基于不經意傳輸的教務數據隱私保護

張磊，李晶，楊松濤

（佳木斯大學信息電子技術學院，黑龍江佳木斯 154007）

基于不經意傳輸的教務數據隱私保護

張磊，李晶，楊松濤

（佳木斯大學信息電子技術學院，黑龍江佳木斯 154007）

教務管理系統的廣泛使用產生了大量的教務數據。在查詢或使用這些數據的過程中，用戶不可避免地會產生對自身隱私信息的關注，并且教務管理人員也不希望教務數據被過多的無關人員獲得。針對以上問題，設計了一種基于1-out-of-n不經意傳輸協議的隱私保護方法，并應用于教務管理系統查詢處理中。經過效率和安全性分析，認為該協議能夠很好地解決教務數據的隱私保護問題。

教務數據；隱私；不經意傳輸

0 引言

當前，教務網絡管理系統得到了快速發展和廣泛應用，這種可通過網絡互聯便捷地查詢和處理教務相關信息的系統正逐漸應用到日常教學工作中。然而，在使用該系統所帶來的便捷服務時，師生們發現存在這樣一個問題，即用戶的相關信息很容易在該系統中被各種不同的合法用戶所獲得，在一定程度上導致了用戶隱私信息的泄露。而傳統的基于訪問控制的隱私保護方法雖然能夠很好地保護用戶信息不被該權限以下的用戶所獲取，但是可被高于或等于該權限的用戶查詢。同時，在進行信息處理與查詢的過程中，由于需要對用戶進行訪問控制，這就不可避免地需要獲知當前用戶的相關信息，而在有些情況下，用戶并不希望系統管理人員或者其他用戶獲知自己訪問過相關數據。因此，對于教務系統數據的隱私保護需要提出一種既能夠保護系統數據，又能夠很好地模糊用戶信息的隱私保護方法。針對這個問題，本文提出了一種基于不經意傳輸的教務數據隱私保護方法。

1 不經意傳輸協議

不經意傳輸（Oblivious Transfer）是一種可保護隱私的密碼協議。簡單地說，不經意傳輸能使通信雙方以一種不經意的方式傳送消息。與匿名技術相比，不經意傳輸是一種低強度的隱私保護方法，但是在匿名技術不易實現或不合需要的場合，不經意傳輸為保護用戶的隱私提供了一種現實的選擇。

不經意傳輸是由Rabin[1]所設計的。最初的不經意傳輸協議是：由發送者給接收者發送一個消息，接收者得到它的概率是50%，使得發送者無法確定接收者是否收到該消息。該方案是建立在二次剩余假設之上的。經過多年的發展，不經意傳輸又出現了多種不同形式。當前，直接用于保護隱私的不經意傳輸是1-out-of-n不經意傳輸協議[2]。該協議由服務提供者向用戶發送由數個消息組成的消息集合，用戶在這個集合中選擇一個所需要的消息。在整個過程中，服務提供者無法獲知用戶選擇的是該集合中的哪個消息。

由于不經意傳輸特有的隱私保護特性，使得該協議被廣泛應用在實際環境中，其中較為典型的是應用在商品交易[3]、隱私保護推薦[4]和信息統計中[5]。例如，在商品交易中，不同的商品或服務價格之間存在差異，這樣接收者在不暴露相關信息的情況下很難完成交易。而標有價格的不經意傳輸使得買主可預先支付一定款項，然后多次執行協議。此時，只要買主的賬戶有足夠余額，就可得到所選擇的商品，存款余額也相應減去該商品價格，而且他不能得到價格超過其賬戶余額的商品。因此，商家不知道買主當前的賬戶余額。

由于國內教務管理系統的發展起步較晚，使得近年來相關研究主要集中在如何開發教務管理系統功能以及如何安全有效地使用教務系統方面，對于教務管理系統的隱私問題研究相對較少。同時，基于訪問控制的安全模式基本滿足了當前教務數據的系統隱私需求。然而，隨著人們信息安全意識的日益提高，人們逐漸開始關注隱私信息的保護問題，并對日常使用的便捷服務中可能產生隱私泄露的情況更為關心。因此，將不經意傳輸應用到教務管理系統具有較好的理論與應用價值。

2 基于教務數據的不經意傳輸協議

2.1 教務數據隱私保護所面對的問題

教務管理系統所面臨的安全問題主要集中在對數據的查詢和使用以及數據的安全存儲等方面。教務數據需要面對兩類不同使用者的不同隱私需求。一方面，教務系統需要保證使用者的相關信息不會被該系統的管理人員所獲知；另一方面，該系統又需要保證系統中的相關數據不被合法用戶通過合法查詢獲得大量相關數據，造成教務數據濫用。因此，教務數據的隱私保護主要涉及以下兩個問題：

（1）面向用戶的隱私保護問題；

（2）面向教務數據查詢結果的隱私保護問題。

針對這兩個主要問題，本文通過使用公鑰加密方案并基于不經意傳輸的思想設計了如下1-out-of-n不經意傳輸協議。

2.2 1-out-of-n不經意傳輸協議

假設q，p是兩個大素數（p=2q+1），G是一個q階群，α，β是群G的生成器，Zq表示q的最小剩余集合。其中α、β、G被公布給所有用戶。該協議的工作方式可表示如下：

（1）假設M=｛m1，m2，…mn｝是用戶查詢的結果集合，并且用戶希望得到該集合中的某一指定數據ma（1≤a≤n）。因此，該用戶生成一個滿足r∈Zq的隨機數，并計算y=αrβamod p，然后將y發送給教務管理系統。

（2）教務管理系統首先對M中的每個元素使用密鑰K={k1，k2，…，kn}加密，并生成加密后的集合EM（Ek1（m1），…，Ekn）（mn），在收到用戶發送的y之后，教務管理系統通過si=αhimod p以及ti=ki（y/βi）himod p計算獲得ST={（s1，t1），（s2，t2），…，（sn，tn）}，其中hi∈Zq，1≤i≤n。并將EM和ST同時返還給用戶。

（3）用戶通過ka=［ta/（sa）r］mod p計算所需要的密鑰ka，并使用該密鑰解密獲得所要查詢的數據ma。其解密公式為ma=Eka（ma）。

2.3 數據處理過程

根據以上設計的1-out-of-n不經意傳輸協議，可以在教務管理系統的查詢功能中添加如下處理過程：

（1）教務系統預先將存儲的教務數據進行分類并加密，同時生成多個不同的數據簇，每個數據簇可認為是用戶查詢時所需的數據集合M；

（2）在用戶進行數據查詢時，系統隨機分配給該用戶兩個大素數，并同時在客戶端計算y值，將該值發送給服務器端；

（3）服務器端在接收到y值后，將準備好的加密后的數據簇以及計算后獲得的密鑰集合返還給客戶端；

（4）在收到返還信息后，客戶端使用收到的密鑰集合對數據集合解密，進而獲得所要查詢的真實信息。

3 性能分析

3.1 效率分析

在不考慮教務管理系統對數據加密的情況下，該不經意傳輸方案僅需經過兩輪信息交互。且這兩輪信息交互過程中至少包含用戶選擇α并告知教務管理系統以及教務管理系統相應用戶請求。這個過程是通過用戶發送的消息y，以及教務管理系統發送的信息集合給客戶端來完成的。其中，主要的信息處理過程集中在以及的計算過程中。由于，教務系統一般部署在具有較高性能的系統服務器上，可認為該服務器能夠在較短時間內完成計算處理。因此，可認為該協議對查詢數據處理時間的影響較小。

3.2 安全性分析

在以上1-out-of-n不經意傳輸協議中，客戶端使用的α是隨機選擇的。同時，在整個服務過程中任何與該用戶有關的信息都沒有發送給教務管理系統，整個服務過程實現了對用戶的零信息披露。另外，由于客戶端僅能對所需要的信息項進行解密，使得即使在整個服務過程中教務管理系統發送了大量相關數據的情況下，用戶僅能獲得其自身所需的相關數據，而不能對其它數據加以解密。因而，教務管理數據同時也得到了相應的保護。由此，可認為該協議很好地解決了教務數據隱私所面對的兩個問題。

4 結論

本文針對教務管理系統中的教務數據查詢以及使用過程中可能產生的隱私泄露問題，在分析已有方法存在不足的基礎上，通過設計使用基于密碼技術的1-out-of-n不經意傳輸協議，有效保護了用戶和教務管理系統的數據隱私。同時，基于對該協議的效率以及安全性分析，認為該協議能夠很好地解決教務數據的隱私問題，具有較好的應用價值。

［1］Rabin M.How to Exchange Secrets by Oblivious Transfer［R］.Auken Computation Laboratory，Harvard Univ，1981.

［2］Brassard G，Crepeau C，Robert J M.Information theoretic reductions among disclosure problems［J］.Foundations of Computer Science Annual Symposium on，2010：168-173.

［3］李夷磊，陳志德.基于不經意傳輸的數字產品交易機制［J］.計算機工程，2004，30（24）：32-34.

［4］許紅梅.基于不經意傳輸協議的隱私保護推薦算法研究［J］.數學的實踐與認識，2015（22）：182-187.

［5］石潤華，仲紅，崔杰，等.具有統計特性的不經意傳輸協議［J］.電子學報，2014（11）：2273-2279.

［5］Tzeng W G.Efficient 1-out-of-n oblivious transfer schemes with universally usable parameters［J］.Computers，IEEE Transactions on，2004，53（2）：232-240.

Privacy protection of educational data based on oblivious transfer

ZHANG Lei,Li Jing,Yang Song-tao

(Jiamusi University,College of Information and Electronic Technology,Heilongjiang Jiamusi 154007,China)

Widely use of educational management system produced a large number of educational data,and the query or use of these data can bring great convenience to the teachers and the students.In the process of query or use of these data,the user inevitably pays close attention to the privacy of him and the teaching management staff do not want too much of educational data to be gained by the unrelated person.In order to solve this problem,this paper designed and utilized a privacy preservation algorithm based on 1-out-of-n oblivious transfer protocol,and applied it to the educational administration management system.At last,efficiency and security analysis further verifies that the protocol can solve the problem of educational data privacy protection.

educational data;privacy;oblivious transfer

TP391.7

A

1673-2022（2017）01-0052-03

2016－11－01

佳木斯大學教育科研課題（2016jw2003；2016JL1026）

張磊（1982-），男，黑龍江綏化人，講師，碩士，研究方向為隱私保護、數據挖掘、信息安全；李晶（1968-），女，黑龍江佳木斯人，教授，碩士，研究方向為數據挖掘、機器學習；楊松濤（1972-），男，黑龍江佳木斯人，副教授，博士，研究方向為隱私保護、信息安全。