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多方隐私集合交集计算技术综述

电子与信息学报 2023年第5期45卷 1859-1872页

作者：高莹王玮北京航空航天大学网络空间安全学院北京100191 中关村实验室北京100094 空天网络安全工业和信息化部重点实验室北京100191

随着互联网、大数据等新技术的快速发展,越来越多的分布式数据需要多方协作处理,隐私保护技术由此面临更大的挑战。安全多方计算是一种重要的隐私保护技术,可为数据的安全高效共享问题提供解决方案。作为安全多方计算的一个重要分支,隐... 详细信息

随着互联网、大数据等新技术的快速发展,越来越多的分布式数据需要多方协作处理,隐私保护技术由此面临更大的挑战。安全多方计算是一种重要的隐私保护技术,可为数据的安全高效共享问题提供解决方案。作为安全多方计算的一个重要分支,隐私集合交集(PSI)计算技术可以在保护参与方的数据隐私性前提下计算两个或多个参与者私有数据集的交集,按照参与方数目可分为两方PSI和多方PSI。随着私人数据共享规模的扩大,多于两个参与方的应用场景越来越常见。多方PSI具有与两方PSI相似的技术基础但又有本质的不同。该文首先讨论了两方PSI的研究进展,其次详细梳理多方PSI技术的发展历程,将多方PSI技术依据应用场景的不同分为传统多方PSI技术以及门限多方PSI技术,并在不同场景下按照协议所采用密码技术和功能进行更细致的划分;对典型多方PSI协议进行分析,并对相关密码技术、敌手模型以及计算与通信复杂度进行对比。最后,给出了多方PSI技术的研究热点和未来发展方向。

关键词：隐私集合交集不经意传输不经意伪随机函数加法同态加密零秘密分享

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双云辅助的超阈值多方隐私集合交集计算协议

软件学报 2023年第11期34卷 5442-5456页

作者：魏立斐刘纪海张蕾宁建廷上海海洋大学信息学院上海201306 福建师范大学数学与信息学院福建福州350117 信息安全国家重点实验室(中国科学院信息工程研究所) 北京100093

超阈值多方隐私集合求交协议(OT-MP-PSI)是PSI协议的变体,允许m个参与方共同计算至少t(t≤m)个参与方中拥有相同元素的超阈值交集,且保证仅拥有超阈值元素的参与方才能知晓该元素是否属于超阈值交集,对于其他信息一无所知.OT-MP-PSI推广... 详细信息

超阈值多方隐私集合求交协议(OT-MP-PSI)是PSI协议的变体,允许m个参与方共同计算至少t(t≤m)个参与方中拥有相同元素的超阈值交集,且保证仅拥有超阈值元素的参与方才能知晓该元素是否属于超阈值交集,对于其他信息一无所知.OT-MP-PSI推广了PSI的实际应用场景.现有方案均基于昂贵的公钥密码来构建,其较大的计算量导致运行时间缓慢.首先设计一个基于对称密码的不经意可编程伪随机秘密共享(OPPR-SS)密码组件,并基于OPPR-SS组件设计双云辅助的OT-MP-PSI协议,将秘密分发和重构的任务分别交给不可信云服务器来辅助完成,实现弱计算能力的参与方也能完成OT-MP-PSI协议.在半诚实模型下证明协议安全性.相比现有的OT-MP-PSI协议,所提协议在秘密分发和重构阶段均具有最优运行时间和通信负载,参与方、共享方和重构方的通信复杂度不再与阈值t有关,实现参与方常数轮的通信,通信复杂度仅为O(n),秘密分发方和重构方的计算复杂度仅与对称密码次数有关.

关键词：隐私集合交集不经意传输秘密共享超阈值云辅助

高效且恶意安全的三方小集合隐私交集计算协议

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计算机研究与发展 2022年第10期59卷 2286-2298页

作者：张蕾贺崇德魏立斐上海海洋大学信息学院上海201306 上海海事大学信息工程学院上海201306

隐私集合交集(private set intersection, PSI)允许持有私有集合的参与方安全地获得集合的交集,而不会泄露除交集之外任何元素的信息.现有的两方/多方PSI协议大多基于不经意传输(oblivious transfer, OT)协议,具有很高计算效率的同时,... 详细信息

隐私集合交集(private set intersection, PSI)允许持有私有集合的参与方安全地获得集合的交集,而不会泄露除交集之外任何元素的信息.现有的两方/多方PSI协议大多基于不经意传输(oblivious transfer, OT)协议,具有很高计算效率的同时,也带来了巨大通信开销.在很多场景中,扩展网络带宽是非常昂贵甚至不可行的,而目前不依赖于OT设计且计算高效的多方PSI协议仍然较少.基于一轮密钥协商构造了三方参与的PSI计算协议,分别在半诚实模型和恶意安全性模型下,证明了协议的安全性且允许任意两方的合谋攻击.通过实验仿真,在大集合场景,相比现有基于OT的多方PSI协议,所构造的协议具有最优的通信轮数且通信量降低了89%~98%;在小集合场景(500个元素或更少),相比适用弱通信网络的同类PSI协议,具有最优运行时间和通信负载,比依赖于同态加密的PSI协议快10~25倍.

关键词：隐私集合交集密钥协商恶意敌手抗合谋攻击小集合场景

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基于云服务器的公平多方隐私集合交集协议

计算机应用 2023年第9期43卷 2806-2811页

作者：张静田贺熊坤汤永利杨丽河南理工大学软件学院河南焦作454000

隐私集合交集(PSI)是解决隐私信息共享的重要办法。针对现有的协议中参与方不能同时获取计算结果而导致的不公平性问题,提出一种基于云服务器的公平多方PSI协议。首先,利用哈希映射完成隐私信息的子份额在混淆布隆过滤器(GBF)中的存储;... 详细信息

隐私集合交集(PSI)是解决隐私信息共享的重要办法。针对现有的协议中参与方不能同时获取计算结果而导致的不公平性问题,提出一种基于云服务器的公平多方PSI协议。首先,利用哈希映射完成隐私信息的子份额在混淆布隆过滤器(GBF)中的存储;其次,为避免交互过程中各参与方集合元素索引值的泄露,协议结合不经意传输(OT)技术完成存储信息的份额置换;最后,通过云服务器进行逐位计算,并将结果同时返回各参与方,保证各参与方获取结果的公平性。协议的正确性和安全性分析表明,所提协议能够实现参与方获得交集结果的公平性,而且协议能够抵抗参与方与云服务器进行的合谋。性能分析表明,所提协议的计算复杂度和通信复杂度与参与方集合包含的元素总数无关;与多方隐私集合交集协议(MPSI)、实用多方恶意安全私有集合交集PSImple和隐私集合交集求和协议(PI-Sum)相比,在同等条件下,所提协议的存储开销、通信开销和运行时间更少。

关键词：隐私集合交集混淆布隆过滤器安全多方计算公平计算不经意传输

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基于理想格的两方隐私集合交集协议

计算机应用研究 2023年第12期40卷 3795-3799页

作者：赵宗渠王书静汤永利霍亚超杨丽河南理工大学软件学院河南焦作454000

当前大多数现有的隐私集合交集(PSI)协议的安全性都是基于数论假设,而随着量子计算理论的发展,基于数论假设的PSI协议将变得不再安全。针对该问题,利用格上函数加密的函数策略解密特性,通过二进制分解将参与方元素设计成符合LWE加法同... 详细信息

当前大多数现有的隐私集合交集(PSI)协议的安全性都是基于数论假设,而随着量子计算理论的发展,基于数论假设的PSI协议将变得不再安全。针对该问题,利用格上函数加密的函数策略解密特性,通过二进制分解将参与方元素设计成符合LWE加法同态的向量形式,提出了一种基于理想格的半诚实安全的两方PSI协议。安全性方面,使用基于环上错误学习问题(RLWE)的函数加密系统来构造PSI协议,实现了抗量子的安全性。效率方面,协议的通信复杂度为O(w+v),与参与方元素成正比,保证了较高的通信效率;并且利用理想格,减小了公钥的大小,提高了存储效率,降低了通信成本。

关键词：隐私集合交集量子攻击函数加密理想格错误学习问题

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云环境下可验证的隐私集合交集协议研究

云环境下可验证的隐私集合交集协议研究

作者：钱亚莲南京信息工程大学

学位级别：硕士

随着云计算不断发展成熟,越来越多的用户将本地私有数据外包给云服务器计算。与此同时,云端数据被恶意篡改,用户隐私泄露等云计算安全问题也日益严重。隐私集合交集协议在实现云外包集合交集计算的同时能保护用户隐私,一定程度上为促进... 详细信息

随着云计算不断发展成熟,越来越多的用户将本地私有数据外包给云服务器计算。与此同时,云端数据被恶意篡改,用户隐私泄露等云计算安全问题也日益严重。隐私集合交集协议在实现云外包集合交集计算的同时能保护用户隐私,一定程度上为促进云安全计算提供了可靠保障。然而,现有的隐私集合交集协议致力于防止用户隐私泄露,忽略了云计算结果的可验证性和抵抗共谋攻击等问题。一方面,云服务器可能为了节约计算资源或谋取经济利益等目的,篡改并返回错误的计算结果。另一方面,为满足更广泛的实际应用场景,由两方计算扩展为多方计算,同时云服务器与用户共谋导致其他诚实用户隐私泄露的风险也随之增大。因此,针对用户隐私频遭泄露,计算结果易被篡改两大问题,本文提出了以下两种可验证的隐私集合交集协议:（1）基于重加密的两方隐私集合交集协议本文提出了基于重加密的两方隐私集合交集协议,初步实现了隐私保护和计算结果可验证。具体而言,首先用户将单子集扩展为多子集,并为每个子集隐式嵌入标签集,仅对拥有相同标签的子集进行交集计算,实现细粒度操作,有利于拓宽协议的实际应用价值。其次,用户利用重加密技术对集合元素加密,云服务器对重加密密文计算集合交集,在此过程中无法获知任何关于用户数据的明文信息,实现隐私保护。最后,用户根据判断多项式互素的代数等式是否成立,验证计算结果是否正确,实现交集计算的不可伪造。（2）基于伪随机函数的多方隐私集合交集协议在两方隐私集合交集协议实现可验证、防泄漏等安全性的基础上,本文进一步扩展为多方计算,提出了基于伪随机函数的多方隐私集合交集协议,旨在抵抗共谋攻击,保护用户隐私及确保计算结果的正确性。具体而言,用户构造伪随机函数及利用不经意键值存储对元素进行编码加密,只保留键值对的映射关系,防止云服务器和用户进行共谋攻击导致隐私泄露。其次,用户通过复制集合元素及插入虚拟集合,判断交集结果是否在有效区间内,实现计算结果可验证。最后,本协议使用对称加密以及轻量的异或操作,降低计算开销,提高性能效率。

关键词：隐私集合交集重加密伪随机函数不经意键值存储

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面向多应用场景的多方隐私集合交集计算研究

面向多应用场景的多方隐私集合交集计算研究

作者：刘纪海上海海洋大学

学位级别：硕士

随着互联网时代的到来和人工智能技术的应用,终端设备上的应用程序往往分布在多台服务设备上,然后通过互联网交互来共同实现程序功能。然而现存的分布式应用程序处理交互数据的方式已不能满足终端用户对个人数据隐私保护的需求。隐私集... 详细信息

随着互联网时代的到来和人工智能技术的应用,终端设备上的应用程序往往分布在多台服务设备上,然后通过互联网交互来共同实现程序功能。然而现存的分布式应用程序处理交互数据的方式已不能满足终端用户对个人数据隐私保护的需求。隐私集合交集计算(Private set intersection,PSI)协议是一种专门处理分布式集合交集的隐私计算技术。其作为安全多方计算的特有协议,允许参与方输入私有集合,交互式计算集合交集,且参与方除知晓交集结果外无任何其它信息泄露,深受学术界和工业界的关注。传统PSI指仅包含两个参与方的协议,目前已被广泛研究。主要通过数据加密原语和安全比较来实现保护隐私的交集计算。传统PSI协议在各类分布式场景(如小集合场景、不平衡场景、大集合场景)均已设计出适用于该场景的高效加密原语和安全比较协议。多方PSI协议目前仅存在少量的研究,除了需解决传统PSI协议的问题外,还需解决多方合谋泄露部分参与方交集问题、通信复杂度高问题。现有的多方PSI协议仅关注少量参与方的大集合分布式场景,这可能和参与方之间不可避免的通信开销导致。然而现实生活场景中,多方PSI协议相较于传统PSI协议具有更多且有意义的分布式应用场景。本文从交集重定义、集合大小与参与方个数关系两方面扩展了多方PSI协议的场景。主要完成工作如下:(1)现有高效的多方PSI协议,均基于不经意可编程伪随机函数和零共享框架解决数据传输和多方合谋问题,导致其仅适用于大集合和少量参与方场景。本文设计一种基于一轮密钥交换协议和嵌入式无条件零共享的多方PSI新框架以解决数据安全传输和多方合谋问题。由于加密原语为一轮密钥交换协议,嵌入式无条件零共享无需额外的通信开销,因此适用于小集合和大量参与方的场景。通过理想-现实模型证明了协议在半诚实模型下安全,并且仅需少量的开销即可将协议从半诚实安全提升为恶意安全。与现有多方PSI协议基于理论分析比较,本文的新框架具有最低的通信轮数且通信复杂度仅与统计安全参数有关。基于实验分析对比,小集合下(n交集重定义场景,发现超阈值多方隐私集合交集计算协议基于公钥密码实现,计算效率极其低下导致其无法实际部署。为高效解决超阈值交集计算问题,设计了一种新的基于对称密码的不经意可编程伪随机秘密共享(Oblivious programmable pseudo-random function with secret sharing,OPPR-SS)密码组件,其具有不经意可编程伪随机函数(Oblivious programmable pseudo-random function,OPPRF)的安全性、可编程性和阈值秘密共享的(t,m)重构性。并基于OPPR-SS密码组件设计了半诚实安全的多方超阈值隐私集合交集计算协议。通过与现有协议的理论分析比较和实验分析比较发现,本文的协议具有更高效的计算效率和更低的通信开销。

关键词：隐私集合交集安全多方计算超阈值小集合多参与方恶意安全

一种基于并行化OPPRF的隐私集合交集协议

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通信技术 2022年第1期55卷 77-81页

作者：李顺四川大学四川成都610207

随着隐私保护法规逐渐完善,隐私集合交集技术得到了较为迅速的发展。考虑半诚实模型下含有两个参与方的场景中,基于多项式的隐私集合交集协议效率较低的问题,提出了一种基于并行化不经意编码伪随机函数(OPPRF)的隐私集合交集协议。首先... 详细信息

随着隐私保护法规逐渐完善,隐私集合交集技术得到了较为迅速的发展。考虑半诚实模型下含有两个参与方的场景中,基于多项式的隐私集合交集协议效率较低的问题,提出了一种基于并行化不经意编码伪随机函数(OPPRF)的隐私集合交集协议。首先采用了位置映射矩阵结构降低协议的运行时间,其次基于将元素散列到桶中的方法减小问题规模,最后通过模拟分析证明协议的安全性。实验结果表明,在相同条件下,相较于多项式方案协议具有较小的时间开销,该协议可以有效提升解决隐私集合交集问题的效率。

关键词：安全多方计算隐私保护隐私集合交集半诚实模型

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一类可抵抗恶意攻击的隐私集合交集协议

计算机应用 2017年第6期37卷 1593-1598页

作者：罗小双杨晓元王绪安武警工程大学电子技术系西安710086 网络与信息安全武警部队重点实验室西安710086

针对安全两方计算中隐私集合交集计算问题,提出了一种改进的基于Bloom Filter数据结构的隐私集合交集协议。该协议能够保证双方在各自隐私安全的前提下,计算出两者数据集合的交集,其中只有一方能够计算出交集元素,另外一方无法计算得到... 详细信息

针对安全两方计算中隐私集合交集计算问题,提出了一种改进的基于Bloom Filter数据结构的隐私集合交集协议。该协议能够保证双方在各自隐私安全的前提下,计算出两者数据集合的交集,其中只有一方能够计算出交集元素,另外一方无法计算得到交集,并且双方都不能获得或推测出对方除交集以外的任何集合元素,确保了参与双方敏感信息的安全保密。所提协议引入了基于身份的密钥协商协议,能够抵抗非法用户的恶意攻击,达到隐私保护和安全防御的目的,抵御了密钥泄露的风险,减少了加解密的运算量,并且具备支持较大规模集合数据的运算能力。

关键词：隐私保护隐私集合交集不经意传输秘密共享密钥协商