基于匿名區域的位置隱私保護方法

劉盼

摘要：無線定位技術的進步及移動互聯網的迅速發展促進了基于位置服務的廣泛應用，但其不可避免地造成用戶位置隱私泄露，可能危害人身安全。現有位置隱私保護方法只能做到特定情境下的位置隱私保護，但易受連續查詢攻擊。提出利用隱私需求度量P和服務質量度量Q構建目標函數，在均衡位置服務與隱私保護之間矛盾的基礎上，提高用戶請求位置的隨機性，從而防止連續查詢攻擊。實驗通過遞歸計算位置K匿名區域的4個子匿名區域的目標函數值，獲得最大值的區域即為用戶服務請求的最終位置。實驗結果表明，該方法能較好地防止連續查詢中的邊界信息攻擊，保護用戶隱私，提高服務質量。

關鍵詞關鍵詞：位置隱私；K匿名；連續查詢；隱私保護；服務質量

DOIDOI：10.11907/rjdk.162196

中圖分類號：TP309文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2017）001015605

引言

近年來，隨著全球定位和移動互聯網技術的不斷進步，促進了基于位置的服務應用迅猛增長[1]。然而，用戶使用位置服務時，位置數據不可避免地在用戶和位置服務器間傳輸，可能造成位置隱私泄露。因此，如何實現位置服務與隱私保護的平衡已成為研究熱點[2]。

現有的位置隱私保護方法可分為3類：基于政策法、基于加密法和基于扭曲法的位置隱私保護[3]。基于政策法的位置隱私保護依靠經濟、社會和監管壓力等約束服務提供商規范行為，具有一定的被動性，不能有效保護用戶的位置隱私；基于加密法的位置隱私保護通過加密技術使位置服務提供商無法獲知用戶的服務請求位置，但其需要較高的計算成本，并且不適用于移動用戶[4]；基于扭曲法的位置隱私保護是在查詢信息發送至LBS服務器之前，對查詢中的時空位置信息進行適當修改或扭曲，使服務提供商無法獲得精確的位置信息。因此，基于扭曲法的保護方法已成為重要的研究方向[5]。

位置K匿名中K決定了模型的隱私保護效果，逐漸成為扭曲法中的代表方法，它指查詢位置對應一個包含至少K個不同用戶的區域，攻擊者即使獲取用戶請求的匿5結語

本文在充分理解AES加密算法原理的基礎上，提出了幾種對加密算法的優化方案，并且結合實際項目工程需要，將優化的加密算法使用FPGA加以實現，設計了基于AXIStream接口的AES加密IP核。通過實驗測試，設計的加密IP核能夠很好地與DMA進行數據交互。經過對算法的優化與對整體設計結構的調整，充分利用FPGA的內部資源，使IP核的資源消耗較之前的設計有所減少，其系統加密速率可達到1.12Gb/s，完全可以應用于對速率較高的密保項目中。

基于現有算法的不足，本文設計了一個顧及移動用戶隱私需求差異性，使移動用戶可自定義位置隱私保護等級，并降低匿名服務器被攻擊概率的算法。提出利用四叉樹結構實現位置K匿名，綜合隱私需求與服務質量度量標準構建目標函數，計算K匿名區域下子匿名區域的目標函數值，將目標函數最優解所在的子匿名區域作為移動用戶的最終服務地址，在不影響服務質量的前提下，可有效防止邊界信息攻擊。1預備知識

1.1位置K匿名

本文采用四叉樹結構遞歸地將地理范圍不斷分割成4個大小相等的子區域。它的每個節點下至多有4個子節點，每個節點代表一個矩形區域，如圖1所示。黑點根節點代表最外圍的矩形區域，每個矩形區域又可劃分為4個小矩形區域，這4個小矩形區域作為4個子節點代表的矩形區域。

圖1四叉樹結構

位置K匿名指將目標真實位置泛化為一個包含至少K個不同用戶的空間區域，從而達到無法辨別目標真實位置的目的。利用四叉樹算法結構保證用戶在請求服務時，其位置信息不是當前準確的位置坐標，而是一個包含至少K個近鄰用戶的匿名區域，從而保證目標用戶被識別的概率不超過1/K。如圖2所示，五角星點為目標用戶L，實心點為同一時刻該區域的其他用戶，當目標用戶的匿名等級K=3時，通過位置K匿名算法，得到的匿名區域即為右側包含目標用戶的方框區域。為了防止最近鄰攻擊，位置K匿名算法生成的K匿名區域一定是四叉樹滿足隱私需求的節點所在區域。

1.2邊界信息攻擊

位置K匿名算法在保護用戶隱私的過程中極易受到邊界信息攻擊[13]。它是指當用戶發送多個連續請求時，攻擊者通過分析不同時刻下的用戶集，找到出現概率較高的用戶即為服務請求用戶，從而達到攻擊目的。如圖3中有A、B、C、D、E、F、H共6個用戶，假定用戶A在t=t1時刻發送了一個等級K=3的位置服務請求，根據位置K匿名算法得到如圖3（a）所示的匿名集ct1={A，B，C}。當用戶A向右移動，并在t=t2時刻再次發送服務請求時，假定等級K同樣為3，此時得到的匿名集為ct2={A，B，D}，如圖3（b）實線矩形區域所示，其與t1時刻的用戶集取交為{A，B}。當其在t=t3時刻再次發送服務請求時，形成匿名集c3={A，E，H}。通過對3個時刻的匿名集取交集，可得到服務請求者為用戶A，從而暴露用戶的位置信息。

如圖3所示，圖3（a）矩形區域為目標用戶u1在t1時刻的匿名區域；圖2（b） 實線矩形區域為目標用戶u1在t2時刻的匿名區域；圖2（c）實線矩形區域為目標用戶u1在t3時刻的匿名區域。

1.3隱私需求與服務質量度量

用戶的服務質量、隱私需求及攻擊者的攻擊能力是衡量位置隱私保護算法優劣的三個重要指標[13]。匿名區域大小及其包含的用戶個數直接關系到隱私保護的質量和效率。然而想要得到高效的服務，匿名區域范圍應盡可能小，且離目標用戶盡可能近。因此，算法設計應盡可能保證位置服務與隱私保護的平衡。 1.3.1隱私需求度量P

隱私需求度量P用于將用戶的位置隱私保護程度轉化為攻擊者的攻擊難度。匿名區域的人口密度關系到目標用戶被識別的概率，隱私保護程度也與匿名區域離用戶真實位置的距離有關[1]。因此本文將用戶的隱私需求表示為：

為運用最廣泛的算法，大多考慮快照查詢隱私保護，在連續查詢請求時易受邊界信息攻擊。因此，本文在充分考慮用戶的位置隱私與服務質量之間關系的基礎上，通過分析影響服務質量與位置隱私的各種因素，定義最優化目標函數，采用用戶自定義隱私需求的方法，實現匿名區域選擇的隨機性。實驗結果證明，該方法可較好地防止邊界信息攻擊。但是該方法得到的結果在匿名區域分布極為不均，即與目標用戶的真實距離較遠時，對服務質量影響較大，下一步還需要進一步改善。參考文獻：

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