CN110866263B - 一种可对抗纵向攻击的用户隐私信息保护方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可对抗纵向攻击的用户隐私信息保护方法及系统，适用于一信息收集端和若干信息提供端组成的网络系统，信息收集端收集各信息提供端提供的分段重组信息后，去噪后得到各信息提供端提供的信息。本发明实现了在统计整体数据频数信息时，收集者无法直接通过单个信息提供者发送的数据报告获得用户的隐私信息，也无法通过反复收集某一用户的数据报告，采用纵向攻击的方法来获取用户隐私；而必须将全部数据报告聚合后，通过去噪和回归分析等方法来统计用户隐私信息，从而兼顾隐私保护与数据的可用性，实现提高隐私保护程度的同时，增加数据的可用性。

Description

一种可对抗纵向攻击的用户隐私信息保护方法及系统

技术领域

本发明涉及隐私保护领域，尤其涉及一种可对抗纵向攻击的用户隐私信息保护方法及系统。

背景技术

本地差分隐私保护技术是基于中心化差分隐私保护技术提出的数据采集框架，不同于中心化差分隐私对于可信数据收集者的假设，其针对的是不可信的数据收集者。本地差分隐私保护技术充分考虑了数据采集过程中数据收集者盗窃或泄露用户隐私的可能性。在本地差分隐私中，每个用户首先对数据进行隐私化处理，再将处理后的数据发送给数据收集者，数据收集者对汇集的数据进行统计，以得到有效的分析结果。本地差分隐私在对数据进行统计分析的同时，保护个体的隐私信息不被泄露。

由于兼顾数据可用性和隐私保护，本地差分隐私技术得到了广泛的应用，但其本身在方法和效果上依然存在改进的空间。以RAPPOR算法为代表的本地差分隐私技术虽然较好地解决了背景知识攻击和不同用户之间的横向比较攻击，但对于长期跟踪或收集带来的纵向攻击问题并未充分解决。

随着大数据和人工智能的兴起与发展，各类互联网应用与服务对用户隐私数据的需求不断提高。尽管隐私数据的收集往往会引起用户的反感与担忧，但这些数据的收集是必要的。隐私等相关数据不仅能够帮助互联网应用与服务提供商了解用户，构建推荐系统与分析模型，为用户带来更好的使用体验，为企业带来丰厚的利益，还对用户的信息安全大有助益。

但令人担忧的是，各种形式的隐私数据泄露与滥用事件频发，呈逐年上升的态势。尤其是数据收集者监守自盗的情况愈发严重，各类中心化的隐私数据保护与发布技术所依赖的可信数据收集者假设不再成立。与此同时，经历各种严重的隐私泄露事故之后，各大科技公司纷纷转变态度，不再单纯攫取用户隐私数据中的利益，开始注重并强调对用户隐私的保护。此外，在法律法规层面，近两年来，欧盟与中国分别推出了《通用数据保护条例》(GDPR)和《数据安全管理办法》，其对用户隐私的保护力度以及对企业收集与使用数据的约束力度前所未有，对个人信息保护的重视程度提升到了新的高度。为了应对法律法规的变化，互联网应用与服务提供商都需要采取相应措施满足合规性要求。

本发明聚焦在个人隐私信息收集领域，以个人用户的隐私数据为对象，以隐私数据脱敏技术为研究重点，从不依赖可信数据收集者的角度，基于本地差分隐私框架，提出可对抗纵向攻击的个人隐私信息的收集方法。

发明内容

有鉴于此，本发明公开了一种可对抗纵向攻击的用户隐私信息保护方法及系统，对用户隐私数据采用本地差分隐私和数据交换重组进行处理，兼顾隐私保护和数据可用性，充分解决纵向跟踪攻击造成的隐私泄露风险。该方法不仅能有效防止纵向跟踪攻击，不依赖可信数据收集者假设，同时，也保证了数据具有较好的统计可用性。

为达到上述目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种可对抗纵向攻击的用户隐私信息保护方法，适用于一信息收集端和若干信息提供端组成的网络系统，其步骤包括：

信息收集端向各信息提供端发送信息收集请求，由第一信息提供端将其提供的信息映射为比特串并进行随机扰动得到的第一加噪信息随机发送至一其它信息提供端，并所述第一加噪信息与所述第一信息提供端随机接收的第二信息提供端的第二加噪信息分段重组后发送信息收集端；

信息收集端接收各分段重组信息，去噪后得到各信息提供端提供的信息。

进一步地，所述信息收集端向各信息提供端提供所述第二信息提供端的公钥，利用该公钥为加噪信息加密，所述第一信息提供端利用私钥对收到的加密加噪信息进行解密。

进一步地，通过布隆过滤器将所述信息映射为比特串。

进一步地，所述随机扰动为按照设定概率对比特串进行翻转；所述随机扰动为两次，包括永久性随机扰动和临时性随机扰动。

进一步地，所述永久性随机扰动指将所述比特串逐位按照第一概率进行翻转，得到一永久翻转比特串。

进一步地，所述临时性随机扰动是指将永久翻转比特串逐位按照第二概率进行翻转，得到一临时翻转比特串。

进一步地，所述分段重组的过程包括：

1)将所述第一加噪信息和所述第二加噪信息，按各所述临时翻转比特串长度均匀分为n段；

2)将所述第一加噪信息和所述第二加噪信息的各分段数据进行随机重组，并保持各分段数据相对位置不变，以得到所述分段重组信息。

进一步地，信息收集端统计各分段重组信息中每位出现1的次数，根据所述第一概率和所述第二概率估计真实次数，完成去噪。

一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行上述所述的方法。

一种电子装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机以执行上述所述的方法。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明主要对客户端发送给信息收集者的涉及用户隐私的信息进行保护，可充分解决纵向攻击问题。将隐私信息字符串通过布隆过滤器进行映射后，得到一定长度的0/1比特串，在此基础上通过随机响应机制进行扰动，添加噪声。随机响应扰动包括永久性扰动和临时性扰动，添加两次扰动可以提升隐私保护程度。将添加噪声后的数据加密后，随机地与其他用户采用同样方法生成的加噪数据进行交换，并对交换后的比特串数据进行分段重组，向数据收集者发送重组后得到的数据，令数据报告不再含有完整个人信息，并混淆隐私信息的标识符，使敌手无法进行纵向跟踪攻击，进一步提升隐私保护程度。同时，由于数据交换过程在不影响数据可用性的同时提高了隐私保护水平，采用随机交换后，可相应减少随机响应机制添加的噪声，进一步提高数据的可用性。数据收集者汇总用户发送的加噪重组数据后，可进行去噪处理和回归分析，还原整体用户数据的频数等统计特征，使得旨在统计整体数据频数信息的收集者无法直接通过单个信息提供者发送的数据报告获得用户的隐私信息，也无法通过反复收集某一用户的数据报告，采用纵向攻击的方法来获取用户隐私；而必须将全部数据报告聚合后，通过去噪和回归分析等方法来统计频数信息，从而兼顾隐私保护与数据的可用性，实现提高隐私保护程度的同时，增加数据的可用性。

附图说明

图1为本发明实施例的总体处理流程概述图；

图2为本发明实施例提供的随机响应机制示意图；

图3为本发明实施例提供的分段顺序随机重组方法图；

图4为本发明实施例提供的频数分析示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明公开了一种可对抗纵向攻击的用户隐私信息保护方法及系统，客户端首先对进行频数统计分析的某一项隐私数据通过布隆过滤器进行映射，获得该数据特定0/1比特串，随后对该比特串通过随机响应机制按照一定概率进行两次随机扰动，得到满足本地差分隐私定义的加噪数据；将该加噪数据使用随机选择的某一用户U_i的公钥PK_i进行加密，将加密数据发送给U_i，重复上述过程至全部待统计隐私数据发送完毕；将从其它用户处得到的数据报告使用私钥SK_i解密后，得到一组0/1比特串，将每一个比特串分为前后两段，在保持前后相对顺序不变的条件下，对该组比特串进行随机重组，然后发送至服务器；在服务器端，数据收集者汇总用户的重组数据报告，统计每一位上1出现的次数并进行去噪校正，然后根据映射矩阵，通过回归分析完成隐私数据不同项对应的频数统计。

本发明所述的布隆过滤器映射方法,可对数据收集者需要进行频数统计的隐私数据，通过布隆过滤器进行映射，使任何类型的隐私数据都可以转换为与原始数据一一对应的0/1比特串。布隆过滤器由一个长0/1比特串和一系列随机映射函数组成，通过h个散列函数将某一项隐私数据映射为比特串中的h个点，将其置为1，其余位点保持0不变。比特串长度k和散列函数个数h可根据具体使用场景与应用规模设定。

本发明所述的随机响应方法说明如下：首先，对布隆过滤器生成的比特串B逐位按照如下概率进行翻转，得到B′，既以1-0.5f的概率保持原值不变，以0.5f的概率翻转原值。其中0<f<1，可根据具体使用情况对f进行设定，以决定噪声水平。可证明，依照如下概率进行翻转获得的比特串严格满足本地差分隐私定义。

B′既为永久性随机扰动，每个用户对每一项隐私数据值只生成一次，其后发送的数据将在此基础上通过第二次随机响应生成。将B′按照如下概率再次进行随机翻转得到临时性随机响应，既以概率q保持1不变，以概率p将0翻转为1，其中q+p并不一定等于1。临时性随机响应随后将作为数据报告S加密后与其他用户的数据报告进行交换。数据报告S每次发送都需要重新生成。可证明，依照如下概率进行翻转获得的比特串严格满足本地差分隐私定义。

进一步说明两次随机扰动翻转。本发明中所述的方法采用的随机扰动，第一次为永久性随机扰动，其目的在于对某一布隆过滤器映射结果固定随机响应的结果，避免对变化的随机响应结果跟踪统计导致真实值泄露。第二次为临时性随机扰动，其主要目的在于避免跟踪统计导致永久性随机响应成为特征标识，增加隐私泄露风险。通过第二次的临时性随机扰动，既增加了噪声，提高了隐私保护水平，又增加了敌手纵向跟踪攻击的难度。第二次扰动后本地差分隐私保护水平∈计算公式如下：

本发明所述加密数据交换重组的方法，通过服务器确定的翻转概率，使客户端可以充分解决敌手纵向跟踪的问题。将两次随机扰动得到的数据报告S通过随机选择的目标用户的公钥PK_i进行加密，然后发送至目标用户，可以避免直接发送数据报告S给目标用户或者服务器，导致攻击者可以据此收集某一用户的数据报告，增加长时间纵向跟踪攻击导致的隐私泄露风险。某一用户收到其他用户发送的加密数据报告后，使用自己的私钥SK_i进行解密，得到原始数据报告

再对其进行分段。按照

的比特串长度将其均匀分为2段，分别为

和

表示为

将全部数据报告分段后，对全部数据段进行随机重组，并保持其相对位置不变，既

重组后依然处于新数据报告中的第一段，

相应依然处于第二段。重组后获得新的数据报告

将S′发送至数据收集者。S′不代表任何具体的用户隐私信息，去除了数据报告与个人隐私信息之间的联系，并且由随机选择的用户发送，去除了标识符与隐私信息的联系，可以充分解决纵向跟踪攻击的问题。

本发明所述的服务器端频数统计方法通过以下流程实现：首先，数据收集者在服务器端汇总用户发送的N个重组数据报告S′，统计N个重组数据报告S′的比特串中每位出现1的次数C_i，据此根据生成数据报告S所使用的两次翻转概率估计真实次数，完成去噪。某一比特位出现1的真实次数t_i按照如下公式进行估计：

随后，构建一个大小为k×M的映射矩阵，其中k为布隆过滤器映射后得到的比特串的长度，M为待统计的候选隐私数据值个数，矩阵中的列向量为各候选隐私数据值对应的布隆过滤器映射结果。将t_i组成一个向量Y，使用Lasso回归方法计算Y～X之间的相关系数，完成对应隐私数据值的频数统计。

本实施例中以某系统中与隐私相关的用户年龄信息和用户经常使用的功能为例，数据收集系统分别以这两种信息作为频数统计分析的目标，但不限于以上信息。对于年龄信息，候选隐私数据值范围为1-100内的整数；对于功能信息，候选隐私数据类别范围为系统功能类别列表，如拍照、播放音乐、收发消息等功能。本实例对以上两种隐私信息进行收集，并在保护用户隐私的同时，进行频数统计分析。本发明不限于以上两种信息，可以根据系统需要对任意一种用户信息进行收集。

本实施例中对每一个用户的待统计分析的任意一种隐私信息进行统一的处理，如附图1所示，系统将待收集的隐私数据进行布隆过滤器映射转换，随后对转换结果通过随机响应机制，进行两次随机扰动，添加噪声，然后从用户列表中随机选择某一用户，使用其公钥对加噪数据进行加密，并发送至该用户。该用户收到若干加密数据后，使用私钥对其进行解密，获得原始加噪数据，并将数据进行分段顺序随机重组，将重组数据发送至服务器。服务器端对汇总的数据进行去噪和回归分析，得到频数分布结果。

本实施例中的随机响应机制如附图2所示。对于每一种隐私数据，系统都将其通过布隆过滤器映射为0/1比特串。可采用MurmurHash、FNVHash等散列函数作为布隆过滤器中的随机映射函数。比特串长度k和散列函数个数h可以根据具体的应用情况设定，比特串长度k与本地差分隐私保护水平无关，仅与映射结果的碰撞可能性相关，散列函数的个数h与本地差分隐私保护水平呈负相关关系。本实施例中采用比特串长度k＝128，散列函数个数h＝2。对布隆过滤器的映射结果逐位按照设定概率进行两次随机翻转。本实施例中采用f＝0.5，p＝0.5，q＝0.75的概率组合，可获得本地差分隐私保护水平∈＝1.5499。

通过随机响应机制对隐私数据进行随机翻转，获得数据报告S后，用户U_i将其加密发送至随机选择的某一目标用户U_j。该目标用户U_j从用户U_i在本地维护的全体用户列表中随机选出，对每份数据报告都重新进行一次随机选择。选出目标用户后，用户U_i向服务器请求目标用户U_j的公钥PK_j，并使用该公钥加密数据报告S，将加密后的报告S发送至用户U_j。

重复上述过程，直到用户U_i将全部数据报告发送完毕。同时，用户U_i接受发送给自己的加密数据报告，使用私钥SK_i进行解密，获得一组未加密的长度为128比特的数据报告。如附图3所示，将这组数据报告的每一份进行均匀分段，每份的前64比特为第一段，后64比特为第二段。随后对全部数据段进行随机重组，将两个数据段合并成一个新的数据报告S′，并保持数据段的相对位置不变，既原属于第一段的数据报告重组后依然处于新数据报告中的第一段，原属于第二段的数据报告相应依然处于第二段。重组后获得新的数据报告S′由不同的隐私数据值的数据段组合而成，将重组数据报告S′发送至数据收集者。加解密使用的非对称加密算法采用ECC算法实现。

如附图4所示，对收集到的重组数据报告S′，数据收集者统计128个比特位每个比特位上1出现的次数C_i，对C_i根据翻转概率和数据报的个数N计算去噪后的真实值t_i，在本实例中t_i＝-8(C_i-0.5625N)。将t_i的值组成一个向量Y，以本实例中年龄信息收集为例，向量Y的长度为128，所构建的映射矩阵X大小为128×100。随后通过Lasso回归方法，完成每个年龄值对应的频数统计。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (5)

1.一种可对抗纵向攻击的用户隐私信息保护方法，适用于一信息收集端和若干信息提供端组成的网络系统，其步骤包括：

信息收集端向各信息提供端发送信息收集请求，以使，

第一信息提供端将其提供的信息映射为比特串B；对所述比特串B逐位按照概率

进行翻转，得到永久性随机扰动B′，其中f为永久翻转参数；对永久性随机扰动B′逐位按照概率

得到数据报告S，其中q为第一临时翻转参数，p为第二临时翻转参数；将所述数据报告S随机发送至一其它信息提供端；

第二信息提供端对接收的各数据报告S均匀分为n段后，各分段数据进行随机重组，并保持各分段数据相对位置不变，得到数据报告S′；

信息收集端接收各数据报告S′，基于数据报告S′的比特串中每位出现1的次数C_i，获取所有信息中某一比特位出现1的真实次数

并将真实次数t_i组成向量Y，其中N为数据报告S′的数量；

构建一个大小为k×M的映射矩阵X，其中k为比特串B的长度，M为待统计的候选隐私数据值个数，映射矩阵X中的列向量为各候选隐私数据值的映射结果；

使用Lasso回归方法计算向量Y与映射矩阵X之间的相关系数，完成对应隐私数据值的频数统计。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第一信息提供端利用其它信息提供端的公钥为数据报告S加密，所述第二信息提供端利用私钥对收到的数据报告S进行解密。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过布隆过滤器将所述信息映射为比特串。

4.一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行所述权利要求1至3任一项中所述的方法。

5.一种电子装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机以执行所述权利要求1至3任一项中所述的方法。

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