摘 要：針對(duì)多用戶(hù)位置共享場(chǎng)景下的隱私保護(hù)問(wèn)題，基于區(qū)域混淆發(fā)布的用戶(hù)位置隱私保護(hù)方法無(wú)法解決多用戶(hù)匯合問(wèn)題，而基于位置概率的精確假位置混淆發(fā)布方法執(zhí)行效率較低，因此提出多用戶(hù)位置共享隱私保護(hù)框架以解決該難題。對(duì)于不共享位置的用戶(hù)，以及與好友距離較遠(yuǎn)時(shí)共享位置的用戶(hù)，采用k-時(shí)空匿名思想將位置發(fā)布成安全區(qū)域;對(duì)與好友距離小于閾值的共享位置用戶(hù)，根據(jù)位置點(diǎn)概率發(fā)布思想及類(lèi)HMM模型，將安全區(qū)域發(fā)布切換成假位置點(diǎn)發(fā)布;當(dāng)兩用戶(hù)過(guò)于接近時(shí)，將其視為一個(gè)用戶(hù)并將假位置點(diǎn)發(fā)布重新切換成安全區(qū)域發(fā)布。通過(guò)將兩種位置發(fā)布方法的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，得出結(jié)論：該框架能高效地對(duì)多用戶(hù)位置共享下的用戶(hù)位置進(jìn)行隱私保護(hù)。

關(guān)鍵詞：位置共享;隱私保護(hù);概率發(fā)布;k-時(shí)空匿名;HMM

DOI：10. 11907/rjdk. 182279

中圖分類(lèi)號(hào)：TP309文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-7800（2019）004-0153-05

0 引言

近年來(lái)，由于智能手機(jī)及其它智能移動(dòng)設(shè)備的普及，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)得到了迅速發(fā)展。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與移動(dòng)通信技術(shù)相對(duì)接，使智能移動(dòng)終端加入互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，并開(kāi)展商業(yè)應(yīng)用。根據(jù)中國(guó)移動(dòng)2018年5月公布的運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)顯示，僅移動(dòng)一家的4G用戶(hù)即達(dá)到6.718 23億戶(hù)。極光大數(shù)據(jù)2018年移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)數(shù)據(jù)研究報(bào)告指出，中國(guó)移動(dòng)網(wǎng)民（指通過(guò)移動(dòng)終端參與互聯(lián)網(wǎng)活動(dòng)的公民）每日平均花費(fèi)4.2小時(shí)使用手機(jī)APP。同時(shí)，智能移動(dòng)終端所特有的定位方式催生出各種LBS（基于位置服務(wù)）應(yīng)用，使移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)活動(dòng)帶給用戶(hù)前所未有的新體驗(yàn)。如在線旅游、共享單車(chē)、團(tuán)購(gòu)?fù)赓u(mài)類(lèi)APP均是由LBS輔助，網(wǎng)絡(luò)社交類(lèi)、地圖導(dǎo)航類(lèi)APP也是依賴(lài)LBS為用戶(hù)提供服務(wù)。筆者于2017年提出一種基于LBS的多用戶(hù)位置共享方法MULS[1]，指出市場(chǎng)上多數(shù)基于LBS的應(yīng)用缺乏用戶(hù)間的位置交互。通過(guò)引入MULS方法，可使LBS充分發(fā)揮對(duì)應(yīng)用的輔助功能，提升應(yīng)用服務(wù)層次，拓寬應(yīng)用業(yè)務(wù)范圍。高德導(dǎo)航與微信的APP目前也已出現(xiàn)基于多用戶(hù)位置共享思想的新功能。

位置服務(wù)通過(guò)虛實(shí)結(jié)合（線上線下）為用戶(hù)提供便利，并在大數(shù)據(jù)背景下為數(shù)據(jù)分析與挖掘帶來(lái)新的發(fā)揮空間。但是位置信息泄露也成為人們關(guān)注的問(wèn)題：對(duì)包含位置信息的應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)分析與挖掘，不僅可直接獲取用戶(hù)歷史位置記錄[2]，還可能通過(guò)時(shí)空位置序列規(guī)律推導(dǎo)用戶(hù)出行規(guī)律;通過(guò)用戶(hù)歷史移動(dòng)軌跡，可能分析出特殊用戶(hù)的行為模式及生活方式等[3];服務(wù)提供商歷史用戶(hù)服務(wù)數(shù)據(jù)的泄露會(huì)造成用戶(hù)信息濫用，或出現(xiàn)倒賣(mài)用戶(hù)信息等違法現(xiàn)象。因此，許多學(xué)者對(duì)于位置隱私保護(hù)領(lǐng)域進(jìn)行研究，并針對(duì)特定場(chǎng)景提出一些行之有效的保護(hù)措施，但對(duì)于多用戶(hù)位置共享下的位置隱私保護(hù)尚無(wú)特別有效的保護(hù)措施。本文提出在多用戶(hù)位置共享下的隱私保護(hù)框架，該框架能解決位置共享與位置隱私保護(hù)之間的沖突，在不影響用戶(hù)位置共享體驗(yàn)的前提下，可對(duì)用戶(hù)位置隱私進(jìn)行有效保護(hù)。

1 相關(guān)工作

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同場(chǎng)景下的位置隱私保護(hù)提出了許多不同解決方案。從保護(hù)對(duì)象角度出發(fā)，隱私保護(hù)分為用戶(hù)位置信息隱私保護(hù)和服務(wù)提供商歷史位置點(diǎn)服務(wù)信息隱私保護(hù)[4-5];從位置發(fā)布方式角度出發(fā)，分為單一位置隱私保護(hù)和連續(xù)移動(dòng)軌跡隱私保護(hù)[6-8]。不管是哪種隱私保護(hù)，其目的都是保護(hù)用戶(hù)隱私，也即是說(shuō)服務(wù)數(shù)據(jù)可以加以使用，但不能讓數(shù)據(jù)與實(shí)際用戶(hù)直接產(chǎn)生聯(lián)系，不能將某個(gè)或某些敏感位置同用戶(hù)真實(shí)身份關(guān)聯(lián)起來(lái)。近年來(lái)，隱私保護(hù)研究取得了大量成果，可通過(guò)假名[2]、匿名[9]、位置混淆[10]以及加密技術(shù)[11]等實(shí)現(xiàn)隱私保護(hù)。

假名策略原理簡(jiǎn)單，采用符號(hào)代替用戶(hù)真實(shí)姓名與用戶(hù)位置進(jìn)行關(guān)聯(lián)。該策略運(yùn)行效率較高，但在用戶(hù)位置特殊的情況下，攻擊者能迅速將假名與用戶(hù)真實(shí)身份相關(guān)聯(lián)，且假名策略對(duì)于用戶(hù)連續(xù)移動(dòng)軌跡的隱私保護(hù)效果甚微;匿名策略又分為空間匿名和時(shí)空匿名。空間匿名通過(guò)泛化用戶(hù)位置，降低對(duì)象空間粒度，用一個(gè)空間區(qū)域代替用戶(hù)真實(shí)精確位置，且區(qū)域形狀不限（常用矩形與圓形）。該策略針對(duì)單一位置的隱私保護(hù)效果較好，但運(yùn)行效率較假名策略低，且當(dāng)用戶(hù)位置持續(xù)移動(dòng)時(shí)，有可能超出泛化空間區(qū)域。對(duì)其進(jìn)行改良后，出現(xiàn)了時(shí)空匿名策略。時(shí)空匿名在空間匿名基礎(chǔ)上增加了時(shí)間軸，在不斷重建位置區(qū)域的同時(shí)延遲響應(yīng)時(shí)間。時(shí)空匿名策略的隱私匿名度更高，但同時(shí)會(huì)降低服務(wù)效率;位置混淆也稱(chēng)為假位置，即將用戶(hù)當(dāng)前位置發(fā)布為用戶(hù)歷史位置或虛假位置。該策略在單一瞬時(shí)位置保護(hù)上比假名策略的隱私保護(hù)性更強(qiáng)，攻擊者獲取用戶(hù)當(dāng)前發(fā)布位置也無(wú)法推測(cè)出用戶(hù)實(shí)際位置。將其應(yīng)用于連續(xù)移動(dòng)軌跡隱私保護(hù)中，若在移動(dòng)位置序列中發(fā)布的假位置太少，則攻擊者仍能根據(jù)整個(gè)移動(dòng)位置序列中的特征規(guī)律甄別出用戶(hù)，若發(fā)布的假位置太多，則會(huì)嚴(yán)重影響服務(wù)效率[12];對(duì)用戶(hù)提交給服務(wù)提供商，再由服務(wù)提供商提交給云平臺(tái)的位置及相關(guān)信息進(jìn)行加密也是一種有效的位置隱私保護(hù)策略。攻擊者獲取已加密數(shù)據(jù)后要先進(jìn)行破解，然后才能進(jìn)行挖掘并尋找有用信息，從而使攻擊難度及成本大大提高。但加解密過(guò)程本身也增加了服務(wù)商及云平臺(tái)運(yùn)算負(fù)擔(dān)，運(yùn)行效率較其它策略有一定程度下降[13-14]。

然而，上述工作未專(zhuān)門(mén)針對(duì)多用戶(hù)位置共享場(chǎng)景給出有效的隱私保護(hù)機(jī)制。隨著高德導(dǎo)航和微信兩個(gè)地圖導(dǎo)航及社交網(wǎng)絡(luò)類(lèi)應(yīng)用代表推出多用戶(hù)位置共享功能，可預(yù)測(cè)將有更多LBS應(yīng)用對(duì)其進(jìn)行效仿。因此，為多用戶(hù)位置共享設(shè)計(jì)有效的保護(hù)機(jī)制勢(shì)在必行。本文結(jié)合前人研究成果，針對(duì)多用戶(hù)位置共享功能中位置共享與位置隱私保護(hù)的沖突，提出多用戶(hù)位置共享隱私保護(hù)框架。該框架能在用戶(hù)具有良好共享體驗(yàn)的前提下，有效保障用戶(hù)位置隱私。

2 問(wèn)題描述

在傳統(tǒng)LBS應(yīng)用中，位置信息傳遞一般只存在于位置查詢(xún)發(fā)起用戶(hù)與服務(wù)商之間。因此，傳統(tǒng)位置隱私攻擊一般將攻擊重點(diǎn)放在位置查詢(xún)發(fā)起端，或?qū)Ψ?wù)商數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘攻擊。

在多用戶(hù)位置共享中，假設(shè)有3個(gè)用戶(hù)A、B、C，A可通過(guò)位置查詢(xún)獲取自身當(dāng)前位置，還可通過(guò)服務(wù)商將該位置分享給好友B和C。也即是說(shuō)，B、C不僅可以通過(guò)位置查詢(xún)獲取自身當(dāng)前位置，還可通過(guò)服務(wù)商獲取A的當(dāng)前位置。如果該服務(wù)商允許共享用戶(hù)間移動(dòng)軌跡，則B、C還可獲取到A歷史位置序列。在該場(chǎng)景中，若攻擊者想獲取A的隱私位置，不僅可以通過(guò)A的終端及服務(wù)商歷史數(shù)據(jù)，還可通過(guò)A的好友列表從其他用戶(hù)終端獲取。并且在很多情況下，由于A、B、C想借助共享位置進(jìn)行匯合，要求發(fā)布共享的位置必須精確，從而使攻擊者更容易得到用戶(hù)隱私位置，多用戶(hù)位置共享下的位置隱私保護(hù)也變得更加困難[1]。

3 多用戶(hù)位置共享隱私保護(hù)框架

該隱私保護(hù)框架與傳統(tǒng)隱私保護(hù)不同，首先要對(duì)多用戶(hù)位置共享中的用戶(hù)位置出現(xiàn)情況進(jìn)行分析。仍然以A、B、C 3用戶(hù)為例，A與B、C分享自己的位置。在A進(jìn)行位置查詢(xún)后，哪些角色會(huì)獲取A的位置？主要包括：①A會(huì)實(shí)時(shí)獲取自身當(dāng)前位置;②服務(wù)提供商數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)將A的當(dāng)前位置與其最近一次位置進(jìn)行比對(duì)。若兩位置不同，則將A當(dāng)前位置及時(shí)間保存并添加到A的移動(dòng)軌跡中;③若時(shí)間滿(mǎn)足推送頻率，且A當(dāng)前位置被保存，則服務(wù)器根據(jù)A的好友列表將A的當(dāng)前位置推送給B和C。因此，A用戶(hù)位置可能存在于3個(gè)不同地方：A終端、好友終端與服務(wù)商數(shù)據(jù)庫(kù)。本文提出的框架在兼顧用戶(hù)共享體驗(yàn)并保證運(yùn)行效率的同時(shí)，可對(duì)用戶(hù)隱私進(jìn)行全方位保護(hù)。由于在服務(wù)商數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)用戶(hù)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行隱私保護(hù)屬于后期隱私保護(hù)，可單獨(dú)使用BF-P2Ak[15]技術(shù)對(duì)歷史數(shù)據(jù)集D進(jìn)行過(guò)濾，形成安全數(shù)據(jù)集D′ ，以保證數(shù)據(jù)有效性及用戶(hù)數(shù)據(jù)的k-匿名。因此，本文僅從前兩方面介紹框架具體內(nèi)容。

3.1 非位置共享用戶(hù)位置保護(hù)

假設(shè)A不與其他用戶(hù)共享自己的位置，并假設(shè)攻擊者能遠(yuǎn)程監(jiān)聽(tīng)A終端，獲取A發(fā)布的位置信息。本文嘗試采用時(shí)空匿名方式將用戶(hù)具體位置泛化成區(qū)域，使攻擊者僅能得到模糊位置，而A可以根據(jù)周?chē)鷪?chǎng)景對(duì)自身位置進(jìn)行確認(rèn)。但隨著用戶(hù)移動(dòng)并進(jìn)行頻繁的連續(xù)位置查詢(xún)，發(fā)布的位置按照時(shí)間軸會(huì)形成模糊移動(dòng)軌跡，可將其看作一個(gè)位置區(qū)域序列。雖然時(shí)空匿名會(huì)不斷重建區(qū)域，似乎一直無(wú)法得到A的精確位置，但若隨時(shí)間軸將一系列重建區(qū)域聯(lián)系起來(lái)，根據(jù)移動(dòng)軌跡的空間相關(guān)性，攻擊者還是能夠縮小用戶(hù)位置區(qū)域。隨著用戶(hù)的不斷移動(dòng)，位置區(qū)域也會(huì)越來(lái)越小，最終鎖定用戶(hù)的精確位置（見(jiàn)圖1）。

因此，本文對(duì)該空間匿名方法進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)合k-匿名思想，在每次泛化用戶(hù)位置區(qū)域的同時(shí)，通過(guò)服務(wù)器查找A附近其他用戶(hù)。將位置區(qū)域構(gòu)建成包含A在內(nèi)用戶(hù)數(shù)u≥k的矩形區(qū)域，并稱(chēng)之為安全區(qū)域[16-18]，在安全區(qū)域內(nèi)無(wú)法分辨k個(gè)用戶(hù)中哪個(gè)是A。當(dāng)用戶(hù)移動(dòng)位置超出該安全區(qū)域，服務(wù)器將重建此區(qū)域，該方法被稱(chēng)為k-時(shí)空匿名。

圖2簡(jiǎn)單描述了采用k-時(shí)空匿名優(yōu)化空間匿名方法后的效果。假設(shè)k=4，在圖中每個(gè)矩形區(qū)域內(nèi)，星形為A每次進(jìn)行位置查詢(xún)后發(fā)布的位置，圓環(huán)為其他用戶(hù)位置。幾乎每次重建的安全區(qū)域都包括至少4個(gè)用戶(hù)，但第2個(gè)區(qū)域只有3個(gè)用戶(hù)，用戶(hù)數(shù)u小于k。此時(shí)有兩種方案可供選擇，對(duì)此次查詢(xún)位置不進(jìn)行發(fā)布，或在發(fā)布該位置的同時(shí)隨機(jī)虛擬出多個(gè)其他用戶(hù)位置。圖2采用后一種方案，使第二個(gè)安全區(qū)域的用戶(hù)數(shù)u=k，其中小矩形即為虛擬用戶(hù)位置。使用k-時(shí)空匿名構(gòu)建安全區(qū)域，不僅泛化了A的位置，并且在連續(xù)移動(dòng)過(guò)程中，不斷重建的安全區(qū)域聯(lián)合分析出的移動(dòng)軌跡與用戶(hù)A的實(shí)際移動(dòng)軌跡不同。圖2中連接每顆星形的軌跡為A的移動(dòng)軌跡，另一條軌跡為安全區(qū)域聯(lián)合分析出的移動(dòng)軌跡。由于每個(gè)安全區(qū)域都至少有k個(gè)用戶(hù)，攻擊者跟隨大致移動(dòng)軌跡進(jìn)行尋找，也難以在當(dāng)前安全區(qū)域內(nèi)從k個(gè)用戶(hù)中鎖定A。

3.2 位置共享用戶(hù)位置保護(hù)

該框架可對(duì)位置查詢(xún)用戶(hù)A進(jìn)行保護(hù)，那么當(dāng)A的位置被分享給其他用戶(hù)后，其是否還能被有效保護(hù)？假設(shè)A與B、C共享自身位置，并假設(shè)攻擊者能遠(yuǎn)程監(jiān)聽(tīng)A、B、C三者終端。隨著A位置的變化，服務(wù)器會(huì)在數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢(xún)A的好友列表，并按照一定頻率將A的最新位置逐一推送給B和C。按照3.1節(jié)中的k-時(shí)空匿名方法，B和C查詢(xún)到的自身當(dāng)前位置，以及服務(wù)器推送給B和C的A當(dāng)前位置也同樣是重建后的安全區(qū)域，從而使B、C在大致了解A位置的同時(shí)，沒(méi)有增加攻擊者獲取A位置的信息量。

為了保證用戶(hù)具有良好的位置共享體驗(yàn)，服務(wù)端要以一定頻率不斷對(duì)A及A的好友位置距離進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)A與其任意好友的距離S小于等于某值時(shí)，則理解為A要與該好友匯合。此時(shí)若將用戶(hù)位置簡(jiǎn)單發(fā)布成k-時(shí)空匿名安全區(qū)域，則會(huì)嚴(yán)重影響用戶(hù)的位置共享體驗(yàn)，A與A的好友將難以通過(guò)位置共享快速找到對(duì)方，但若將位置發(fā)布成實(shí)際位置又會(huì)將其暴露。因此，將A和B位置發(fā)布為假位置點(diǎn)，也稱(chēng)為觀察位置。如圖3所示，星形點(diǎn)為A的位置，A所在安全區(qū)域?qū)蔷€長(zhǎng)為S1;螺旋形點(diǎn)為B的位置，B所在安全區(qū)域?qū)蔷€長(zhǎng)為S2。在匯合過(guò)程中，當(dāng)A和B的安全區(qū)域逐漸接近時(shí)，將兩區(qū)域中心點(diǎn)距離視作A與B的距離S。當(dāng)Smin

多用戶(hù)位置共享隱私保護(hù)框架將位置點(diǎn)概率發(fā)布的思想，結(jié)合類(lèi)HMM模型以及隱藏狀態(tài)到觀察狀態(tài)的發(fā)布概率矩陣進(jìn)行假位置發(fā)布[19-20]。由于A是位置共享方，將A的敏感位置按照提前建立的模型發(fā)布成觀察位置A′ 。圖4為A位置發(fā)布模型，當(dāng)A位置準(zhǔn)備發(fā)布成假位置時(shí)，將A所在安全區(qū)域中k個(gè)（設(shè)k=5）用戶(hù)實(shí)際位置看作敏感位置，構(gòu)成隱藏位置集合H={h1，…，h5}。這里選取n個(gè)（設(shè)n=4）觀察位置作為可能發(fā)布的假位置，構(gòu)成觀察位置集合O={o1，…，o4}，其中每個(gè)隱藏位置hi（i∈[1，5]）都有一定概率發(fā)布成任意一個(gè)觀察位置oj（j∈[1，4]）。圖5是將隱藏位置發(fā)布成觀察位置的概率矩陣R，每個(gè)rij表示將隱藏位置hi發(fā)布成觀察位置oj的概率。

當(dāng)Smin

4 效果論證

多用戶(hù)位置共享中的用戶(hù)位置保護(hù)有以下兩個(gè)難點(diǎn)：一是用戶(hù)位置隨著用戶(hù)的不斷移動(dòng)會(huì)形成軌跡，從而使針對(duì)單一瞬時(shí)位置的隱私保護(hù)策略失效;二是當(dāng)好友匯合時(shí)，用戶(hù)間的共享位置最終要作為用戶(hù)行動(dòng)的導(dǎo)向，因此位置不能發(fā)布成區(qū)域，必須是位置點(diǎn)，從而使一系列泛化位置的隱私保護(hù)策略失效。然而，現(xiàn)有針對(duì)移動(dòng)軌跡的位置點(diǎn)發(fā)布隱私保護(hù)策略，執(zhí)行效率遠(yuǎn)低于位置區(qū)域發(fā)布隱私保護(hù)策略[14]。圖6大致展示了位置點(diǎn)概率發(fā)布響應(yīng)時(shí)間隨敏感位置數(shù)目變化的趨勢(shì)[12]。從圖中可以看出，位置點(diǎn)概率發(fā)布響應(yīng)時(shí)間超過(guò)24s。圖7展示了k-時(shí)空匿名安全區(qū)域發(fā)布響應(yīng)時(shí)間隨k值的變化規(guī)律。k值越大，隱私保護(hù)度越高，但響應(yīng)時(shí)間會(huì)縮短。當(dāng)k=5時(shí)，響應(yīng)時(shí)間仍小于4s。顯然兩類(lèi)技術(shù)中，位置區(qū)域發(fā)布比位置點(diǎn)發(fā)布的響應(yīng)時(shí)間短得多。多用戶(hù)位置共享隱私保護(hù)框架對(duì)非位置共享用戶(hù)，以及還不需要精確位置點(diǎn)進(jìn)行導(dǎo)航的位置共享用戶(hù)采用k-時(shí)空匿名安全區(qū)域發(fā)布方法，既對(duì)用戶(hù)位置進(jìn)行了保護(hù)，又保證了服務(wù)的快速響應(yīng)。當(dāng)且僅當(dāng)位置共享用戶(hù)與好友即將見(jiàn)面Smin

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出的多用戶(hù)位置共享隱私保護(hù)框架從用戶(hù)位置可能存在的兩種不同情況出發(fā)，分別給出最合適的隱私保護(hù)策略，其中的難點(diǎn)為對(duì)位置共享用戶(hù)的位置保護(hù)。針對(duì)多用戶(hù)位置共享中位置共享與位置隱私保護(hù)的沖突，該隱私保護(hù)框架在位置共享好友間距較遠(yuǎn)時(shí)采用k-時(shí)空匿名方法。當(dāng)好友間距Smin

該框架在保證執(zhí)行效率的前提下，有效解決了多用戶(hù)位置共享下既要保證用戶(hù)良好的共享體驗(yàn)，又要對(duì)用戶(hù)位置進(jìn)行有效保護(hù)的難題。未來(lái)將對(duì)該框架不斷進(jìn)行完善，以進(jìn)一步提高整體執(zhí)行效率。

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