CN112819594A - 一种基于联盟链的隐私保护动态频谱拍卖方法 - Google Patents

一种基于联盟链的隐私保护动态频谱拍卖方法 Download PDF

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王然
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Abstract

本发明公开了一种基于联盟链的隐私保护动态频谱拍卖方法，首先，构建基于区块链的频谱资源交易市场；所述市场包括频谱资源出租方、频谱资源承租方和中间方；其次，利用智能合约实现出价的逻辑；采用非对称加密、拉普拉斯隐私保护机制对交易过程中客户的隐私进行保护；最后，在交易过程中，中间人利用双拍卖机制根据智能合约中存储的混淆后的出价进行资源的分配以及定价，双拍卖机制中的资源分配策略是基于最大化社会福利的目标。本发明实现了基于联盟链的动态频谱资源拍卖，对客户隐私信息进行了保护，同时也提高了频谱资源利用率。

Description

一种基于联盟链的隐私保护动态频谱拍卖方法
技术领域
本发明属于区块链、隐私保护和拍卖等领域，具体涉及一种利用拉普拉斯机制保护基于联盟链的动态频谱双拍卖过程中用户隐私的方法。
背景技术
当前移动无线通信不断增长的需求所面临的主要挑战是固定的无线频谱资源分配。为了使移动设备用户对于任何应用的需求和能够随时随地进行连接，需要更多的频谱带宽或者是更有效的利用现阶段使用的频谱。例如解决无线传感器网络中的频谱资源稀缺问题的一种方法是引入能够监视频谱资源的次级用户，当发现频谱是空闲的状态就传输数据。此类共享方案及其相应的媒体访问控制中的安全问题是很多专家学者的研究兴趣之所在。
区块链是一种能够安全更新和迭代的分布式数据库。尽管相关的概念从90年代初就已经出现，但是直到近些年才有使用区块链的应用问世，且这些应用主要面向安全的私方金融交易服务，例如比特币。区块链技术可以通过降低程序成本，减少交易错误，提高总体安全性和建立分布式架构等改善金融交易信息的记录和共享。这种分布式的方式消除了中心化系统中心点故障的敏感性和脆弱性。利用区块链网络中各个节点的计算能力，网络可以验证和支持每一笔交易并把它们记录在分布式数据库中。在虚拟交易中使用区块链的主要思想是并不将用户的相关信息以中心化的方式存储在中心节点，而是记录在用户间共同维护的区块链中。
现有的许多基于区块链的频谱资源共享的工作都引入了区块链技术作为交易的平台。但是在交易的过程中，用户不可避免地会上传一些个人信息，如自己的编号或者钱包地址和资源需求以及出价信息等。区块链能够提供一定的匿名性，但该匿名性需要根据区块链应用场景做出一定的妥协与让步。如在联盟链中，因为加入联盟链的各个节点都需要经过可信实体进行审核，所以匿名性在一定程度上并不存在。在公有链上，匿名性的情况会有所改观，由于私钥公钥在本地均可以生成，且与自身利益绑定的私钥并不需要上传区块链网络。利用私钥可以产生上百万的公钥以及钱包地址，在一定的程度上能提供匿名性。但在区块链网络中的，匿名性实际上是非实名，因为虽然一个节点能够使用的地址很多，但也可以能被追踪的。所以，在利用区块链作为交易平台的方案中，用户的交易信息并不能得到很好的保护。在基于区块链的频谱共享平台中，用户对于相应频谱资源的出价也隐含着其对于不同信道的偏好，传输数据的偏好等隐私信息。所以为了保护用户的隐私信息，也需要考虑如何在基于区块链的频谱资源平台中结合区块链技术的特点来保护用户的隐私。但是，目前的基于区块链的频谱资源共享的工作鲜有考虑如何在利用区块链技术的过程中也添加对交易各方隐私信息的保护。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种基于联盟链的隐私保护动态频谱拍卖方法，实现基于区块链的动态频谱资源共享，对参与交易用户的隐私信息进行了保护，同时也提高了频谱资源利用率。
技术方案：本发明所述的一种基于联盟链的隐私保护动态频谱拍卖方法，具体包括以下步骤：
(1)构建基于区块链的频谱资源交易市场；所述市场包括频谱资源出租方、频谱资源承租方和中间方；
(2)利用智能合约实现出价的逻辑；采用非对称加密、拉普拉斯隐私保护机制对交易过程中客户的隐私进行保护；
(3)在交易过程中，中间人利用双拍卖机制根据智能合约中存储的混淆后的出价进行资源的分配以及定价，双拍卖机制中的资源分配策略是基于最大化社会福利的目标。
进一步地，步骤(1)所述的中间方为区块链网络中的超级节点，通过制定规则、上线智能合约，维持区块链网络中频谱资源拍卖功能。
进一步地，所述步骤(2)实现过程如下：
频谱资源出租方通过与承租方与智能合约进行交互后得到拍卖人上传的公钥来对自己资源相关信息如报价进行公钥加密，并将加密后的结果与智能合约交互后记录到区块链之中；利用智能合约收集资源出租方与承租方的在进行非对称加密后的初始出价，中间方在对出价信息解密后利用智能合约计算运行差分隐私机制所需要的参数，并存储在智能合约里；出租方和承租方从区块链中查询得到差分隐私机制参数后对自己的出价添加噪声进行混淆后再次上传。
进一步地，步骤(2)所述差分隐私机制对客户的隐私保护实现过程如下：
在出价过程中引入了拉普拉斯隐私保护机制：在上传出价信息前，交易各方根据记录在区块链中参数产生符合要求的拉普拉斯噪声添加至自己的出价中。
进一步地，所述步骤(3)实现过程如下：智能合约依照最大化社会福利水平的目标对资源进行分配，并将能够提供最大化社会福利水平的资源分配方案作为分配方案，并在此分配方案基础上进行定价，清盘价被设置为：pc＝kbn+(1-k)am；其中bn是匹配成功的买方的最低出价，am是匹配成功的卖方的最高出价，k是介于0与1之间的参数；再将分配方案以及资源定价上传智能合约，记录在区块链中，供区块链网络中的各个节点进行验证以及交易。
有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明利用区块链相关技术结合差分隐私和拍卖进行动态频谱资源交易的方案，实现了基于区块链的动态频谱资源共享，对客户隐私信息进行了保护，同时也提高了频谱资源利用率。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为基于区块链的具有隐私保护功能的动态频谱共享系统框架图；
图3为基于区块链的具有隐私保护功能的动态频谱共享系统软件架构图；
图4为拉普拉斯隐私保护机制对于频谱资源出租人收益的影响曲线图；
图5为拉普拉斯隐私保护机制对于达成交易的承租方数量的影响曲线图；
图6为拉普拉斯隐私保护机制对于社会福利的影响曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明提出一种基于联盟链的隐私保护动态频谱拍卖方案，如图1所示，首先，构建基于区块链的频谱资源拍卖平台。其次，利用智能合约实现出价的逻辑；采用非对称加密、拉普拉斯隐私保护机制对交易过程中客户的隐私进行保护；即频谱资源出租方通过与承租方与智能合约进行交互后得到拍卖人上传的公钥来对自己资源相关信息如报价进行公钥加密，并将加密后的结果与智能合约交互后记录到区块链之中。利用智能合约收集资源出租方与承租方的在进行非对称加密后的初始出价，中间方在对出价信息解密后利用智能合约计算运行差分隐私机制所需要的参数，并存储在智能合约里，出租方和承租方从区块链中查询得到差分隐私机制参数后对自己的出价添加噪声进行混淆后再次上传；最后，在交易过程中，中间方利用双拍卖机制根据智能合约中存储的混淆后的出价进行资源的分配以及定价，双拍卖机制中的资源分配策略是基于最大化社会福利的目标。
在Linux下利用Truffle框架搭建联盟区块链，并利用remix来编写智能合约。在前端的编写中利用web3.js等工具与智能合约进行交互来实现用户上传出价信息、非对称加密以及差分隐私的逻辑。利用python语言搭建的服务器来实现双边拍卖逻辑。
如图2所示，本发明提出的基于联盟链的隐私保护动态频谱拍卖方法包含三个实体分别是频谱资源出租方、频谱资源承租方以及中间方。这三个实体均可作为区块链网络中的一个节点。其中中间方节点作为区块链网络中的超级节点，制定规则、上线智能合约、维持区块链网络的运行。所有的节点在进入区块链网络前都会经过验证，并提交一定数量的代币作为抵押。一旦发生不诚信的交易行为，该抵押金将会被扣除。在每一个交易时隙均会有一个中间方被选为拍卖方，它会生成一个包含交易逻辑的智能合约，并随机产生一个公钥以constructor的形式存入该智能合约。出租方将会把它空闲的频谱资源的详细信息存放在星际文件系统(IPFS)中，并得到一个对应的哈希地址。出租方通过与记录在中间方发布的智能合约进行交互后得到中间方上传的公钥来对自己的哈希地址和对应的资源的报价进行公钥加密并将加密后的结果与智能合约交互后记录到区块链之中。类似的方式，承租方也将自己的需求和出价信息加密后与智能合约交互后记录在区块链之中。一段时间后，拍卖方利用自己的私钥对交易双方记录在区块链中的交易信息进行解密，得到所有客户的出价后设置合理的差分隐私参数记录在智能合约之中。参与交易的客户通过与智能合约进行交互后得到这些参数，并依照这些参数对自己的出价进行加密后再重新上传智能合约。拍卖方通过web3.js与智能合约交互得到各方出价，并调用搭建在本地服务器中的计算资源利用双拍卖机制对资源进行分配得到最终的分配方案并通过web3.js与智能合约交互将结果上传至区块链中。交易双方通过查询记录在智能合约中的方案来达成交易。
本发明搭建了频谱资源交易平台，如图3所示，利用的框架是Truffle框架以及基于Python语言的web框架Django。Truffle是一款针对于以太坊Solidity语言的开发框架，它本身是基于Javascript的。在本发明提出的双拍卖机制中，提高社会福利被作为资源分配的策略。承租方的收益被定义为自己对频谱资源的估价与出价之差。类似的，出租方的收益被定义为自己对出租的频谱资源的出价与估价之差。社会福利被定义为出租方与承租方收益之差。使得社会福利最大的频谱资源分配方案将被作为最终的分配方案。
为了保护在交易过程客户的隐私，本发明引入了差分隐私机制。设有随机算法M,PM为M所有可能输出构成的集合的概率，对于任意两个邻近数据集D1与D2以及,PM的任意子集SM，若算法满足：P[M(D1)∈SM]≤eε×P[M(D2)∈SM]，则成算法M提供ε-差分隐私保护。本发明在出价过程中引入了差分隐私保护方法中的拉普拉斯机制，在上传出价信息前，交易各方根据记录在区块链中参数产生符合要求的拉普拉斯噪声添加至自己的出价中。在一个数据集D中，给定一个函数，机制M能够提供ε-差分隐私保护，如果这个函数能够遵循
Figure BDA0002887202170000051
其中
Figure BDA0002887202170000052
服从拉普拉斯分布，且均值为0，尺度为
Figure BDA0002887202170000053
在上传出价信息前，交易各方根据记录在区块链中参数产生符合要求的拉普拉斯噪声添加至自己的出价中。
智能合约依照最大化社会福利水平的目标对资源进行分配，并将能够提供最大化社会福利水平的资源分配方案作为分配方案，并在此分配方案基础上进行定价，清盘价被设置为：pc＝kbn+(1-k)am；其中bn是匹配成功的买方的最低出价，am是匹配成功的卖方的最高出价，k是介于0与1之间的参数。系统以这个价格作为交易的价格。之后再将分配方案以及资源定价上传智能合约，记录在区块链中，供区块链网络中的各个节点进行验证以及交易
在本实施方式中，出租方的数量被设置为30。承租方的数量被设置为从5到100以5的步长进行递增。用户通过web的方式与智能合约进行交互，进行出价加密以及交易信息提交。为了使实验结果具有一般性，交易双方的出价被设置为从(5.00，11.00)内随机选取。为了说明实验的结果从添加符合差分隐私机制的噪声后对分配结果的影响方向设计实验，相关的实验结果如图4至图6所示所示。图4至图6分别从出租方收益、达成交易的承租方数量以及社会福利在不同差分隐私保护等级下的表现。随着承租方数目的增多，社会福利在开始阶段增长地很快然后慢慢趋于一个定值，出租方的收益以及承租方数量的变化趋势与社会福利类似。实验结果也能够体现出在向出价添加噪声后会引发一些扰动。当ε减小时，扰动将会变大，较小的ε将会带来较高的隐私保护等级，但是这也会导致结果数据可用性降低。

Claims (5)

1.一种基于联盟链的隐私保护动态频谱拍卖方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)构建基于区块链的频谱资源交易市场；所述频谱资源交易市场包括频谱资源出租方、频谱资源承租方和中间方；
(2)利用智能合约实现出价的逻辑；采用非对称加密、拉普拉斯隐私保护机制对交易过程中客户的隐私进行保护；
(3)在交易过程中，中间人利用双拍卖机制根据智能合约中存储的混淆后的出价进行资源的分配以及定价，双拍卖机制中的资源分配策略是基于最大化社会福利的目标。
2.根据权利要求1所述的基于联盟链的隐私保护动态频谱拍卖方法，其特征在于，步骤(1)所述的中间方为区块链网络中的超级节点，通过制定规则、上线智能合约，维持区块链网络中频谱资源拍卖功能。
3.根据权利要求1所述的基于联盟链的隐私保护动态频谱拍卖方法，其特征在于，所述步骤(2)实现过程如下：
频谱资源出租方通过与承租方与智能合约进行交互后得到拍卖人上传的公钥来对自己资源相关信息如报价进行公钥加密，并将加密后的结果与智能合约交互后记录到区块链之中；利用智能合约收集资源出租方与承租方的在进行非对称加密后的初始出价，中间方在对出价信息解密后利用智能合约计算运行差分隐私机制所需要的参数，并存储在智能合约里；出租方和承租方从区块链中查询得到差分隐私机制参数后对自己的出价添加噪声进行混淆后再次上传。
4.根据权利要求1所述的基于联盟链的隐私保护动态频谱拍卖方法，其特征在于，步骤(2)所述差分隐私机制对客户的隐私保护实现过程如下：
在出价过程中引入了拉普拉斯隐私保护机制：在上传出价信息前，交易各方根据记录在区块链中参数产生符合要求的拉普拉斯噪声添加至自己的出价中。
5.根据权利要求1所述的基于联盟链的隐私保护动态频谱拍卖方法，其特征在于，所述步骤(3)实现过程如下：智能合约依照最大化社会福利水平的目标对资源进行分配，并将能够提供最大化社会福利水平的资源分配方案作为分配方案，并在此分配方案基础上进行定价，清盘价被设置为：pc＝kbn+(1k)am；其中bn是匹配成功的买方的最低出价，am是匹配成功的卖方的最高出价，k是介于0与1之间的参数；再将分配方案以及资源定价上传智能合约，记录在区块链中，供区块链网络中的各个节点进行验证以及交易。
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