隐私计算关键技术:隐私集合求交(PSI)原理介绍

2023-11-22 04:50

本文主要是介绍隐私计算关键技术:隐私集合求交(PSI)原理介绍,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

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隐私集合求交(Private Set Intersection,PSI)

PSI是指,参与双方在不泄露任何额外信息的情况下,得到双方持有数据的交集。在这里,额外的信息指的是除了双方的数据交集以外的任何信息。

隐私集合求交在现实场景中非常有用,比如在纵向联邦学习中做数据对齐,或是在社交软件中,通过通讯录做好友发现。因此,一个安全、快速的隐私集合求交的算法是十分重要的。

我们可以用一种非常直观的方法来进行隐私集合求交,也就是朴素哈希的方法。参与双方A、B,使用同一个哈希函数H,计算他们数据的哈希值,再将哈希过的数据互相发送给对方,然后就能求得交集了。

这种方法看起来非常简单、快速,但是,它是不安全的,有可能会泄露额外的信息。如果参与双方需要求交集的数据本身,数据空间比较小,比如说手机号、身份证号等,那么,一个恶意的参与方,就可以通过哈希碰撞的方式,在有限的时间内,碰撞出对方传过来的哈希值,从而窃取到额外的信息。因此,我们需要设计出更加安全的隐私集合求交的方法。

现在已经有了很多种不同的方法来实现隐私集合求交,比如基于Diffie-Hellman密钥交换的方法、基于不经意传输的方法等等。而截至目前,最快速的隐私集合求交方法,是基于不经意传输的。下面,我们介绍如何使用不经意传输,来实现一个隐私集合求交算法。

不经意传输(Oblivious Transfer,OT)

不经意传输是一种密码学协议,实现了发送将将潜在的许多信息中的一个传递给接收方,但是对接收方所接收的信息保持未知。

一种比较实用的不经意传输方案,被称为1-2不经意传输。在1-2不经意传输中,发送方持有两个数据,接收方可以选择获取其中的一个,但是发送方并不知道接收方选择了哪一个数据。形式化描述如下:

发送方A持有数据和[公式],接收方B持有一个比特[公式][公式],则1-2不经意传输可以描述为:

其中,B只知道,不知道[公式],而A也不知道[公式]

我们也可以将1-2不经意传输扩展为1-n不经意传输,即接收方能从n个数据中选择获取一个,且对发送方保密。

不经意传输也有很多种实现方式,不过一般都需要实用公私钥加密的方式来实现,比如RSA、椭圆曲线加密等。 在本篇文章中,我们不介绍具体的不经意传输协议,读者们可以把不经意传输当作是一个黑盒子,我们接下来详细介绍如何实用不经意传输,来构造一个隐私集合求交的方法。

隐私比较

我们先从最简单的情况开始。假设参与双方A、B,都只有一个元素,这时隐私集合求交,就退化成了隐私比较, 即A、B比较持有的元素是否相等,同时不泄露自己持有的元素。

我们假设A持有数据x,B持有数据x。不失一般性,我们假设x与y的字节长度相等,长度为,即[公式]。 现在,A为数据x的每一位,都生成两个随机的二进制串(服从均匀分布),长度为[公式],即[公式], [公式], [公式]

现在,B作为接收方,A作为发送方,开始执行1-2不经意传输协议。B根据y的每一位,选择A持有的[公式]中的一个,即[公式][公式]。B将接收到的[公式]个二进制串进行异或,得到一个二进制串[公式],即[公式][公式], 其中[公式] 表示异或。

发送方A也可以跟B一样,根据x的每一位,选择一个二进制串[公式],将这[公式]个二进制串进行异或,得到一个二进制串[公式]。当然,A生成[公式]的过程不需要使用不经意传输,因为x与K都在A的手中。

之后,A将发送给B,B即可判断x与y是否相等。

这个隐私比较的方法,显然是安全的。B使用不经意传输获得的过程中,由于不经意传输的特性,A不会知道B的数据y;使用异或得到的[公式][公式],与一个随机的n位二进制串是无法区分的,所以A和B也无法通过[公式][公式]反推出x或y。A作为发送方,不经意传输保证了A无法得到B的数据y(除非[公式]);只要B是诚实的,即不能通过不断执行这个协议来碰撞A的数据,那么B也无法得到A的数据x(除非[公式])。

由隐私比较到不经意伪随机函数

观察隐私比较,我们可以发现,发送方A持有一组二进制串,我们可以将这些二进制串整体当作一个随机种子[公式],由A持有。从B的角度来看,隐私比较的过程,就是B输入数据y,得到一个随机二进制串[公式],这个二进制串由A持有的随机种子[公式]与输入y来决定,同时A无法得知B的输入y。这一过程,就可以看作是不经意伪随机函数(Oblivious Pseudorandom Function, OPRF)。

不经意伪随机函数是一种密码学协议[3],发送方可以选择一个随机种子,接收方可以选择一个输入[公式]并得到一个伪随机函数[公式]的输出,同时发送方不知道[公式]。那么,隐私比较中,接收方B就是执行了一个不经意伪随机函数[公式],发送方A可以执行一个普通的伪随机函数[公式],通过比较[公式][公式],即可实现隐私比较。

这样来看,我们就是使用不经意伪随机函数,来构建了一个隐私比较算法。接下来,我们要更进一步,看看如何使用不经意伪随机函数,来构建隐私集合求交。

使用不经意伪随机函数构建隐私集合求交

假设A持有一组输入X,B持有一组输入Y, 。通过不经意伪随机函数,我们可以构造出一个非常朴素的隐私集合求交算法:

  1. A构造个不经意伪随机函数的种子[公式][公式]
  2. B为Y中的每一个元素y,执行一个对应不经意伪随机函数,得到集合
  3. A为X中的每一个元素x,执行每一个不经意伪随机函数,得到集合
  4. A将集合发送给B,B求交集[公式],再将交集映射回Y,即可得到X与Y的交集

这种方法简单来讲,就是B将每一个Y中的每一个元素,都与A的X中的每一个元素,通过不经意伪随机函数进行隐私比较,进而得到X与Y的交集。

这种方法虽然直观,但是开销很大,因为集合的大小是[公式],当集合大小n增长时,传输量增长很快。

那么,我们有没有办法将集合大小限制在呢?答案是可以的。这需要使用到哈希表的思想。这里,我们使用布谷鸟哈希(Cuckoo hashing)来解决这个问题。

我们首先简单介绍一下布谷鸟哈希。假设我们想要使用布谷鸟哈希,将n条数据放入个桶中,则我们首先选择3个哈希函数[公式],以及b个空的桶[公式]。要放入一条数据[公式],首先查看3个桶[公式][公式][公式]是否有空的,如果有空的,则将[公式]放入空桶。如果没有空桶,则从这三个桶中随机选择一个桶[公式][公式],踢出原来在这个桶中的元素[公式],并将x放进这个桶中,然后再继续尝试插入被踢出的元素[公式]。递归地执行这一过程,直到元素被放入一个空桶中。如果经过一定轮次后,仍然找不到空桶放入元素,那么就将被踢出的元素放到一个特殊的桶中,这个桶被称为储藏桶。

现在回到隐私集合求交的构建中,让我们看看如何在隐私集合求交中使用布谷鸟哈希。首先,A、B双方共同选择三个哈希函数。然后,B将其持有的[公式]个元素Y,使用布谷鸟哈希,放入[公式]个桶与一个储藏桶中,储藏桶的大小为[公式]。对B来说,现在每个桶中最多只有一个元素,并且储藏桶的中,最多有[公式]个元素。现在B可以构造假数据,将这些桶和储藏桶都填满,使每个桶中都有一个元素,且储藏同中正好有[公式]个元素。

然后,A可以生成个随机种子[公式],用作[公式]个不经意伪随机函数的随机种子。B作为接收方,为其桶中的每一个元素[公式],计算不经意伪随机函数。如果[公式]被放在[公式]号桶中,则计算[公式],如果[公式]被放在了储藏桶中的第[公式]个位置,则计算[公式]

另一边,A作为发送方,可以任意地计算伪随机函数,那么,A可以为其输入X计算以下两个集合:

[公式]

A将集合和集合[公式]中的元素打乱,并将这两个集合发送给B。对于B来说,如果一个元素[公式]被放到储藏桶中,则B可以在集合[公式]中查找[公式]对应的不经意伪随机函数输出;否则,就在集合[公式]中查找。通过查找,就可以得到X与Y的交集。

通过计算,我们可以发现,集合的大小为[公式],集合[公式]的大小为[公式][公式]是一个常数,因此A需要传输的数据量为[公式],是[公式]的。通过结合布谷鸟哈希,我们减少了协议所需要传输的数据量,加快了协议的执行速度。

显然,使用不经意伪随机函数构造的隐私集合求交算法,是安全的。由于不经意伪随机函数的特性,发送方A无法得知接收方B的输入。同时,对于集合中的元素,其经过伪随机函数的输出,与一个随机的二进制串无法区分,因此B也无法从伪随机函数的输出中反推出输入。在B是诚实的条件下(不能无限次地执行不经意伪随机函数来进行碰撞),这个协议是安全的。

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