示为：
Figure BDA0001664611350000083
代入上述公式中，可以计算出此时的加密矩阵为：
Figure BDA0001664611350000084
对比此步骤获取的编码矩阵E与步骤a2中生成的编码矩阵E，发现差异很小。
步骤b4：还原输入数据：
根据步骤b3所求编码矩阵E，步骤B2所求输出矩阵Y和偏置项密钥u，解码出原输入数据X，即
X＝round((Y./100-u)E-1)
其中，其中“round()”表示对括号内矩阵的每个元素进行四舍五入取整，“./”符号表示符号左边矩阵中每个元素均除以符号右边的数字；根据编码矩阵、输出数据和密钥，还原出输入数据，即在E和u、Y已知的情况下，进行简单的矩阵变换便可以得出原始的输入数据。在获得加密矩阵E之后，可以实现对输入矩阵X的还原。
例：将步骤b2和b3中得到的输出矩阵Y，偏置项密钥u和编码矩阵E代入上式子中，求得的输入矩阵X表示如下：
Figure BDA0001664611350000085
自此，实现了对数据的完美还原。该还原过程具有较高的安全性与技巧性，在对N未知的情况下，还原具有较高的难度，进一步提高了解码过程的安全性。
上述步骤a1至a4过程实现了一组输入数据的编码过程，步骤b1至b4完成了该组数据编码后的数据的解码过程，本实施例用了样本个数为20，每个样本维度为4的输入数据，在下一组数据编码过程中，可以重新设定样本的个数N，并对该组数据生成相应的编码矩阵和密钥，提高了编码解码过程的安全性。
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种格式化数据脱敏的高安全性编码解码方法，其特征在于，包括编码过程和解码过程；
所述编码过程具体包括下述步骤：
步骤A1：封装输入数据：
将输入的N个要处理的样本封装为一个数据组X，
Figure FDA0002659887040000011
将X作为一组输入数据；
其中，每个样本都是d维数据，d维数据是指包含的数据个数为d，d是大于0的整数；数据组X内各元素的取值范围为0到9的整数，包含0和9，即X∈>>N×d，N>d，>>表示整数矩阵；所述
Figure FDA0002659887040000012
表示第N个样本，是由d个元素所组成的列向量，“T”符号表示转置操作；
步骤A2：生成编码矩阵：
对步骤A1的每组输入数据X，使用随机函数生成相对应的一组矩阵E1，满足E1∈>>d×d，>>表示实数矩阵；
对生成的矩阵E1进行预处理：将矩阵E1内的数据取绝对值后得到矩阵|E1|，并对其中每一列作求和处理，得到1行d列的矩阵Es，即Es∈>>1×d；将得到的新矩阵Es进行铺放模块处理生成新矩阵Emax，Emax∈>>d×d；随后将矩阵E1内的数据分别点除Emax内的数据后，再点乘d或d的正整数倍，得到处理之后的编码矩阵E；
所述铺放模块处理是指：Emax中每一行的各元素均为Es的一行内相对应元素，共生成d行，满足Emax∈>>d×d；
步骤A3：引入偏置项作为密钥：
对步骤A1的每组输入数据X，使用随机函数生成一个偏置项密钥u1，满足u1∈>>N×d；
对生成的偏置项密钥u1进行处理：对u1内的元素点乘m，m取值为10的正整数倍；再对点乘后的矩阵内各元素进行四舍五入取整，得到密钥u，满足u∈>>N×d；
步骤A4：生成编码输出数组：
将步骤A1的每组输入数据X，与步骤A2得到的对应编码矩阵E相乘，得到初步编码数据Y1，即Y1＝XE；
将初步编码数据Y1加上步骤A3得到的对应密钥u，再对生成的矩阵内元素点乘100后进行四舍五入取整，得到编码输出矩阵Y，即Y＝round((Y1+u)⊙100)；其中，“round()”表示对括号内矩阵的每个元素进行四舍五入取整，“⊙”符号代表点乘，即符号左边矩阵的每个元素均乘以符号右边的数字；
最后，将编码输出矩阵Y、密钥u和部分特定的输入样本组成的矩阵
Figure FDA0002659887040000021
的混合数据，作为编码输出数组；其中，
Figure FDA0002659887040000022
是指由用户选定的输入数据组X中特定的n个行的样本组成的新数组，d≤n＜N，且
Figure FDA0002659887040000023
秩不小于d；
所述解码过程具体包括下述步骤：
步骤B1：获取步骤A1中所述输入数据组X所包含的样本个数N；
步骤B2：获取编码后数据和密钥：
对获取的编码输出数组进行处理：根据步骤B1获取的样本个数N，对编码输出数组进行截取，分别获取该编码输出数组的编码输出矩阵Y、密钥u和部分特定的输入样本
Figure FDA0002659887040000024
步骤B3：导出编码矩阵：
根据步骤B2中获取的部分特定的输入样本
Figure FDA0002659887040000025
查找其相对应的输出样本组矩阵
Figure FDA0002659887040000026
所述输出样本组矩阵
Figure FDA0002659887040000027
是指从编码输出矩阵Y中找到与输入样本矩阵
Figure FDA0002659887040000028
内各样本相对应的输出样本组成的矩阵；
根据步骤B2获取的密钥u，部分特定的输入样本
Figure FDA0002659887040000029
及其相对应的输出数据
Figure FDA00026598870400000210
后，通过矩阵运算还原出该编码输出数组的编码矩阵E；
所述矩阵运算的方式为：
Figure FDA00026598870400000211
其中，“./”符号表示符号左边矩阵中每个元素均除以符号右边的数字；所述
Figure FDA00026598870400000212
是指部分特定的输入样本组成的矩阵
Figure FDA00026598870400000213
的转置；
步骤B4：还原输入数据：
根据步骤B3得到的编码矩阵E，步骤B2得到的编码输出矩阵Y和密钥u，解码出原输入数据X，即X＝round((Y./100-u)E-1)；
其中，“round()”表示对括号内矩阵的每个元素进行四舍五入取整，“./”符号表示符号左边矩阵中每个元素均除以符号右边的数字；所述E-1是指对编码矩阵E作求逆操作。
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