本發(fā)明屬于云計(jì)算、信息安全領(lǐng)域，尤其涉及一種云計(jì)算中安全最近鄰檢索方法。

背景技術(shù)：

最近鄰查詢是很多領(lǐng)域中的基礎(chǔ)問題之一，隨著云計(jì)算和大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，把數(shù)據(jù)外包到云服務(wù)器變得非常流行，但是存儲(chǔ)在云中的數(shù)據(jù)有可能被泄露和篡改，給數(shù)據(jù)的安全和隱私帶來(lái)了巨大威脅，因此如何安全高效地進(jìn)行最近鄰查詢是迫切需要解決的難題。在現(xiàn)有技術(shù)中，如基于保序加密的安全最近鄰查詢方法、一種非對(duì)稱數(shù)量積保持的加密方法(aspe)等，都不可以抵抗選擇性明文攻擊，數(shù)據(jù)的安全與隱私得不到保證；還有一類方法基于非對(duì)稱加密并且需要線性級(jí)的查詢時(shí)間，有的方法執(zhí)行一次查詢需要用戶和云服務(wù)器進(jìn)行多次通訊，隨著數(shù)據(jù)量的增大，查詢所需時(shí)間會(huì)越來(lái)越長(zhǎng)，給用戶帶來(lái)不好的體驗(yàn)，還有一類方法需要依賴于安全的硬件，使得這類方法很難被推廣。

綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)存在的問題是：現(xiàn)有的技術(shù)無(wú)法同時(shí)保證安全性和高效性。安全最近鄰查詢的主要難點(diǎn)在于：為了保證數(shù)據(jù)安全性，數(shù)據(jù)擁有者需要先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和加密，然后外包給云服務(wù)器。用戶在需要查詢數(shù)據(jù)的時(shí)候，同樣需要對(duì)查詢條件進(jìn)行加密，云服務(wù)器需要在密文條件下進(jìn)行計(jì)算，最后返回給用戶加密的查詢結(jié)果。由于數(shù)據(jù)量非常大，需要設(shè)計(jì)安全高效的索引結(jié)構(gòu)，構(gòu)建出不可區(qū)分的加密索引。現(xiàn)有的技術(shù)不能夠保證安全性和高效性的原因一方面是其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法不夠安全，攻擊者能通過(guò)選擇性明文攻擊等方式獲取數(shù)據(jù)信息或者查詢信息，另一方面就是其索引不夠高效，執(zhí)行查詢操作的時(shí)間復(fù)雜度高，導(dǎo)致用戶在查詢數(shù)據(jù)的時(shí)候需要很長(zhǎng)時(shí)間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種云計(jì)算中安全最近鄰檢索方法。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種云計(jì)算中安全最近鄰檢索方法，所述云計(jì)算中安全最近鄰檢索方法采用voronoi圖對(duì)2-d空間劃分；采用兩個(gè)數(shù)組構(gòu)建單窩布魯姆過(guò)濾器和多窩魯姆過(guò)濾器兩種安全數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用多窩布魯姆過(guò)濾器來(lái)構(gòu)建不可區(qū)分的索引，單窩布魯姆過(guò)濾器用來(lái)構(gòu)建陷門，從而實(shí)現(xiàn)亞線性級(jí)的查詢時(shí)間，并達(dá)到ind-cpa的安全要求；

所述voronoi圖對(duì)2-d空間劃分記2-d空間數(shù)據(jù)集s＝{d1,d2,···,dn}，2-d空間為ω；具體包括：

第一步，根據(jù)已有數(shù)據(jù)集s，構(gòu)建出voronoi圖v，v由n個(gè)不相交的凸多邊形構(gòu)成，記為{p1,p2,···,pn}；

第二步，待劃分的區(qū)域?yàn)閞，r的初始值為ω，隨機(jī)選取x維或者y維，把r劃分為兩個(gè)矩形r1和r2，保證max(p(r1∩ω),p(r2∩ω))最小，其中p(ri∩ω)表示ω中被ri覆蓋的凸多邊形的個(gè)數(shù)，i＝1或i＝2；

第三步，遞歸執(zhí)行第二步，對(duì)于每個(gè)矩形r，和劃分后的矩形r1，r2滿足以下條件：max(p(r1∩ω),p(r2∩ω))＝p(r)，則終止劃分，其中p(r)表示ω中被r覆蓋的凸多邊形的個(gè)數(shù)；

采用q和d表示兩個(gè)數(shù)組，長(zhǎng)度都為nc，q用來(lái)構(gòu)建布魯姆過(guò)濾器，d用來(lái)構(gòu)建布魯姆過(guò)濾器，sq表示待存入q中的元素集合，sd表示待存入d中的元素集合；nc≥1.2×|sq|；用h1,h2,···,hm表示m個(gè)hash函數(shù)(m≥2)，對(duì)于一個(gè)輸入的元素，每個(gè)hash函數(shù)都輸出[0,nc－1]中的一個(gè)位置id，用h1,h2,···,hk表示另外k個(gè)不同的hash函數(shù)，對(duì)于一個(gè)輸入的元素，輸出[0，w-1]中的一個(gè)位置id，其中w表示一個(gè)整數(shù)的位數(shù)。

進(jìn)一步，所述q的構(gòu)建方法如下：

第一步，把q中的每個(gè)單元qi都初始化為0；

第二步，對(duì)于sq中的每個(gè)元素ei，計(jì)算出h1(ei),h2(ei),···,hm(ei)，即ei的m個(gè)可能存儲(chǔ)的位置，其中，0≤i<|sq|；

第三步，建立一個(gè)從sq到q的二部圖bigraph，利用匈牙利算法，為sq中的每一個(gè)元素找到在q中的一個(gè)唯一的位置；

第四步，對(duì)于q中的每個(gè)單元qi，如果e，滿足i＝bigraph(e)，計(jì)算h1(e),h2(e),···,hk(e)，把qi中這k位設(shè)為1，其中，0≤i<nc，e為sq中任意元素。

進(jìn)一步，所述d的構(gòu)建方法如下：

第一步，把d中的每個(gè)單元di都初始化為0；

第二步，對(duì)于sd中的每個(gè)元素ei，計(jì)算出h1(ei),h2(ei),···,hm(ei)，其中，0≤i<|sq|；

第三步，對(duì)于d中的每個(gè)單元di，如果e，滿足i＝hj(e)，計(jì)算h1(e),h2(e),···,hk(e)，把di中這k個(gè)位置設(shè)為1，其中，0≤i<nc，1≤j<m，e為sq中任意元素。

進(jìn)一步，采用安全索引構(gòu)建方法，構(gòu)建出索引樹，具體包括：

第一步，對(duì)于待劃分的區(qū)域r，用前面介紹的2-d空間劃分方法劃分，r被按t維劃分為r1和r2，t為x或者y，r1和r2在t維上的范圍為r1:r2:對(duì)于每一個(gè)范圍r，r1和r2，把r轉(zhuǎn)化為一個(gè)前綴集合s，然后對(duì)于s中的每一個(gè)元素p，都與t的標(biāo)簽連接起來(lái)，構(gòu)建一個(gè)布魯姆過(guò)濾器，內(nèi)部節(jié)點(diǎn)中兩個(gè)multi-homing布魯姆過(guò)濾器的左右順序是隨機(jī)排列的，左邊的用表示，右邊的用表示；如果r1和r2不需要繼續(xù)劃分，則分別把r1和r2中所覆蓋的凸多邊形所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)用cpa加密算法進(jìn)行加密，構(gòu)建葉子節(jié)點(diǎn)，和分別指向所表示區(qū)域?qū)?yīng)的加密的葉子節(jié)點(diǎn)；如果r1和r2需要繼續(xù)劃分，和分別指向所表示區(qū)域，然后執(zhí)行第二步；

第二步，對(duì)r1和r2分別繼續(xù)執(zhí)行第一步。

進(jìn)一步，給定一個(gè)查詢q＝{qx,qy}，生成對(duì)應(yīng)的陷門，具體包括：

第一步，把qx和qy轉(zhuǎn)為為兩個(gè)前綴集合f(qx)和f(qy)；

第二步，把f(qx)中的每一個(gè)前綴和x維的標(biāo)簽連接起來(lái)，把f(qy)中的每一個(gè)前綴和y維的標(biāo)簽連接起來(lái)，運(yùn)用前面提出的single-homing布魯姆過(guò)濾器的構(gòu)建方法，創(chuàng)建出布魯姆過(guò)濾器

進(jìn)一步，給定一個(gè)q，客戶端利用陷門生成方法生成對(duì)應(yīng)的陷門發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器通過(guò)計(jì)算返回給客戶端加密的最近鄰點(diǎn)，具體算法如下：

輸入：索引樹i，陷門

輸出：q的最近鄰。

進(jìn)一步包括：

(1)首先計(jì)算如果執(zhí)行(2)，然后計(jì)算如果執(zhí)行(3)；

(2)如果i是葉子節(jié)點(diǎn)，輸出i.left->data，否則，把i.left作為索引，執(zhí)行(1)；

(3)如果i是葉子節(jié)點(diǎn)，輸出i.right->data，否則，把i.right作為索引，執(zhí)行(1)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及積極效果為：為了保證數(shù)據(jù)的安全性，將2-d安全最近鄰查詢問題轉(zhuǎn)為判斷點(diǎn)是否在某個(gè)范圍內(nèi)的問題，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為了兩個(gè)集合是否相交的問題。本發(fā)明基于voronoi圖的2-d空間劃分方案、單窩布魯姆過(guò)濾器和多窩布魯姆過(guò)濾器兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，保證服務(wù)器在不知道數(shù)據(jù)真實(shí)值和查詢的真實(shí)值的情況下進(jìn)行最近鄰查詢，滿足了ind-cpa安全要求，并且達(dá)到亞線性級(jí)查詢時(shí)間(在1000萬(wàn)條數(shù)據(jù)的情況下查詢時(shí)間小于1毫秒)，現(xiàn)有的方法無(wú)法滿足ind-cpa安全級(jí)別，同時(shí)需要較長(zhǎng)的查詢時(shí)間(如一種現(xiàn)有的基于非對(duì)稱加密的技術(shù)，對(duì)于一個(gè)僅有1萬(wàn)條數(shù)據(jù)記錄的數(shù)據(jù)集，查詢時(shí)間就需要幾個(gè)小時(shí))。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的云計(jì)算中安全最近鄰檢索方法流程圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的云計(jì)算中安全最近鄰檢索方法具體應(yīng)用示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用原理作詳細(xì)的描述。

如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的云計(jì)算中安全最近鄰檢索方法包括以下步驟：

s101：采用voronoi圖對(duì)2-d空間劃分；

s102：采用兩個(gè)數(shù)組構(gòu)建單窩(single-homing)布魯姆過(guò)濾器和多窩(multi-homingzh)布魯姆過(guò)濾器兩種安全數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；

s103：構(gòu)建出一顆索引樹，保證實(shí)現(xiàn)亞線性級(jí)的查詢時(shí)間；

s104：采用安全最近鄰查詢算法，客戶端利用陷門生成方法生成對(duì)應(yīng)的陷門，發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器通過(guò)計(jì)算返回給客戶端加密的最近鄰點(diǎn)。

本發(fā)明實(shí)施例提供的云計(jì)算中安全最近鄰檢索方法具體包括以下步驟：

(1)首先提出了基于voronoi圖的2-d空間劃分方案：

記2-d空間數(shù)據(jù)集s＝{d1,d2,···,dn}，2-d空間為ω；

第一步，根據(jù)已有數(shù)據(jù)集s，構(gòu)建出voronoi圖v，v由n個(gè)不相交的凸多邊形構(gòu)成，記為{p1,p2,···,pn}；

第二步，設(shè)待劃分的區(qū)域?yàn)閞，r的初始值為ω，隨機(jī)選取x維或者y維，把r劃分為兩個(gè)矩形r1和r2，保證max(p(r1∩ω),p(r2∩ω))最小，其中p(ri∩ω)表示ω中被ri覆蓋的凸多邊形的個(gè)數(shù)(i＝1或i＝2)；

第三步，遞歸執(zhí)行第二步，對(duì)于每個(gè)矩形r，如果和劃分后的矩形r1，r2滿足以下條件：max(p(r1∩ω),p(r2∩ω))＝p(r)，則終止劃分，其中p(r)表示ω中被r覆蓋的凸多邊形的個(gè)數(shù)。

(2)其次，提出單窩(single-homing)布魯姆過(guò)濾器和多窩(multi-homingzh)布魯姆過(guò)濾器兩種安全數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明用q和d表示兩個(gè)數(shù)組，長(zhǎng)度都為nc，q用來(lái)構(gòu)建single-homing布魯姆過(guò)濾器，d用來(lái)構(gòu)建multi-homing布魯姆過(guò)濾器，sq表示待存入q中的元素集合，sd表示待存入d中的元素集合；本發(fā)明設(shè)置nc≥1.2×|sq|.用h1,h2,···,hm表示m個(gè)hash函數(shù)(m≥2)，對(duì)于一個(gè)輸入的元素，每個(gè)hash函數(shù)都輸出[0,nc－1]中的一個(gè)位置id，用h1,h2,···,hk表示另外k個(gè)不同的hash函數(shù)，對(duì)于一個(gè)輸入的元素，輸出[0，w-1]中的一個(gè)位置id，其中w表示一個(gè)整數(shù)的位數(shù)。

q的構(gòu)建方法如下：

第一步：把q中的每個(gè)單元qi都初始化為0；

第二步，對(duì)于sq中的每個(gè)元素ei，計(jì)算出h1(ei),h2(ei),···,hm(ei)，即ei的m個(gè)可能存儲(chǔ)的位置，其中，0≤i<|sq|；

第三步，建立一個(gè)從sq到q的二部圖bigraph，利用匈牙利算法，為sq中的每一個(gè)元素找到在q中的一個(gè)唯一的位置；

第四步，為了做到不可區(qū)分性，對(duì)于q中的每個(gè)單元qi，如果e，滿足i＝bigraph(e)，計(jì)算h1(e),h2(e),···,hk(e)，把qi中這k位設(shè)為1，其中，0≤i<nc，e為sq中任意元素。

d的構(gòu)建方法如下：

第一步：把d中的每個(gè)單元di都初始化為0；

第二步，對(duì)于sd中的每個(gè)元素ei，計(jì)算出h1(ei),h2(ei),···,hm(ei)，其中，0≤i<|sq|；

第三步，對(duì)于d中的每個(gè)單元di，如果e，滿足i＝hj(e)，計(jì)算h1(e),h2(e),···,hk(e)，把di中這k個(gè)位置設(shè)為1，其中，0≤i<nc，1≤j<m，e為sq中任意元素。

(3)再次，提出安全索引構(gòu)建方法，構(gòu)建出一顆索引樹，用來(lái)保證本發(fā)明實(shí)現(xiàn)亞線性級(jí)的查詢時(shí)間。

第一步，對(duì)于待劃分的區(qū)域r，用前面介紹的2-d空間劃分方法劃分，r被按t維劃分為r1和r2(t為x或者y)，r1和r2在t維上的范圍為r1:r2:對(duì)于每一個(gè)范圍r(r1和r2)，把r轉(zhuǎn)化為一個(gè)前綴集合s，然后對(duì)于s中的每一個(gè)元素p，都與t的標(biāo)簽連接起來(lái)，構(gòu)建一個(gè)multi-homing布魯姆過(guò)濾器。為了做到不可區(qū)分，內(nèi)部節(jié)點(diǎn)中兩個(gè)multi-homing布魯姆過(guò)濾器的左右順序是隨機(jī)排列的，左邊的用表示，右邊的用表示。如果r1和r2不需要繼續(xù)劃分，則分別把r1和r2中所覆蓋的凸多邊形所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)用cpa加密算法進(jìn)行加密，構(gòu)建葉子節(jié)點(diǎn)，和分別指向所表示區(qū)域?qū)?yīng)的加密的葉子節(jié)點(diǎn)；如果r1和r2需要繼續(xù)劃分，和分別指向所表示區(qū)域，然后執(zhí)行第二步；

第二步，對(duì)r1和r2分別繼續(xù)執(zhí)行第一步。

然后，提出了陷門生成方法，給定一個(gè)查詢q＝{qx,qy}，生成對(duì)應(yīng)的陷門。

第一步，把qx和qy轉(zhuǎn)為為兩個(gè)前綴集合f(qx)和f(qy)；

第二步，把f(qx)中的每一個(gè)前綴和x維的標(biāo)簽連接起來(lái)，把f(qy)中的每一個(gè)前綴和y維的標(biāo)簽連接起來(lái)，然后運(yùn)用前面提出的single-homing布魯姆過(guò)濾器的構(gòu)建方法，創(chuàng)建出一個(gè)single-homing布魯姆過(guò)濾器

(4)最后，提出了安全最近鄰查詢查詢算法。給定一個(gè)q，客戶端利用陷門生成方法生成對(duì)應(yīng)的陷門發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器通過(guò)計(jì)算返回給客戶端加密的最近鄰點(diǎn)，具體算法如下：

輸入：索引樹i，陷門

輸出：q的最近鄰；

step1:首先計(jì)算如果執(zhí)行step2，然后計(jì)算如果執(zhí)行step3；

step2:如果i是葉子節(jié)點(diǎn)，輸出i.left->data，否則，把i.left作為索引，執(zhí)行step1；

step3:如果i是葉子節(jié)點(diǎn)，輸出i.right->data，否則，把i.right作為索引，執(zhí)行step1。

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用原理作進(jìn)一步的描述。

如圖2所示：

(1)數(shù)據(jù)擁有者將數(shù)據(jù)集按照所提出的安全索引構(gòu)建方案生成加密的索引；

(2)數(shù)據(jù)擁有者將加密的索引發(fā)送給云服務(wù)器，并將秘鑰發(fā)送給授權(quán)用戶；

(3)用戶利用提出的陷門生成方法，生成查詢條件對(duì)應(yīng)的陷門，向云服務(wù)器發(fā)起最近鄰查詢請(qǐng)求；

(4)云服務(wù)器收到用戶的請(qǐng)求后，運(yùn)行提出的安全最近鄰查詢算法，將查詢后加密的結(jié)果返回給用戶；

(5)用戶將加密的查詢結(jié)果解密，得到明文下的結(jié)果。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。