CN111444526B - 基于计算机软件实现近似最大值计算的安全多方计算控制方法及相应的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于计算机软件实现近似最大值计算的安全多方计算控制方法，包括公共信息协商模块协商确定有效取值范围并划分区间；秘密数据预处理模块确定秘密信息所处的取值区间序号，并进行计算；安全多方加法计算与通信模块与其他实体进行安全多方求和计算；最大值区间计算模块计算最大值所在的区间序号。本发明还涉及一种基于计算机软件实现近似最大值计算的安全多方计算控制系统。采用了本发明的基于计算机软件实现近似最大值计算的安全多方计算控制方法及相应的系统，能够在通信复杂度不超过O(n²)的情况下，安全计算出所有秘密信息的最大值所在的区间，即不泄露自身的秘密信息给其他参与实体。

Description

基于计算机软件实现近似最大值计算的安全多方计算控制方 法及相应的系统

技术领域

本发明涉及计算机领域，尤其涉及计算机安全领域，具体是指一种基于计算机软件实现近似最大值计算的安全多方计算控制方法及相应的系统。

背景技术

安全多方计算是计算机安全领域的一种计算方式，对于n个参与实体p1,p2,…,pn，每个实体有一个秘密整数数据，分别是x1,x2,…,xn，参与实体希望通过安全交互，共同计算出一个公共函数f(x1,x2,…,xn)，同时保持其秘密数据的私密性，即不让自己的数据被其他实体知晓。

当前的安全多方计算协议在公共函数为一次多项式，即f(x1,x2,…,xn)＝c1x1+c2x2+…+cnxn(c1,c2,…,cn为公开整数常数)时，可在通信复杂度O(n2)下，完成安全计算。

当前的安全多方计算技术在公共函数为最大值计算，即f(x1,x2,…,xn)＝max(x1,x2,…,xn)时，没有有效的多项式通信复杂度协议。

最大值安全多方计算协议是一种应用广泛的数据隐私保护方法，比如以下应用场景：用户在多个金融机构开立了账户，每个金融机构都给该用户授予了一个信用额度。该用户在某个新的金融机构处开立新账户时，该机构希望向其他金融机构获得该用户的最高额度作为参考，但每个金融机构都希望对用户的额度信息进行保密；此时就可以进行一轮最大值安全多方计算协议，算出该用户在所有金融机构中的信用额度的最大值，但没有泄露用户在每个金融机构中的具体信用额度值，也不泄露哪个金融机构有最大信用额度。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足误差小、效率高、适用范围较为广泛的基于计算机软件实现近似最大值计算的安全多方计算控制方法及相应的系统。

为了实现上述目的，本发明的基于计算机软件实现近似最大值计算的安全多方计算控制方法及相应的系统如下：

该基于计算机软件实现近似最大值计算的安全多方计算控制方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：

(1)公共信息协商模块协商确定有效取值范围并划分区间；

(2)秘密数据预处理模块确定秘密信息所处的取值区间序号，并进行计算；

(3)安全多方加法计算与通信模块与其他实体进行安全多方求和计算；

(4)最大值区间计算模块计算最大值所在的区间序号。

较佳地，所述的步骤(1)具体包括以下步骤：

(1.1)公共信息协商模块协商确定有效取值范围；

(1.2)公共信息协商模块取不同的整数，将有效取值范围划分取值区间。

较佳地，所述的步骤(2)具体包括以下步骤：

(2.1)秘密数据预处理模块确定秘密信息所处的取值区间序号；

(2.2)秘密数据预处理模块计算预处理结果z_i。

较佳地，所述的步骤(3)具体为：

安全多方加法计算与通信模块以预处理结果z_i为秘密信息进行安全多方求和计算。

较佳地，所述的方法还包括以下步骤：

(5)判断是否需要更精确的最大值，如果是，则以计算出的最大值有效区间为新的有效取值范围，继续步骤(1)。

该基于计算机软件实现近似最大值计算的安全多方计算控制系统，其主要特点是，所述的系统包括多个实体，每个实体包括公共信息协商模块、秘密数据预处理模块、安全多方加法计算与通信模块和最大值区间计算模块，所述的秘密数据预处理模块与公共信息协商模块相连接，所述的安全多方加法计算与通信模块与所述的秘密数据预处理模块相连接，所述的最大值区间计算模块与所述的安全多方加法计算与通信模块相连接，所述的多个实体的公共信息协商模块互相连接，所述的多个实体的安全多方加法计算与通信模块互相连接。

较佳地，所述的系统通过公共信息协商模块、秘密数据预处理模块、安全多方加法计算与通信模块和最大值区间计算模块进行多方安全计算，具体包括以下处理过程：

(1)公共信息协商模块协商确定有效取值范围并划分区间；

(2)秘密数据预处理模块确定秘密信息所处的取值区间序号，并进行计算；

(3)安全多方加法计算与通信模块与其他实体进行安全多方求和计算；

(4)最大值区间计算模块计算最大值所在的区间序号。

较佳地，所述的步骤(1)具体包括以下步骤：

(1.1)公共信息协商模块协商确定有效取值范围；

(1.2)公共信息协商模块取不同的整数，将有效取值范围划分取值区间。

较佳地，所述的步骤(2)具体包括以下步骤：

(2.1)秘密数据预处理模块确定秘密信息所处的取值区间序号；

(2.2)秘密数据预处理模块计算预处理结果z_i。

较佳地，所述的步骤(3)具体为：

安全多方加法计算与通信模块以预处理结果z_i为秘密信息进行安全多方求和计算。

较佳地，所述的处理过程还包括以下步骤：

(5)判断是否需要更精确的最大值，如果是，则以计算出的最大值有效区间为新的有效取值范围，继续步骤(1)。

采用了本发明的基于计算机软件实现近似最大值计算的安全多方计算控制方法及相应的系统，与现有技术无法实现多项式通信复杂度的最大值安全多方计算相比，本发明可以在通信复杂度O(n²)的情况下，计算出最大值所在的区间，其原因是本发明的通信仅用于一轮安全多方计算。在通信复杂度不超过O(n²)的情况下，安全计算出所有秘密信息的最大值所在的区间，即不泄露自身的秘密信息给其他参与实体。

附图说明

图1为本发明的基于计算机软件实现近似最大值计算的安全多方计算控制方法的流程图。

图2为本发明的基于计算机软件实现近似最大值计算的安全多方计算控制系统的示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

本发明的该基于计算机软件实现近似最大值计算的安全多方计算控制方法，其中包括以下步骤：

(1)公共信息协商模块协商确定有效取值范围并划分区间；

(1.1)公共信息协商模块协商确定有效取值范围；

(1.2)公共信息协商模块取不同的整数，将有效取值范围划分取值区间；

(2)秘密数据预处理模块确定秘密信息所处的取值区间序号，并进行计算；

(2.1)秘密数据预处理模块确定秘密信息所处的取值区间序号；

(2.2)秘密数据预处理模块计算预处理结果z_i；

(3)安全多方加法计算与通信模块与其他实体进行安全多方求和计算；

安全多方加法计算与通信模块以预处理结果z_i为秘密信息进行安全多方求和计算；

(4)最大值区间计算模块计算最大值所在的区间序号；

(5)判断是否需要更精确的最大值，如果是，则以计算出的最大值有效区间为新的有效取值范围，继续步骤(1)。

本发明的该基于计算机软件实现近似最大值计算的安全多方计算控制系统，其中包括多个实体，每个实体包括公共信息协商模块、秘密数据预处理模块、安全多方加法计算与通信模块和最大值区间计算模块，所述的秘密数据预处理模块与公共信息协商模块相连接，所述的安全多方加法计算与通信模块与所述的秘密数据预处理模块相连接，所述的最大值区间计算模块与所述的安全多方加法计算与通信模块相连接，所述的多个实体的公共信息协商模块互相连接，所述的多个实体的安全多方加法计算与通信模块互相连接。

作为本发明的优选实施方式，所述的系统通过公共信息协商模块、秘密数据预处理模块、安全多方加法计算与通信模块和最大值区间计算模块进行多方安全计算，具体包括以下处理过程：

(1)公共信息协商模块协商确定有效取值范围并划分区间；

(1.1)公共信息协商模块协商确定有效取值范围；

(1.2)公共信息协商模块取不同的整数，将有效取值范围划分取值区间；

(2)秘密数据预处理模块确定秘密信息所处的取值区间序号，并进行计算；

(2.1)秘密数据预处理模块确定秘密信息所处的取值区间序号；

(2.2)秘密数据预处理模块计算预处理结果z_i；

(3)安全多方加法计算与通信模块与其他实体进行安全多方求和计算；

安全多方加法计算与通信模块以预处理结果z_i为秘密信息进行安全多方求和计算；

(4)最大值区间计算模块计算最大值所在的区间序号；

(5)判断是否需要更精确的最大值，如果是，则以计算出的最大值有效区间为新的有效取值范围，继续步骤(1)。

本发明的具体实施方式中，本发明涉及一种用于计算近似最大值的多方安全计算实现方法，多个参与实体各自拥有自己的秘密数据，在不泄露自身秘密数据的条件下多方协同找到所有参与实体秘密数据的近似最大值。各参与实体首先协商确定有效取值区间划分的公共信息，再各自根据其秘密数据所在的区间序号进行预处理，然后对预处理后的中间数据进行安全多方加法计算，最后各参与实体单独将求和结果还原成秘密数据最大值所在区间的序号，从而确定所有参与实体秘密数据最大值所在的区间。本发明可实现在通信复杂度不超过O(n²)的情况下，实现近似最大值的安全多方计算。

本发明针对现有安全多方计算协议无法在多项式通信复杂度下计算最大值的问题，提出一种用于计算近似最大值的多方安全计算实现方法及系统。

本发明所提出的系统含有多个参与安全多方计算的实体，每个实体都拥有一个不希望泄露的秘密整数数据，并期望找出所有参与实体间秘密整数数据的近似最大值。

每个实体都拥有一个公共信息协商模块、秘密数据预处理模块、安全多方加法计算与通信模块、最大值区间计算模块的子系统，如图1所示。

本发明具体步骤包括：

步骤1)n个参与实体p₁…p_n通过公共信息协商模块确定公共信息，包括有效取值范围R＝[a,b]，并取t+1个不同的整数v₀,v₁,v₂,…,v_t，使得：a＝v₀<v₁<v₂<…<v_t＝(b+1)；从而将R分为t个取值区间S₁,S₂,…,S_t，其中：S_i＝[v_i-1,v_i)，1≤i≤t。

步骤2)每个实体p_i通过本地秘密数据预处理模块确定其秘密信息x_i所处的取值区间序号k_i，并计算：

。

步骤3)每个实体p_i以z_i作为其秘密信息，使用本地安全多方计算模块和通信模块与其他实体进行安全多方加法计算，得到f(z₁,z₂,…,z_n)＝z₁+z₂+…+z_n。

步骤4)每个实体p_i得到z＝f(z₁,z₂,…,z_n)后，使用本地最大值区间计算模块计算

k就是最大值max(x₁,x₂,…,x_n)所在的区间的序号。

本发明的实施例涉及一种用于计算近似最大值的安全多方计算实现方法，对应n个参与实体，每个实体拥有一个秘密信息x_i，在通信复杂度不超过O(n²)的情况下，安全计算出所有秘密信息的最大值所在的区间，即不泄露自身的秘密信息泄露给其他参与实体。

本实施例具体包括以下步骤：

步骤1)n个参与实体通过公共信息协商模块共同协商确定一个有效取值范围R＝[a,b]，将来参与运算的所有实体秘密数据均落在该区间中。

步骤2)n个参与实体协商选取t+1个不同的整数v₀,v₁,v₂,…,v_t，使得：a＝v₀<v₁<v₂<…<v_t＝(b+1)；从而将R划分为t个区间S₁,S₂,…,S_t，其中：S_i＝[v_i-1,v_i)，1≤i≤t。

本实施例划分区间的方法是以2进制位数划分区间，令

然后取v₀＝a，v_i＝a+2^i-1(1≤i≤t–1)，v_t＝b+1，从而形成t个区间。

对于R区间长度较小的情形，可采用定长区间划分法，选定一个区间长度l，令t＝

然后取v₀＝a，v_i＝a+il(1≤i≤t–1)，v_t＝b+1，从而形成t个区间。

步骤3)每个实体p_i均使用秘密数据预处理模块对其秘密数据x_i做如下处理：令s_i等于x_i所在的区间序号，

。

步骤4)每个实体p_i使用安全多方计算模块，以z_i作为其秘密信息，进行一次多项式安全多方计算，得到f(z₁,z₂,…,z_n)＝z₁+z₂+…+z_n。

步骤5)每个实体p_i得到z＝f(z₁,z₂,…,z_n)后，使用最大值区间计算模块，计算

则每个实体均可知晓秘密数据最大值落在区间S_k＝[v_k-1,v_k]中。

步骤6)如需获得更精确的最大值，可重复步骤1到步骤5，以S_k＝[v_k-1,v_k]为新的有效取值范围，对S_k＝[v_k-1,v_k]划分为t个新区间。对于不在S_k＝[v_k-1,v_k]范围内(即小于v_k-1)的秘密数据，可近似归到第1个新区间，不影响最大值区间号的计算。

本发明中，n个参与实体p_i，各自拥有一个秘密整数数据，通过公共信息协商模块确定秘密数据范围R＝[a,b]、将R划分为t个区间S₁,S₂,…,S_t并作为公共信息，每个参与实体的秘密数据预处理模块根据其秘密数据所在的区间进行预处理，即令k_i等于秘密数据x_i所在的区间序号，计算预处理结果

然后通过安全多方计算模块将预处理后的数据进行求和安全多方计算，最后使用最大值区间计算模块将求和结果还原成秘密数据最大值所在区间的序号

即秘密数据最大值位于区间S_k中。

采用了本发明的基于计算机软件实现近似最大值计算的安全多方计算控制方法及相应的系统，与现有技术无法实现多项式通信复杂度的最大值安全多方计算相比，本发明可以在通信复杂度O(n²)的情况下，计算出最大值所在的区间，其原因是本发明的通信仅用于一轮安全多方计算。在通信复杂度不超过O(n²)的情况下，安全计算出所有秘密信息的最大值所在的区间，即不泄露自身的秘密信息给其他参与实体。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (6)

1.一种基于计算机软件实现近似最大值计算的安全多方计算控制方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

(1)公共信息协商模块协商确定有效取值范围并划分区间；

(2)秘密数据预处理模块确定秘密信息所处的取值区间序号，并进行计算；所述的步骤(2)具体包括以下步骤：

(2.1)秘密数据预处理模块确定秘密信息所处的取值区间序号；即每个实体p_i通过本地秘密数据预处理模块确定其秘密信息x_i所处的取值区间序号k_i，；

(2.2)秘密数据预处理模块计算预处理结果z_i，即

其中n为参与计算的实体总数；

(3)安全多方加法计算与通信模块与其他实体进行安全多方求和计算；所述的步骤(3)具体为：

安全多方加法计算与通信模块以预处理结果z_i为秘密信息进行安全多方求和计算，即每个实体p_i以z_i作为其秘密信息，使用本地安全多方加法计算模块与通信模块与其他实体进行安全多方加法计算，得到f(z₁,z₂,…,z_n)＝z₁+z₂+…+z_n；

(4)最大值区间计算模块计算最大值所在的区间序号；所述的步骤(4)具体为：

每个实体p_i得到z＝f(z₁,z₂,…,z_n)后，使用本地最大值区间计算模块计算

k就是最大值max(x₁,x₂,…,x_n)所在的区间的序号。

2.根据权利要求1所述的基于计算机软件实现近似最大值计算的安全多方计算控制方法，其特征在于，所述的步骤(1)具体包括以下步骤：

(1.1)公共信息协商模块协商确定有效取值范围；

(1.2)公共信息协商模块取不同的整数，将有效取值范围划分取值区间。

3.根据权利要求1所述的基于计算机软件实现近似最大值计算的安全多方计算控制方法，其特征在于，所述的方法还包括以下步骤：

(5)判断是否需要更精确的最大值，如果是，则以计算出的最大值有效区间为新的有效取值范围，继续步骤(1)。

4.一种基于计算机软件实现近似最大值计算的安全多方计算控制系统，其特征在于，所述的系统包括多个实体，每个实体包括公共信息协商模块、秘密数据预处理模块、安全多方加法计算与通信模块和最大值区间计算模块，所述的秘密数据预处理模块与公共信息协商模块相连接，所述的安全多方加法计算与通信模块与所述的秘密数据预处理模块相连接，所述的最大值区间计算模块与所述的安全多方加法计算与通信模块相连接，所述的多个实体的公共信息协商模块互相连接，所述的多个实体的安全多方加法计算与通信模块互相连接；

所述的系统通过公共信息协商模块、秘密数据预处理模块、安全多方加法计算与通信模块和最大值区间计算模块进行多方安全计算，具体包括以下处理过程：

(1)公共信息协商模块协商确定有效取值范围并划分区间；

(2)秘密数据预处理模块确定秘密信息所处的取值区间序号，并进行计算；所述的处理过程(2)具体包括以下步骤：

(2.1)秘密数据预处理模块确定秘密信息所处的取值区间序号；即每个实体p_i通过本地秘密数据预处理模块确定其秘密信息x_i所处的取值区间序号k_i，；

(2.2)秘密数据预处理模块计算预处理结果z_i，即

其中n为参与计算的实体总数；

(3)安全多方加法计算与通信模块与其他实体进行安全多方求和计算；所述的处理过程(3)具体为：

安全多方加法计算与通信模块以预处理结果z_i为秘密信息进行安全多方求和计算，即每个实体p_i以z_i作为其秘密信息，使用本地安全多方加法计算模块与通信模块与其他实体进行安全多方加法计算，得到f(z₁,z₂,…,z_n)＝z₁+z₂+…+z_n；

(4)最大值区间计算模块计算最大值所在的区间序号；所述的处理过程(4)具体为：

每个实体p_i得到z＝f(z₁,z₂,…,z_n)后，使用本地最大值区间计算模块计算

k就是最大值max(x₁,x₂,…,x_n)所在的区间的序号。

5.根据权利要求4所述的基于计算机软件实现近似最大值计算的安全多方计算控制系统，其特征在于，所述的步骤(1)具体包括以下步骤：

(1.1)公共信息协商模块协商确定有效取值范围；

(1.2)公共信息协商模块取不同的整数，将有效取值范围划分取值区间。

6.根据权利要求4所述的基于计算机软件实现近似最大值计算的安全多方计算控制系统，其特征在于，所述的处理过程还包括以下步骤：

(5)判断是否需要更精确的最大值，如果是，则以计算出的最大值有效区间为新的有效取值范围，继续步骤(1)。

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