CN115580402B - 一种用于安全多方计算的数据隐匿查询方法 - Google Patents

一种用于安全多方计算的数据隐匿查询方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于安全多方计算的数据隐匿查询方法。它包括如下步骤：预处理阶段：数据方利用椭圆曲线生成每个id对应的私钥s，用私钥s加密对应的id、特征数据，得到每个id对应的加密id数据、加密特征数据组成的加密数据对D，并发送给查询方；在线处理阶段：查询方利用椭圆曲线生成查询id对应的私钥q；数据方将私钥q与私钥k做椭圆曲线乘法运算得到私钥p；查询方将私钥p与私钥r的逆元做椭圆曲线乘法运算得到密钥dec_key，采用密钥dec_key加密查询id得到加密数据id_key，根据加密数据id_key从加密数据对D中找出一致的加密id数据，并解密对应的加密特征数据，得到查询id的特征数据。本发明提高了查询效率，减少了查询带宽消耗。

Description

一种用于安全多方计算的数据隐匿查询方法
技术领域
本发明涉及数据查询技术领域，尤其涉及一种用于安全多方计算的数据隐匿查询方法。
背景技术
个人信息保护法里明确提出在企业数据交互中要去标识化和匿名化，去标识化是指个人信息经过处理，使其在不借助额外信息的情况下无法识别特定自然人的过程，匿名化是指是指个人信息经过处理无法识别特定自然人且不能复原的过程。
隐匿查询用于保护查询方的查询信息，常用于金融风控场景的各大关键安全多方计算过程中。随着安全多方计算技术的普及，隐匿查询技术快速发展，在保证安全的前提下，对于此类技术的性能要求也越来越高。目前的隐匿查询大多使用OT算法来实现，基于OT算法的隐匿查询需要先实现PSI协议获取待查询的数据位置，再用n选1的OT算法来隐藏查询id信息，整个过程比较复杂并且带宽消耗很大，在线上业务中带宽是个瓶颈，限制了大规模商业应用。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题，提供了一种用于安全多方计算的数据隐匿查询方法，其在保证查询方、数据方不会泄漏各自数据的情况下，提高了查询效率，减少了查询带宽消耗。
为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明的一种用于安全多方计算的数据隐匿查询方法，包括预处理阶段和在线处理阶段；
所述预处理阶段包括：
数据方在椭圆曲线上随机选择一个点作为私钥k，将私钥k和自身数据库存储的每个id分别做椭圆曲线乘法运算得到每个id对应的私钥s，每个id及其对应的特征数据都采用该id对应的私钥s分别进行加密，得到加密id数据和加密特征数据，每个id对应的加密id数据、加密特征数据组成该id对应的加密数据对D，将所有的加密数据对D发送给查询方；
所述在线处理阶段包括：
S1：查询方在椭圆曲线上随机选择一个点作为私钥r，将私钥r和查询id做椭圆曲线乘法运算得到私钥q，并将私钥q发送到数据方；
S2：数据方将私钥q与私钥k做椭圆曲线乘法运算得到私钥p，并将私钥p发送到查询方；
S3：查询方将私钥p与私钥r的逆元做椭圆曲线乘法运算得到密钥dec_key，采用密钥dec_key加密查询id得到加密数据id_key，查询所有加密数据对D中的加密id数据，如果有加密id数据与加密数据id_key一致，则找出该加密id数据对应的加密特征数据，采用密钥dec_key对加密特征数据进行解密，得到原始的特征数据，如果没有加密id数据与加密数据id_key一致，则表示数据方没有查询id对应的特征数据。
在本方案中，数据方的数据库内存储有多个id以及每个id对应的特征数据，查询方想要查询某个id的特征数据时，需要向数据方发送查询请求，获取该id的特征数据。
预处理阶段，数据方先在椭圆曲线上随机选择一个点作为私钥k，用私钥k分别与每个id做椭圆曲线乘法运算得到每个id唯一对应的私钥s，然后用每个id对应的私钥s对该id及对应的特征数据分别进行加密，这样就得到了加密数据对D，并发送给查询方。
在线处理阶段，查询方同样在椭圆曲线上随机选择一个点作为私钥r，将私钥r和查询id做椭圆曲线乘法运算得到私钥q，先将私钥q发送到数据方，这样数据方无法获取查询id的信息，接着，数据方将私钥q与私钥k做椭圆曲线乘法运算得到私钥p，将私钥p发送到查询方，这样查询方无法获取私钥k的信息，然后查询方将私钥p与私钥r的逆元做椭圆曲线乘法运算得到密钥dec_key，这个过程中将私钥p中的私钥r消去，得到的密钥dec_key就是私钥k和查询id做椭圆曲线乘法运算的结果，由于椭圆曲线密码学的特性，查询方知道密钥dec_key和查询id是无法算出私钥k的值的，所以保护了数据方的数据安全，然后，采用密钥dec_key加密查询id得到加密数据id_key，最后去查找加密数据对D中的加密id数据是否有与加密数据id_key一致的，如果有，则说明查询id与该加密id数据对应的id是一致的，则找出该加密id数据对应的加密特征数据，由于查询id与该加密id数据对应的id是一致的，则密钥dec_key与该id对应的私钥s是一致的，可直接采用密钥dec_key对加密特征数据进行解密，得到该id对应的原始的特征数据；如果没有，则说明数据方没有查询id对应的特征数据。
从上述内容可以看出，通过预处理阶段的处理，可以大大缩短在线处理阶段的处理时间，减少在线处理阶段的查询带宽消耗，且由于对id及对应的特征数据进行了加密处理，查询方无法获取数据方的数据，保护了数据方的数据安全；在线处理阶段，查询方将查询id加密后得到的私钥q发送给数据方，保护了查询方的数据安全，查询方、数据方只需各自进行一次私钥的发送，大大减少了查询带宽消耗，且查询方的查询计算部分计算简单，提高了查询效率。
作为优选，所述预处理阶段中将私钥k和id做椭圆曲线乘法运算得到对应的私钥s的公式如下：s=id*k，其中，*表示椭圆曲线的乘法。
作为优选，所述预处理阶段中id及其对应的特征数据采用该id对应的私钥s分别进行加密，得到对应的加密数据对D的公式如下：
D={ENC(s,id)，ENC(s,d)}，其中，d表示特征数据，ENC(s,id)表示采用私钥s作为加密密钥对 id做加密得到的加密id数据，ENC(s,d)表示采用私钥s作为加密密钥对特征数据做加密得到的加密特征数据。
作为优选，所述步骤S1中将私钥r和查询id做椭圆曲线乘法运算得到私钥q的公式如下：q=id*r，其中，*表示椭圆曲线的乘法。
作为优选，所述步骤S2中数据方将私钥q与私钥k做椭圆曲线乘法运算得到私钥p的公式如下：p=q*k，其中，*表示椭圆曲线的乘法。
作为优选，所述步骤S3中将私钥p与私钥r的逆元做椭圆曲线乘法运算得到密钥dec_key的公式如下：
dec_key=p*r^-1=id*r*k*r^-1=id*k，其中，*表示椭圆曲线的乘法，r^-1表示私钥r的逆元。
作为优选，所述预处理阶段中数据方加密id、特征数据使用的加密算法与在线处理阶段中查询方加密查询id的使用的加密算法一致。
作为优选，所述加密算法为aes加密算法或者国密sm4加密算法。
本发明的有益效果是：在保证查询方、数据方不会泄漏各自数据的情况下，提高了查询效率，减少了查询带宽消耗。
附图说明
图1是实施例的流程图；
图2是数据方的数据库内存储的id的特征数据表；
图3是数据方生成的加密数据对D的数据。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的一种用于安全多方计算的数据隐匿查询方法，如图1所示，包括预处理阶段和在线处理阶段；
预处理阶段包括：
数据方在椭圆曲线上随机选择一个点作为私钥k，数据方提取自身数据库存储的所有id及每个id对应的特征数据，将私钥k和每个id分别做椭圆曲线乘法运算得到每个id对应的私钥s，每个id及其对应的特征数据都采用该id对应的私钥s分别进行加密，得到加密id数据和加密特征数据，每个id对应的加密id数据、加密特征数据组成该id对应的加密数据对D，将所有的加密数据对D发送给查询方；
将私钥k和id做椭圆曲线乘法运算得到对应的私钥s的公式如下：s=id*k，其中，*表示椭圆曲线的乘法；
id及其对应的特征数据采用该id对应的私钥s分别进行加密，得到对应的加密数据对D的公式如下：
D={ENC(s,id)，ENC(s,d)}，其中，d表示特征数据，ENC(s,id)表示采用私钥s作为加密密钥对 id做加密得到的加密id数据，ENC(s,d)表示采用私钥s作为加密密钥对特征数据做加密得到的加密特征数据；
在线处理阶段包括：
S1：查询方在椭圆曲线上随机选择一个点作为私钥r，将私钥r和查询id做椭圆曲线乘法运算得到私钥q，并将私钥q发送到数据方；
将私钥r和查询id做椭圆曲线乘法运算得到私钥q的公式如下：q=id*r，其中，*表示椭圆曲线的乘法；
S2：数据方将私钥q与私钥k做椭圆曲线乘法运算得到私钥p，并将私钥p发送到查询方；
数据方将私钥q与私钥k做椭圆曲线乘法运算得到私钥p的公式如下：p=q*k，其中，*表示椭圆曲线的乘法；
S3：查询方将私钥p与私钥r的逆元做椭圆曲线乘法运算得到密钥dec_key，采用密钥dec_key加密查询id得到加密数据id_key，查询所有加密数据对D中的加密id数据，如果有加密id数据与加密数据id_key一致，则找出该加密id数据对应的加密特征数据，采用密钥dec_key对加密特征数据进行解密，得到原始的特征数据，如果没有加密id数据与加密数据id_key一致，则表示数据方没有查询id对应的特征数据；
将私钥p与私钥r的逆元做椭圆曲线乘法运算得到密钥dec_key的公式如下：
dec_key=p*r^-1=id*r*k*r^-1=id*k，其中，*表示椭圆曲线的乘法，r^-1表示私钥r的逆元；
采用密钥dec_key加密查询id得到加密数据id_key的公式如下：
id_key=ENC(dec_key,id)。
在本方案中，数据方的数据库内存储有多个id以及每个id对应的特征数据，查询方想要查询某个id的特征数据时，需要向数据方发送查询请求，获取该id的特征数据（例如：查询方要查询张三的消费记录，id是张三的身份证号，对应的特征数据是张三的消费记录）。
预处理阶段中数据方加密id、特征数据使用的加密算法与在线处理阶段中查询方加密查询id使用的加密算法一致，加密算法统一采用aes加密算法或者国密sm4加密算法。高级加密标准(AES,Advanced Encryption Standard)为最常见的对称加密算法，其加密和解密使用相同的密钥，和非对称加密算法相比优点是其加密速度很快，只需要移位和比特异或操作。国密sm4是中华人民共和国政府采用的一种分组密码标准，是一种对称密钥算法，由我国国家密码管理局在2012年发布，常用于无线互联网加密等领域，其加解密过程与aes类似。
椭圆曲线密码学是一种基于椭圆曲线的公开密钥加密方案，其优势在于使用较小的密钥长度并提供相当等级的安全性，其安全假设基于椭圆曲线离散对数问题，Q = k *P，*表示椭圆曲线的乘法，已知Q和椭圆曲线上的点P，求解k是困难的。本方案采用的椭圆曲线为fourq椭圆曲线。
本方案的数据隐匿查询方法分为两个阶段。预处理阶段，数据方先在椭圆曲线上随机选择一个点作为私钥k，数据方提取自身数据库存储的所有id及每个id对应的特征数据，用私钥k分别与每个id做椭圆曲线乘法运算得到每个id唯一对应的私钥s，然后用每个id对应的私钥s对该id及对应的特征数据分别进行加密，这样就得到了每个id对应的加密数据对D，将所有id对应的加密数据对D发送给查询方，D={ENC(s,id)，ENC(s,d)}。通过预处理阶段的处理，可以大大缩短在线处理阶段的处理时间，减少在线处理阶段的查询带宽消耗，且由于对id及对应的特征数据进行了加密处理，查询方无法获取数据方的数据，保护了数据方的数据安全。
在线处理阶段，查询方同样在椭圆曲线上随机选择一个点作为私钥r，将私钥r和查询id做椭圆曲线乘法运算得到私钥q，q=id*r，先将私钥q发送到数据方，这样数据方无法获取查询id的信息，接着，数据方将私钥q与私钥k做椭圆曲线乘法运算得到私钥p，p=q*k=id*r*k，将私钥p发送到查询方，这样查询方无法获取私钥k的信息，然后查询方将私钥p与私钥r的逆元做椭圆曲线乘法运算得到密钥dec_key，dec_key=p*r^-1=id*r*k*r^-1=id*k，这个过程中将私钥p中的私钥r消去，得到的密钥dec_key就是私钥k和查询id做椭圆曲线乘法运算的结果，由于椭圆曲线密码学的特性，查询方知道密钥dec_key和查询id是无法算出私钥k的值的，所以保护了数据方的数据安全，然后，采用密钥dec_key加密查询id得到加密数据id_key，id_key=ENC(dec_key,id)，最后去查找加密数据对D中的加密id数据是否有与加密数据id_key一致的，由于id_key=ENC(dec_key,id)=ENC(id*k,id)，ENC(s,id)=ENC(id*k,id)，所以如果有，则说明查询id与该加密id数据对应的id是一致的，则找出该加密id数据对应的加密特征数据，由于查询id与该加密id数据对应的id是一致的，则密钥dec_key与该id对应的私钥s是一致的，可直接采用密钥dec_key对加密特征数据进行解密，得到该id对应的原始的特征数据；如果没有，则说明数据方没有查询id对应的特征数据。从上述内容可以看出，在线处理阶段，查询方、数据方只需各自进行一次私钥的发送，大大减少了查询带宽消耗，且查询方的查询计算部分计算简单，提高了查询效率。
举例说明：
如图2所示，数据方的数据库内存储有5个id的特征数据，5个id分别为id_0、id_1、id_2、id_3、id_4，5个id对应的5个特征数据分别为feature_data_0、feature_data_1、feature_data_2、feature_data_3、feature_data_4，查询方要查询id_4的特征数据，方法如下：
预处理阶段：
数据方在椭圆曲线上随机选择一个点作为私钥k，
k=7fc3eac601244527e1116343de422eb7b12fb73010c314ce2946b9f8aae31100，
将私钥k和5个id分别做椭圆曲线乘法运算得到每个id对应的私钥s，
id_0对应的私钥s为：
s=c3dd0922bb2e022ae106311d9d7fa55d5b4e506e784ab885f2d930c83777365c，
id_1对应的私钥s为：
s=ce42563365a8f0e795a72aa97656a26d5a31fe4a991d7e41235fe192706e127a，
id_2对应的私钥s为：
s=73d891465c4f0519dc6b7b169ba2fc29b5e09e2f5fa96715c18848be12168f54，
id_3对应的私钥s为：
s=db92f8fba15366df619829e84ca7461b2cec6a7fc6af07a72066190bf6c64901，
id_4对应的私钥s为：
s=54aeb6b270067157a71430ad2886402cd8598336a0d407b938790ba904bb9837，
每个id及其对应的特征数据都采用该id对应的私钥s分别进行加密，得到的5个加密数据对D如图3所示，将5个加密数据对D发送给查询方；
在线处理阶段：
S1：查询方在椭圆曲线上随机选择一个点作为私钥r，
r=6cb18e58cc9707cc08ba824e89298535ab547c1c138bc8dc60a986533df60400，
将私钥r和查询id（id_4）做椭圆曲线乘法运算得到私钥q，
q=fb08a67c395473244db83ad8a501ca7e58e7ca5a1b4439f33f405d71a66e7665，
将私钥q发送到数据方；
S2：数据方将私钥q与私钥k做椭圆曲线乘法运算得到私钥p，
p=c85318ba4d7f640a8cd9e3d8e7e3d45a5fd4dea602bd62508e91fcca3be4e0b9，
将私钥p发送到查询方；
S3：查询方将私钥p与私钥r的逆元做椭圆曲线乘法运算得到密钥dec_key，
dec_key=54aeb6b270067157a71430ad2886402cd8598336a0d407b938790ba904bb9837，与id_4对应的私钥s一致。
采用密钥dec_key加密查询id（id_4）得到加密数据id_key，
id_key=e66b2c7aad6a958a81fce816，
由于id_key与图3中的id_4的加密id数据一致，所以采用密钥dec_key对id_4的加密特征数据进行解密，得到原始的特征数据feature_data_4。

Claims (8)

1.一种用于安全多方计算的数据隐匿查询方法，其特征在于，包括预处理阶段和在线处理阶段；
所述预处理阶段包括：
数据方在椭圆曲线上随机选择一个点作为私钥k，将私钥k和自身数据库存储的每个id分别做椭圆曲线乘法运算得到每个id对应的私钥s，每个id及其对应的特征数据都采用该id对应的私钥s分别进行加密，得到加密id数据和加密特征数据，每个id对应的加密id数据、加密特征数据组成该id对应的加密数据对D，将所有的加密数据对D发送给查询方；
所述在线处理阶段包括：
S1：查询方在椭圆曲线上随机选择一个点作为私钥r，将私钥r和查询id做椭圆曲线乘法运算得到私钥q，并将私钥q发送到数据方；
S2：数据方将私钥q与私钥k做椭圆曲线乘法运算得到私钥p，并将私钥p发送到查询方；
S3：查询方将私钥p与私钥r的逆元做椭圆曲线乘法运算得到密钥dec_key，采用密钥dec_key加密查询id得到加密数据id_key，查询所有加密数据对D中的加密id数据，如果有加密id数据与加密数据id_key一致，则找出该加密id数据对应的加密特征数据，采用密钥dec_key对加密特征数据进行解密，得到原始的特征数据，如果没有加密id数据与加密数据id_key一致，则表示数据方没有查询id对应的特征数据。
2.根据权利要求1所述的一种用于安全多方计算的数据隐匿查询方法，其特征在于，所述预处理阶段中将私钥k和id做椭圆曲线乘法运算得到对应的私钥s的公式如下：s=id*k，其中，*表示椭圆曲线的乘法。
3.根据权利要求1所述的一种用于安全多方计算的数据隐匿查询方法，其特征在于，所述预处理阶段中id及其对应的特征数据采用该id对应的私钥s分别进行加密，得到对应的加密数据对D的公式如下：
D={ENC(s,id)，ENC(s,d)}，其中，d表示特征数据，ENC(s,id)表示采用私钥s作为加密密钥对 id做加密得到的加密id数据，ENC(s,d)表示采用私钥s作为加密密钥对特征数据做加密得到的加密特征数据。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种用于安全多方计算的数据隐匿查询方法，其特征在于，所述步骤S1中将私钥r和查询id做椭圆曲线乘法运算得到私钥q的公式如下：q=id*r，其中，*表示椭圆曲线的乘法。
5.根据权利要求4所述的一种用于安全多方计算的数据隐匿查询方法，其特征在于，所述步骤S2中数据方将私钥q与私钥k做椭圆曲线乘法运算得到私钥p的公式如下：p=q*k，其中，*表示椭圆曲线的乘法。
6.根据权利要求5所述的一种用于安全多方计算的数据隐匿查询方法，其特征在于，所述步骤S3中将私钥p与私钥r的逆元做椭圆曲线乘法运算得到密钥dec_key的公式如下：
dec_key=p*r^-1=id*k，其中，*表示椭圆曲线的乘法，r^-1表示私钥r的逆元。
7.根据权利要求1或2或3所述的一种用于安全多方计算的数据隐匿查询方法，其特征在于，所述预处理阶段中数据方加密id、特征数据使用的加密算法与在线处理阶段中查询方加密查询id使用的加密算法一致。
8.根据权利要求7所述的一种用于安全多方计算的数据隐匿查询方法，其特征在于，所述加密算法为aes加密算法或者国密sm4加密算法。
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