CN113507356A - 一种密态最短路网距离计算方法、设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种密态最短路网距离计算方法、设备及存储介质。本发明提供一种在道路网络中基于同态加密的高效道路最短距离密文计算的方法,属于信息安全领域和应用密码学领域,包括:将道路网络假设为无向加权平面图,通过使用RNHE方案得到嵌入的道路网络;找到嵌入的道路网络中距离道路网络平面图中的位置最近的两个点;使用类同态加密FV方案在密文域中计算两个点之间的加密道路距离;加密最短道路距离可以通过两点间的加密道路距离和两次同态加法运算得到;本发明仅需要四次同态加(减)和三次同态乘计算就能得到加密最短距离,能够高效精确地计算道路网络中两个位置的最短距离密文,降低了算法复杂度,从而降低了计算和通信开销。
Description
技术领域
本发明是一种计算路网距离的方法,尤其涉及使用同态加密算法计算最短距离的方法、设备及存储介质,属于信息安全领域和应用密码学领域。
背景技术
道路网络已广泛用于科学和工程的许多应用领域,例如路线规划、车辆导航等。高效的道路网络计算系统起着重要作用。它不仅减少了金钱和时间方面的运输成本,而且提高了上层服务的质量。
最短路网距离计算被认为是路网计算中最基本的运算之一,具有广泛的应用。有许多有效的最短距离(路径)算法,如迪克斯特拉算法和贝尔曼福特算法。
目前的大部分道路距离计算方案在计算距离时无法进行加密计算,无法保护用户的隐私,在安全性方面不符合相关规定。
类同态加密(SHE)可以支持有限数量的密文加法和乘法。FV方案是一种流行的SHE方案,它依赖于一个被称为带误差环学习(RLWE)问题的硬计算问题,支持有限次数的类同态加密计算。
发明内容
为了解决现有的用户隐私泄露以及现有方案中通信和计算开销大的问题,本发明提供了一种密态最短路网距离计算的方法、设备及存储介质,本发明的技术方案如下:
方案一:一种密态最短路网距离计算方法,通过将道路网络转化为平面图、使用RNHE方案嵌入道路网络、使用FV方案进行密文压缩并进行优化,完成密态最短路网距离计算;具体步骤如下:
步骤S101,通过将道路网络假设为无向加权平面图;
步骤S102,通过使用RNHE方案处理无向加权平面图,将道路网络转化为嵌入式道路网络;
步骤S103,找出步骤S102中得到的嵌入式道路网络的平面图包含的地点区域,以及所述地点区域中最近的两个点;
步骤S104,在密文域中,使用类同态加密的FV方案对步骤S103得到的所述两个点进行密文压缩;
步骤S105,进行优化过程,计算两次同态加或减法,以及三次同态乘法计算出所述两个点的加密距离;
步骤S106,对所述两个点进行二次同态加法运算,得到步骤S103两个所述地点区域的密态最短路网距离的计算。
进一步地,在步骤S102中,使用所述的RNHE方案,具体步骤如下:
步骤一,通过设置顶点、边和权重,将道路网络转化为无向加权平面图来表示;
步骤二,限定所述无向加权平面图的内表面和外表面,形成一个连通区域;
步骤三,判定步骤二所述的内表面的奇偶性,并设定切割线;
步骤四,找到交替切割线直至达外表面;
步骤五,通过使用RNHE将所述无向加权平面图的顶点转换为布尔向量,最终构建出超立方体,得到嵌入式道路网络。
进一步地,在所述步骤四中,所述交替的切割线是指在奇数面上交替的切割线,可视化为通过图形的线与选定的边相交;
如果切割线在一个奇数面右转,即选择与右对边相交,在遇到的下一个奇数面左转与左对边相交,反之选择与左对边相交,在遇到的下一个奇数面右转,与右对边相交。
进一步地,所述找到交替切割线的步骤细化为:
步骤四一,找到从所述无向加权平面图的每一个边开始,在左右两个方向上前进;
步骤四二,在所有偶数面上取对边,直到在左右两个方向上遇到第一个奇数面;
步骤四三,继续在左右两个方向上前进的同时,于奇数面交替行进方向,直到到达外表面。
进一步地,在步骤S104中,使用所述同态加密的FV方案,具体步骤如下:
步骤S1,设定道路网络,进而构建出一个嵌入式道路网络,并标记所述道路网络中两个顶点计算之间的最短距离;
步骤S2,利用标记所述道路网络中的任一地点区域,以及通过找出与所述地点区域距离最近的顶点的距离,计算任一两个地点区域之间的最短的道路距离;
步骤S3,引入FV,计算在FV中的密文域中两个地点区域之间的最短道路距离。
进一步地,在步骤S105和S106中,所述的优化过程,具体步骤如下:
步骤A,计算所述嵌入式道路网络的中任一两个坐标的打包明文;
步骤B,计算所述嵌入式道路网络的中任一两个坐标的打包密文;
步骤C,基于同态乘法,计算两个坐标的加密的汉明重量;
步骤D,计算所述两个坐标的加密的内积,并根据步骤B得到的两个打包密文,两个坐标之间的加密距离,得到两个所述地点区域之间的最短道路距离。
方案二:一种密态最短路网距离计算设备,包括存储器和处理器,存储器存储有计算机程序,处理器执行所述计算机程序时实现一种密态最短路网距离计算方法的步骤。
方案三:一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,计算机程序被处理器执行时实现上述的一种密态最短路网距离计算方法。
本发明有益效果体现在:
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域的普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为密态最短路网距离计算的方法步骤示意图。
具体实施方式
通过参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示示例性实施例,然而应当理解,可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反,提供这些实施例是为了能够更透彻地理解各个实施方式,并且能够将技术涵盖的范围完整的传达给本领域的技术人员。
具体实施方式一:RNHE方案(道路网络超立方体嵌入技术)关注的是寻找道路网络和保留某些拓扑性质的高维超立方体之间的映射;RNHE的核心是一种基于超立方体嵌入的高效编码技术,用于为道路网络中的节点分配标签;标签之间的汉明距离对应于节点之间的物理距离,可以非常快速地确定道路网络中的最短距离,因此,提出一种基于RNHE方案将道路网络平面图嵌入到超立方体中的方法,包括:
首先,将道路网络用无向加权平面图来表示,它由一组顶点V、边E和权重W组成。每个边(vi,vj)∈E与权重W(vi,vj)相关联,表示该边的道路距离。如果边(vi,vj)的权重为w,我们在vi和vj之间引入w-1个虚拟节点,并为新边赋权值为1;
其次,设一个内表面F是G的一个圈,它限定了一个连通区域,G的外表面是无界面。如果在面中那么边e=(vi,vj)和e′=(v′i,v′j)互为对边,diaF表示的直径。奇数面(偶数面)是指包含奇数(偶数)个边的面。
再次,由于交替切割线是指在奇数面上交替的切割线,可以可视化为通过图形的线,只能与选定的边相交。如果切割线在一个奇数面右转(左转),即选择与右对边相交,那么在它遇到的下一个奇数面左转(右转),即选择与左对边相交。对于的每个边e,包含e的所有交替切割线可以通过以下步骤被找到:从e开始,在两个方向上前进,在所有偶数面上取对边,直到在两个方向上遇到第一个奇数面;然后,在一个奇数面上右转,在下一个奇数面上左转(通过改变奇数面的选择,可以获得更多的交替切割);继续在两个方向上前进,在奇数面交替,直到到达外表面;
最后,通过使用RNHE,顶点vi∈V的坐标被转换为m维的布尔向量vi,嵌入后的道路网络则可表示为ΩH={vi|vi∈V}。将嵌入到m维超立方体中,构建出嵌入式道路网络ΩH的过程如下:找到所有可行的交替切割线对于每一个它可将切割为两个连通子图:和将0加到中每个顶点的坐标上,将1加到中每个顶点的坐标上。显然,m等于交替切割线总数。
具体实施方式二:一种基于类同态加密FV方案的最短道路距离计算的方法,包括:给定一个道路网络可以构建出一个嵌入式道路网络ΩH,V中两个顶点vs,vd的坐标在ΩH中被分别表示为vs=(vs[0],...,vx[m-1])和vd=(vd[0],...,Vd[m-1])。vs和vd之间的最短道路距离为:
其中,distE(·,·)表示精确最短道路距离,distH(·,·)表示汉明距离;
使用FV方案,可以在密文域中计算两个位置ls=(vs,Δs)和ld=(vd,Δd)之间的最短道路距离。一个基本方法是用公钥pkSHE对vs和vd进行逐位加密,以获得两个密文序列:
[[vs]]=<EncSHE(vs[0],pkSHE),...,EncSHE(vs[m-1],pkSHE)>
[[vd]]=<EncSHE(vd[0],pkSHE),...,EncSHE(vd[m-1],pkSHE)>
基于同态运算,加密的distE(ls,ld)可在[[vs]]和[[vd]]的基础上计算得到:
然后,加密的distE(ls,ld)可以使用公式
具体实施方式三:提出一种使用密文压缩的最短道路距离计算的优化方法,可以进一步地降低计算和通信开销,包括:
对于坐标vs=<vs[0],…,vs[m-1]>,用fs(vs)表示其打包明文,具体为:
其中vs被打包为多项式fs(vs)的系数。通过加密fs(vs)来计算vs的打包密文,具体为:
对于坐标vd=<vd[0],…,vd[m-1]>,用fd(vd)表示其打包明文,具体为:
其中vd被打包为多项式fd(vd)的系数。通过加密fd(vd)来计算vd的打包密文,具体为:
则有:
同样的,则:
则有:
计算两个位置ls=(vs,Δs)和ld=(vd,Δd)之间的加密距离,具体为:
在打包密文上计算两个位置之间的最短道路距离,只需要四个同态加法或减法操作和三个同态乘法操作。
具体实施方式四:本领域内的技术人员通过上述实施例提及的方法及计算过程,本实施例可提供为系统(设备)或计算机程序产品。因此,本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式,模块之间也可根据计算机逻辑结构进行重新组织。而且,本实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
根据本实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在一个典型的配置中,计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器,随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式,如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。存储器是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括,但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带,磁带磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质,可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定,计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media),如调制的数据信号和载波。
以上仅为本申请的实施例而已,并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (8)
1.一种密态最短路网距离计算方法,其特征在于:通过将道路网络转化为平面图、使用RNHE方案嵌入道路网络、使用FV方案进行密文压缩并进行优化,完成密态最短路网距离计算;具体步骤如下:
步骤S101,通过将道路网络假设为无向加权平面图;
步骤S102,通过使用RNHE方案处理无向加权平面图,将道路网络转化为嵌入式道路网络;
步骤S103,找出步骤S102中得到的嵌入式道路网络的平面图包含的地点区域,以及所述地点区域中最近的两个点;
步骤S104,在密文域中,使用同态加密的FV方案对步骤S103得到的所述两个点进行密文压缩;
步骤S105,进行优化过程,计算两次同态加或减法,以及三次同态乘法计算出所述两个点的加密距离;
步骤S106,对所述两个点进行二次同态加法运算,得到步骤S103两个所述地点区域的密态最短路网距离的计算。
2.根据权利要求1所述的一种密态最短路网距离计算方法,其特征在于:在步骤S102中,使用所述的RNHE方案,具体步骤如下:
步骤一,通过设置顶点、边和权重,将道路网络转化为无向加权平面图来表示;
步骤二,限定所述无向加权平面图的内表面和外表面,形成一个连通区域;
步骤三,判定步骤二所述的内表面的奇偶性,并设定切割线;
步骤四,找到交替切割线直至达外表面;
步骤五,通过使用RNHE将所述无向加权平面图的顶点转换为布尔向量,最终构建出超立方体,得到嵌入式道路网络。
3.根据权利要求2所述的一种密态最短路网距离计算方法,其特征在于:在所述步骤四中,所述交替的切割线是指在奇数面上交替的切割线,可视化为通过图形的线与选定的边相交;
如果切割线在一个奇数面右转,即选择与右对边相交,在遇到的下一个奇数面左转与左对边相交,反之选择与左对边相交,在遇到的下一个奇数面右转,与右对边相交。
4.根据权利要求3所述的一种密态最短路网距离计算方法,其特征在于:所述找到交替切割线的步骤细化为:
步骤四一,找到从所述无向加权平面图的每一个边开始,在左右两个方向上前进;
步骤四二,在所有偶数面上取对边,直到在左右两个方向上遇到第一个奇数面;
步骤四三,继续在左右两个方向上前进的同时,于奇数面交替行进方向,直到到达外表面。
5.根据权利要求4所述的一种密态最短路网距离计算方法,其特征在于:在步骤S104中,使用所述同态加密的FV方案,具体步骤如下:
步骤S1,设定道路网络,进而构建出一个嵌入式道路网络,并标记所述道路网络中两个顶点计算之间的最短距离;
步骤S2,利用标记所述道路网络中的任一地点区域,以及通过找出与所述地点区域距离最近的顶点的距离,计算任一两个地点区域之间的最短的道路距离;
步骤S3,引入FV,计算在FV中的密文域中两个地点区域之间的最短道路距离。
6.根据权利要求5所述的一种密态最短路网距离计算方法,其特征在于:在步骤S105和S106中,所述的优化过程,具体步骤如下:
步骤A,计算所述嵌入式道路网络的中任一两个坐标的打包明文;
步骤B,计算所述嵌入式道路网络的中任一两个坐标的打包密文
步骤C,基于同态乘法,计算两个坐标的加密的汉明重量;
步骤D,计算所述两个坐标的加密的内积,并根据步骤B得到的两个打包密文,两个坐标之间的加密距离,得到两个所述地点区域之间的最短道路距离。
7.一种密态最短路网距离计算设备,其特征在于:包括存储器和处理器,存储器存储有计算机程序,所述的处理器执行所述计算机程序时实现权利要求2至6任一项所述的一种密态最短路网距离计算方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于:所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求2至6任一项所述的一种密态最短路网距离计算方法。
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