CN111832044A - 一种安全的协同计算处理方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种安全的协同计算处理方法及系统，所述系统包括N个计算主机节点，根据各自采集的数据N个计算主机节点协同完成数据的处理；各计算主机节点内部硬件配置有存储单元、处理器单元、传感器单元、总线和通信接口，同时各计算主机节点上部署传感器采集功能模块、数据加密模块、数据分享模块、序列生成模块、逻辑处理模块、结果汇总模块。本发明结合了传感数据隐藏和数据加密机制，在保证协同计算安全性的前提下降低协同计算处理主机节点之间的通信量，提升系统综合效能。

Description

一种安全的协同计算处理方法及系统
技术领域
本发明涉及分布式系统和数据安全技术领域，尤其涉及一种安全的协同计算处理方法及系统。
背景技术
近年来，物联网作为互联网、传感器网的延伸与扩展,也面临着许多安全问题。分布式协同计算任务中需要多个计算主机节点共同参与，协同计算任务可能在彼此信任的用户之间发生，此情形下的协同计算容易实现。然而当在彼此不完全信任甚至是处于竞争的用户之间需要进行协同计算时，由于担也自己的隐私或数据的安全，用户往往希望协同计算的过程中其余任意的合作节点都无法获得也无法推导出自己的秘密输入信息，此情形的协同计算就变得复杂起来。现实场景中往往为了确保数据的安全，很多情況下都不得不被迫放弃合作。
安全的多方协同计算机制就是为了解决这类保护隐私的合作问题。为了保护各个计算主机节点的数据安全，通常结合数据隐藏和数据加密机制完成节点之间的交互和协同处理。分布式安全的多方协同计算的早期研究主要着重在基础理论的研究，要求参与的计算主机节点仅仅得到自己的结果，除此之外无法获知其它节点输入数据。在大多数参与的计算主机节点是诚实的情况下，所有协同计算问题在理论上比较容易设计出相应的安全协同计算解决方案，并给出安全多方计算问题的具体解决方案。但由于实际应用中通常难以确保所有的计算主机节点是诚实可信的，因此需要数据隐藏和协作的构造方法。尽管国内外对安全协同计算的研究发展有许多理论和应用成果，但目前对物联网场景下的安全协同计算协议方面的研究还比较少，现有协同计算的数据隐藏技术机制过于复杂，存在通信频率大和协议复杂等问题，导致消耗大量的通信资源和计算资源，难以直接推广到实际应用中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种安全的协同计算处理方法及系统，解决现有的分布式计算系统中通过隐藏各自参数值的安全方式完成协作任务时节点之间通信频率高以及通信数据量大的问题，降低数据安全机制对协作系统的性能影响。
本发明的协同计算处理方法及系统是这样实现的：一种安全的协同计算处理系统，包括N个计算主机节点，根据各自采集的数据，N个计算主机节点协同完成数据的处理，N个计算主机节点之间通过网络互联设备通信；
所述的N个计算主机节点内部硬件配置有存储单元、处理器单元、传感器单元、通信接口和内部总线；
所述的N个计算主机节点上部署传感器采集功能模块、数据加密模块、数据分享模块、序列生成模块、逻辑处理模块和结果汇总模块；
所述的传感器采集功能模块用于通过计算主机节点上连接的传感器获取感知的数据；所述的数据加密模块用于将明文数据加密生成密文数据，将密文数据解密还原得到明文数据；所述的数据分享模块通过网络接口实现不同计算主机节点之间的数据发送和接收；所述的序列生成模块根据协同计算机制为不同计算主机节点生成待处理的运算集合；所述的逻辑处理模块基于参数值和运算集合实现得到节点计算结果；所述的结果汇总模块用于收集各计算主机节点逻辑处理模块得到的节点计算结果值，并处理得到总结果值。
一种安全的协同计算处理方法，包括以下步骤：
S1，根据配置的触发规则，启动一个协同计算处理过程；
S2，N个计算主机节点各自通过传感器采集功能模块获取数据作为参数值；
S3，通过数据加密模块和数据分享模块，N个计算主机节点相互之间分享加密的参数值；
S4，通过序列生成模块、数据加密模块和数据分享模块，N个计算主机节点相互之间分享加密的待运算序列；
S5，通过数据加密模块，解密提取待运算序列，通过逻辑处理模块和解密的待运算序列，N个计算主机节点各自计算出节点结果值；
S6，通过数据加密模块，获得N个计算主机节点加密的节点计算结果值；
S7，通过数据分享模块和结果汇总模块，获取N个计算主机节点的加密的节点计算结果值；
S8，通过数据加密模块，基于各节点加密的节点计算结果值，处理得到总结果值，完成阶段性的协同计算处理任务，转至S1。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：(1)采用传感数据隐藏机制，可以保证计算主机节点之间传感数据互不知晓，避免原始数据泄露；(2)采用数据加密机制，可以保证计算主机节点之间交互数据的安全性；(3)采用计算主机节点的协同处理模式，提升计算任务的效能；(4)采用精简的传感数据隐藏和数据加密方式，可以降低节点之间通信的次数，降低对分布式计算系统性能的影响。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明实施例所提供的一种安全的协同计算处理系统中计算主机节点的组成框图。
图2是本发明实施例所提供的第一种安全的协同计算处理系统的组成框图。
图3是本发明实施例所提供的第二种安全的协同计算处理系统的组成框图。
图4是本发明实施例所提供的一种安全的协同计算处理系统中计算主机节点的软件模块组成图。
图5是本发明实施例所提供的一种安全的协同计算处理方法流程图。
具体实施方式
本发明提供一种安全的协同计算处理系统，所述系统包括N个计算主机节点，根据各自采集的数据，N个计算主机节点协同完成数据的处理，N个计算主机节点之间通过网络互联设备通信。
所述的N个计算主机节点内部硬件配置有存储单元、处理器单元、传感器单元、通信接口和内部总线。
所述的N个计算主机节点上部署传感器采集功能模块、数据加密模块，数据分享模块，序列生成模块，逻辑处理模块，结果汇总模块。所述的传感器采集功能模块主要实现通过计算主机节点上连接的传感器获取感知的数据，不同主机节点上连接的传感器可以相同，也可以不相同。所述的数据加密模块主要实现通过密钥将明文数据加密生成密文数据，将密文数据解密还原得到明文数据。所述的数据分享模块主要通过网络接口实现不同计算主机节点之间的数据发送和接收。所述的序列生成模块主要根据协同计算机制为不同计算主机节点生成待处理的运算集合。所述的逻辑处理模块主要基于参数值和运算集合实现得到节点计算结果。所述的结果汇总模块主要实现收集各计算主机节点逻辑处理模块得到的节点计算结果值，并处理得到总结果值。
基于上述系统，本发明还提供一种安全的协同计算处理方法，包括以下步骤：
S1，根据配置的触发规则，启动一个协同计算处理过程；
S2，N个计算主机节点各自通过传感器采集功能模块获取数据作为参数值；
S3，通过数据加密模块和数据分享模块，N个计算主机节点相互之间分享加密的参数值；
S4，通过序列生成模块、数据加密模块和数据分享模块，N个计算主机节点相互之间分享加密的待运算序列；
S5，通过数据加密模块，解密提取待运算序列，通过逻辑处理模块和解密的待运算序列，N个计算主机节点各自计算出节点结果值；
S6，通过数据加密模块，获得N个计算主机节点加密的节点计算结果值；
S7，通过数据分享模块和结果汇总模块，获取N个计算主机节点的加密的节点计算结果值；
S8，通过数据加密模块，基于各节点加密的节点计算结果值，处理得到总结果值，完成阶段性的协同计算处理任务，转至S1。
进一步的，步骤S1中的触发规则为协同计算处理过程采用的触发条件，可以根据定时周期性触发，也可以根据事件触发，如达到特定时间或受到包含触发命令的消息。
进一步的，步骤S1中的协同计算处理过程为要求能够采用多项式函数表达式表示的计算任务，对于以各个主机节点的参数值为变量或非多项式表达的计算任务，可以使用泰勒公式将其转化为多项式表达的形式。
进一步的，步骤S1中的协同计算处理过程为能够采用多项式函数表达式表示的计算任务，对于以各个主机节点的参数值为变量或非多项式表达的计算任务，可以使用泰勒公式将其转化为多项式表达的形式。
进一步的，步骤S2中的N个计算主机节点为由多个互不相信的计算主机节点，可以是相同配置的同类节点，也可以是不同配置的异构节点，即一个计算主机节点可以是手持平板、智能手机、台式电脑、服务器或智能设备等具有计算和交互功能的设备，一个计算主机节点也可以是由多个上述节点集成的复杂信息系统。
进一步的，步骤S2中的参数值为驱动协同计算任务的输入参数值，可以是通过计算主机节点的传感器获取的数字、字符串、集合、向量、矩阵、图片、音频或视频等数字化数据。
进一步的，步骤S3中的数据加密模块为将明文转化为密文的功能模块，处理的数据包括参数值、待运算序列，节点计算结果值。
进一步的，步骤S3中的数据分享模块为协作计算主机节点之间完成加密数据的交互的功能模块，这些交互数据包括加密的参数值、加密的待运算序列、加密的节点计算结果值。
进一步的，步骤S3中的加密的参数值为以随机数作为多项式的变量、传感器获取的参数值作为多项式的系数，计算得到的多项式。
进一步的，步骤S4中的序列生成模块为根据计算主机节点标识和对应计算主机节点的加密参数值产生待运算序列的功能模块，待运算序列成员由n－1次多项式函数构成。
进一步的，步骤S4中的加密的待运算序列为根据计算主机节点提供的公钥，通过数据加密模块生成的待运算序列的密文。
进一步的，步骤S5中的逻辑处理模块为计算主机节点利用待运算序列和预定计算程序得到局部节点计算结果的功能模块。
进一步的，步骤S5中的解密的待运算序列为利用计算主机节点的私钥通过数据加密模块得到的待运算序列明文。
进一步的，步骤S6中的加密的节点计算结果值为根据计算主机节点提供的公钥，通过数据加密模块生成的节点计算结果值的密文。
进一步的，步骤S7中的结果汇总模块为汇总协同计算任务所有加密的节点计算结果值的功能模块，具体实施中每个计算周期，仅需要一个计算主机节点启动该模块。
进一步的，步骤S8中的总结果值为利用汇总计算主机节点的私钥通过数据加密模块得到的协同计算任务的总结果值。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的方法和方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例
图1为本发明实施例所提供的一种安全的协同计算处理系统中计算主机节点的组成框图，计算主机节点1包括传感器单元2、处理器单元3、存储单元4、通信接口5和内部总线6，其中处理器单元3为通用CPU或嵌入式CPU。协同计算处理系统中计算主机节点可以是相同配置的同类节点，也可以是不同配置的异构节点，即一个计算主机节点可以是手持平板、智能手机、台式电脑、服务器或智能设备等具有计算和交互功能的设备，一个计算主机节点也可以是由多个上述节点集成的复杂信息系统。
图2为本发明实施例所提供的第一种安全的协同计算处理系统的组成框图，系统包括计算主机节点A、计算主机节点B、计算主机节点C三个成员，三个计算主机节点通过有线的网络互联设备7相互连接。
图3为本发明实施例所提供的第二种安全的协同计算处理系统的组成框图，系统包括计算主机节点A、计算主机节点B、计算主机节点C等N个成员，N个计算主机节点通过无线的网络互联设备7相互连接。
图4是本发明实施例所提供的一种安全的协同计算处理系统中计算主机节点的软件模块组成图。各计算主机节点上分别部署传感器采集功能模块8、数据加密模块9、数据分享模块10、序列生成模块11、逻辑处理模块12、结果汇总模块13。所述的传感器采集功能模块8主要实现通过计算主机节点上连接的传感器获取感知的数据，不同主机节点上连接的传感器可以相同，也可以不相同。所述的数据加密模块9主要实现将明文数据加密生成密文数据，将密文数据解密还原得到明文数据。所述的数据分享模块10主要通过网络接口实现不同计算主机节点之间的数据发送和接收。所述的序列生成模块11主要根据协同计算机制为不同计算主机节点生成待处理的运算集合。所述的逻辑处理模块12主要基于参数值和运算集合实现得到节点计算结果。所述的结果汇总模块13主要实现收集各计算主机节点逻辑处理模块得到的节点计算结果值，并处理得到总结果值。
图5是本发明实施例所提供的一种安全的协同计算处理方法的流程图，所述方法包括以下过程：
S1，根据配置的触发规则，启动一个协同计算处理过程；
S2，N个计算主机节点各自通过传感器采集功能模块获取数据作为参数值；
S3，通过数据加密模块和数据分享模块，N个计算主机节点相互之间分享加密的参数值；
S4，通过序列生成模块、数据加密模块和数据分享模块，N个计算主机节点相互之间分享加密的待运算序列；
S5，通过数据加密模块，解密提取待运算序列，通过逻辑处理模块和解密的待运算序列，N个计算主机节点各自计算出节点结果值；
S6，通过数据加密模块，获得N个计算主机节点加密的节点计算结果值；
S7，通过数据分享模块和结果汇总模块，获取N个计算主机节点的加密的节点计算结果值；
S8，通过数据加密模块，基于各节点加密的节点计算结果值，处理得到总结果值，完成阶段性的协同计算处理任务，转至S1。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种安全的协同计算处理系统，其特征在于：所述系统包括N个计算主机节点，根据各自采集的数据，N个计算主机节点协同完成数据的处理，N个计算主机节点之间通过网络互联设备通信；
所述的N个计算主机节点内部硬件配置有存储单元、处理器单元、传感器单元、通信接口和内部总线；
所述的N个计算主机节点上部署传感器采集功能模块、数据加密模块、数据分享模块、序列生成模块、逻辑处理模块和结果汇总模块；
所述的传感器采集功能模块用于通过计算主机节点上连接的传感器获取感知的数据；所述的数据加密模块用于将明文数据加密生成密文数据，将密文数据解密还原得到明文数据；所述的数据分享模块通过网络接口实现不同计算主机节点之间的数据发送和接收；所述的序列生成模块根据协同计算机制为不同计算主机节点生成待处理的运算集合；所述的逻辑处理模块基于参数值和运算集合实现得到节点计算结果；所述的结果汇总模块用于收集各计算主机节点逻辑处理模块得到的节点计算结果值，并处理得到总结果值。
2.一种基于权利要求1所述系统的协同计算处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，根据配置的触发规则，启动一个协同计算处理过程；
S2，N个计算主机节点各自通过传感器采集功能模块获取数据作为参数值；
S3，通过数据加密模块和数据分享模块，N个计算主机节点相互之间分享加密的参数值；
S4，通过序列生成模块、数据加密模块和数据分享模块，N个计算主机节点相互之间分享加密的待运算序列；
S5，通过数据加密模块，解密提取待运算序列，通过逻辑处理模块和解密的待运算序列，N个计算主机节点各自计算出节点结果值；
S6，通过数据加密模块，获得N个计算主机节点加密的节点计算结果值；
S7，通过数据分享模块和结果汇总模块，获取N个计算主机节点的加密的节点计算结果值；
S8，通过数据加密模块，基于各节点加密的节点计算结果值，处理得到总结果值，完成阶段性的协同计算处理任务，转至S1。
3.根据权利要求2所述的安全的协同计算处理方法，其特征在于，步骤S1中的触发规则为协同计算处理过程采用的触发条件，根据定时周期性触发，或者根据事件触发；
协同计算处理过程为要求能够采用多项式函数表达式表示的计算任务，对于以各个主机节点的参数值为变量或非多项式表达的计算任务，使用泰勒公式将其转化为多项式表达的形式。
4.根据权利要求2所述的安全的协同计算处理方法，其特征在于：步骤S2中的参数值为驱动协同计算任务的输入参数值，是通过计算主机节点的传感器获取的数字、字符串、集合、向量、矩阵、图片、音频或视频。
5.根据权利要求2所述的安全的协同计算处理方法，其特征在于：步骤S3中的数据加密模块加密数据包括参数值、待运算序列、节点计算结果值；
数据分享模块分享数据包括加密的参数值、加密的待运算序列、加密的节点计算结果值；
加密的参数值为以随机数作为多项式的变量、传感器获取的参数值作为多项式的系数，计算得到的多项式。
6.根据权利要求2所述的安全的协同计算处理方法，其特征在于：步骤S4中的序列生成模块为根据计算主机节点标识和对应计算主机节点的加密参数值产生待运算序列的功能模块；加密的待运算序列为根据计算主机节点提供的公钥，通过数据加密模块生成的待运算序列的密文。
7.根据权利要求2所述的安全的协同计算处理方法，其特征在于：步骤S5中的逻辑处理模块利用待运算序列和预定计算程序得到局部节点计算结果，解密的待运算序列为利用计算主机节点的私钥通过数据加密模块得到的待运算序列明文。
8.根据权利要求2所述的安全的协同计算处理方法，其特征在于：步骤S6中加密的节点计算结果值为根据计算主机节点提供的公钥，通过数据加密模块生成的节点计算结果值的密文。
9.根据权利要求2所述的安全的协同计算处理方法，其特征在于：步骤S7中的结果汇总模块用于汇总协同计算任务所有加密的节点计算结果值，每个计算周期，仅需要一个计算主机节点启动该模块。
10.根据权利要求2所述的安全的协同计算处理方法，其特征在于：步骤S8中的总结果值为利用汇总计算主机节点的私钥通过数据加密模块得到的协同计算任务的总结果值。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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CB02 Change of applicant information

Address after: 222001 No.18 Shenghu Road, Lianyungang City, Jiangsu Province

Applicant after: The 716th Research Institute of China Shipbuilding Corp.

Address before: 222001 No.18 Shenghu Road, Lianyungang City, Jiangsu Province

Applicant before: 716TH RESEARCH INSTITUTE OF CHINA SHIPBUILDING INDUSTRY Corp.

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GR01 Patent grant
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