楊 洋 ,王汝傳
(1.南京廣播電視大學(xué)/南京城市職業(yè)學(xué)院工程與信息學(xué)院,南京211200; 2.南京郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,南京210003;3.江蘇省無線傳感網(wǎng)絡(luò)高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京210003)(?通信作者郵箱nj.yangyang@163.com)
增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是一種允許在正常感知現(xiàn)實(shí)上疊加由計(jì)算機(jī)形成的圖片和信息的技術(shù)[1]。基于位置的服務(wù)(Location Based Service,LBS)是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)提供的常用服務(wù)之一,在LBS中移動(dòng)終端用戶的位置信息是通過移動(dòng)的無線網(wǎng)絡(luò)或外部定位方式來獲取的,位置定位技術(shù)(Location Determination Technology,LDT)是獲取用戶位置信息的一種較好的技術(shù),如全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)、高級(jí)時(shí)差檢測(cè)定位技術(shù)(Enhanced Observed Time Difference,EOTD)等,這些都可以給出含有X-Y坐標(biāo)的用戶位置信息。近年來,由于GPS設(shè)備和移動(dòng)信息技術(shù)的進(jìn)步,LBS被公認(rèn)為是一種重要的服務(wù),雖然基于位置的服務(wù)非常便利,但它冒著用戶隱私受到威脅的危險(xiǎn)。要使用基于位置的服務(wù),用戶當(dāng)前的位置必須被服務(wù)提供者獲得,因此位置信息對(duì)情境感知服務(wù)提供者來說很重要,它也成為信息泄露的來源。通過結(jié)合用戶的位置和其他信息,服務(wù)提供商可以偵查出用戶的真實(shí)身份或相關(guān)信息如家庭地址和辦公地點(diǎn)等。例如,用戶U想查詢離他最近的銀行ATM(Automatic Teller Machine)在哪里,他首先要通過智能手機(jī)發(fā)送一個(gè)查詢請(qǐng)求和他的位置給LBS提供商,LBS服務(wù)器將提供最近的銀行ATM地址信息給用戶U,但是對(duì)于移動(dòng)用戶來說,位置信息非常重要,而且將信息提交給不信任的LBS服務(wù)器會(huì)受到隱私威脅,極有可能暴露用戶的個(gè)人信息如習(xí)慣、日常生活、健康狀況等。
LBS服務(wù)器包含了大量的位置信息。用ATM舉例,LBS服務(wù)器包含了ATM的位置緯度、經(jīng)度、銀行名稱等,希望LBS能夠保證這些數(shù)據(jù)只發(fā)送給授權(quán)用戶。在LBS服務(wù)中,能夠確保用戶和服務(wù)器的安全非常重要,它意味著獲取用戶的位置隱私并保證服務(wù)器數(shù)據(jù)不被不合法用戶訪問,為了解決這個(gè)問題,位置匿名技術(shù)得到研究者關(guān)注。
所謂位置隱私保護(hù),是指用戶在使用位置服務(wù)的過程中,位置服務(wù)采用技術(shù)保護(hù)措施來有效確保用戶的位置隱私信息不會(huì)泄露,從而避免泄露隱私信息給用戶帶來不必要的麻煩。
位置隱私分為三大類:一類是對(duì)位置信息本身的保護(hù),是采用位置匿名技術(shù)來隱藏用戶位置信息,使得用戶的位置信息無法被識(shí)別出來,那么攻擊者無法找到用戶的真實(shí)位置信息,即使找到,也無法區(qū)分;第二類是在位置服務(wù)的數(shù)據(jù)通信過程采用一種位置隱私保護(hù)模型來保證用戶和服務(wù)器之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?],例如差分隱私保護(hù),它是通過在原始數(shù)據(jù)中加入噪聲來保證數(shù)據(jù)的安全;第三類是針對(duì)服務(wù)器的查詢過程,將用戶的位置進(jìn)行匿名化,這樣用戶的位置信息變成一個(gè)匿名的信息集合,其中包含了多個(gè)用戶的位置信息,擴(kuò)大用戶的位置區(qū)域,此時(shí)攻擊者無法獲得用戶的確切位置。
目前主要的位置隱私保護(hù)技術(shù)主要有以下三種。
用戶在自己周圍取一虛假位置,并將此位置信息作為自己的確切位置信息發(fā)送給位置服務(wù)器,通過發(fā)布假位置達(dá)到混淆視聽的效果[3],但這種方法有一定的缺陷,當(dāng)假位置距離真實(shí)位置較遠(yuǎn)時(shí),服務(wù)質(zhì)量差,但其隱私保護(hù)程度較高;當(dāng)兩者之間的距離較近時(shí),服務(wù)質(zhì)量好,但其隱私保護(hù)程度則低。研究者提出了一種SpaceTwist方案[4],在該方案中引入可信的第三方位置服務(wù)器,主要是為了降低用戶執(zhí)行服務(wù)請(qǐng)求時(shí)暴露位置信息的風(fēng)險(xiǎn)。在這個(gè)方案中,第三方位置服務(wù)器保護(hù)用戶的位置隱私信息,位置服務(wù)器收到服務(wù)提供商的服務(wù)請(qǐng)求并定位用戶后,首先它將用戶的位置信息發(fā)送給匿名處理服務(wù)器,匿名處理服務(wù)器使用匿名算法處理用戶的真實(shí)位置信息,生成一個(gè)虛假的位置信息,接著將這個(gè)虛假位置信息發(fā)送給服務(wù)提供商,服務(wù)提供商將虛假位置信息與自己數(shù)據(jù)庫中的地理信息進(jìn)行對(duì)比,定位用戶和周圍的服務(wù)信息,以虛假位置信息為中心覆蓋真實(shí)用戶附近的所有目標(biāo),并將這些目標(biāo)匯總為一個(gè)目標(biāo)集,最后發(fā)送給用戶。
K-匿名技術(shù)是一種典型的模糊化保護(hù)技術(shù),通過K值來確定匿名集的大小,匿名集內(nèi)的用戶位置信息匿名化后成為一個(gè)相同區(qū)域的位置信息。
在向LBS提供商提交前,先刪除個(gè)人信息內(nèi)容,發(fā)布較低精度的數(shù)據(jù),使得各條記錄至少與數(shù)據(jù)表中其他K-1條記錄具有完全相同的準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符屬性值[5]。它主要通過對(duì)匿名區(qū)域進(jìn)行劃分,劃分成模糊空間,這些模糊空間大小是均勻的,接著按照子空間里用戶數(shù)量對(duì)子空間進(jìn)行從大到小的排序,然后分段序列,最后從每一個(gè)分段中選取一個(gè)查詢區(qū)域進(jìn)行合并,構(gòu)成K個(gè)查詢匿名集。
在位置隱私保護(hù)中,不同的用戶有不同的位置K-匿名需求,針對(duì)K-匿名法的局限性,由Gedik等[6]首先提出了個(gè)性化K-匿名法。為實(shí)現(xiàn)個(gè)性化,需要將K值定義為可變的,用戶可以根據(jù)不同的環(huán)境自主設(shè)置K值,K的值決定了用戶隱私保護(hù)級(jí)別的高低,K值越高隱私保護(hù)級(jí)別就越高,但是K值超過一定的值會(huì)造成查詢處理負(fù)擔(dān)過重,導(dǎo)致服務(wù)質(zhì)量降低,所以個(gè)性化K-匿名法可以由用戶來折中考慮。
還有一種位置隱私保護(hù)技術(shù)是針對(duì)車輛自組網(wǎng)內(nèi)的位置信息保護(hù)的,基于混合區(qū)域的位置隱私保護(hù)技術(shù)是指用戶在建立通信過程中隱藏真實(shí)身份,攻擊者無法將身份一一識(shí)別,從而保護(hù)車輛和用戶身份信息。
實(shí)際上,基于混合區(qū)域的保護(hù)技術(shù)是一種假名技術(shù),常使用于車輛自組網(wǎng)內(nèi),比如,在一個(gè)十字路口的混合區(qū)域中,車輛進(jìn)入混合區(qū)域之前使用假名,進(jìn)入混合區(qū)域之后更換假名,離開混合區(qū)域后車輛就以一個(gè)新假名出現(xiàn)在路網(wǎng)中。該技術(shù)的基本思想是,首先為即將進(jìn)入混合區(qū)域的每個(gè)車輛配備多個(gè)可以隱藏真實(shí)身份的假名,當(dāng)車輛進(jìn)入混合區(qū)域時(shí),可以自主更換假名[7],更換假名的方案主要有三種:第一種是每輛車配備自己的假名數(shù)據(jù)庫,在經(jīng)過混合區(qū)域時(shí)更換;第二種是在混合區(qū)域配備一個(gè)假名數(shù)據(jù)庫,車輛進(jìn)入混合區(qū)域時(shí),隨機(jī)得到一個(gè)新的假名來取代原來的假名;第三種是在車流量較大的地方設(shè)置混合區(qū)域,提取假名重新分配。除此之外[8],將假名更換和其他技術(shù)如路徑混淆[9]、隨機(jī)假名[10]等相結(jié)合提高匿名的效果,從而保護(hù)位置隱私。
基于假位置的位置隱私保護(hù)技術(shù)中攻擊者無法區(qū)分哪個(gè)是真實(shí)的或哪個(gè)是虛假的位置[11],用戶的位置隱私得到保護(hù),但該方法也有缺陷,其假設(shè)用戶在一個(gè)固定的自由空間中活動(dòng),但是在現(xiàn)實(shí)生活中并非如此;另外,該方法的隱私保護(hù)程度不是固定不變的,當(dāng)假位置距離真實(shí)位置較遠(yuǎn)時(shí),服務(wù)質(zhì)量差,但其隱私保護(hù)程度較高;當(dāng)兩者之間的距離較近時(shí),服務(wù)質(zhì)量好,但其隱私保護(hù)程度則低[12]。
基于K-匿名的位置隱私保護(hù)技術(shù)中可以設(shè)計(jì)出一個(gè)適當(dāng)?shù)拈g隔算法[13],該算法可以產(chǎn)生包含至少kmin用戶的時(shí)空cloaking box,利用此box作為位置信息發(fā)送給LBS提供商。但這種方法的局限性是不能抵制同質(zhì)性攻擊和背景知識(shí)攻擊[14],攻擊者很容易推斷出個(gè)體相應(yīng)的敏感屬性數(shù)據(jù),或者可以通過背景知識(shí)確定敏感屬性數(shù)據(jù)和個(gè)體之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,從而導(dǎo)致隱私泄露。
基于混合區(qū)域的位置隱私保護(hù)技術(shù)中攻擊者無法識(shí)別真實(shí)身份[15],但實(shí)際上它是一種假名技術(shù),所以隱私保護(hù)程度不是固定不變的。
隨著問題背景和攻擊模型的多樣化,位置隱私還將繼續(xù)面臨新的問題,如造成敏感屬性泄露、背景知識(shí)攻擊的不確定性、敏感屬性分布失衡等,因此,本文提出基于位置安全性的位置隱私保護(hù)策略。
用戶在不同的環(huán)境背景中會(huì)有不同的隱私要求,需要根據(jù)不同的環(huán)境分配不同的隱私等級(jí),這樣才能應(yīng)用相應(yīng)的隱私保護(hù)策略。比如,最常訪問地點(diǎn)是最接近于用戶標(biāo)識(shí)(最高位點(diǎn)),因此最高位點(diǎn)的隱私等級(jí)應(yīng)被定義為高級(jí)別;另一方面,公共區(qū)域如風(fēng)景區(qū),可以被定義為低隱私保護(hù)等級(jí),這就意味著低強(qiáng)度模糊處理同時(shí)保證其服務(wù)質(zhì)量。
本文提出的基于位置安全性的方法介紹了將位置安全性作為新的評(píng)價(jià)度量標(biāo)準(zhǔn)。以往的研究均進(jìn)行相似的處理過程,而不管這一點(diǎn)是什么區(qū)域,然而很多地方是不需要進(jìn)行保護(hù)的,比如所有人通過的馬路、不宜居住的區(qū)域、城市公園等,均不需要進(jìn)行保護(hù)。本文將根據(jù)哪些區(qū)域需要保護(hù)哪些區(qū)域不需要保護(hù),提出一種執(zhí)行不同保護(hù)的方法。
本文將提示某區(qū)域是否需要保護(hù)這一度量標(biāo)準(zhǔn)定義為區(qū)域安全度,非安全區(qū)域(即需要給予保護(hù)的區(qū)域)的區(qū)域安全度將其設(shè)置為1,安全區(qū)域(即不需要保護(hù)的區(qū)域)將其設(shè)置為0。通過擴(kuò)大區(qū)域安全度和識(shí)別等級(jí)來計(jì)算位置安全度。
定義1 本文用三元組來表示網(wǎng)絡(luò)實(shí)體uk,Server,LServer,其中uk移動(dòng)用戶,Server表示中心服務(wù)器,LServer表示基于位置的服務(wù)器,并且Server是可信的,LServer是半可信的。
定義2 用戶向LServer發(fā)起查詢,用戶查詢內(nèi)容Cj,Cj={User,fQ,t,IDg,c,Q,Sp},其中:User表示用戶的標(biāo)識(shí)符,fQ表示用戶首次發(fā)送查詢請(qǐng)求,t表示用戶發(fā)送查詢請(qǐng)求的時(shí)間,IDg表示用戶所在位置,c表示該用戶查詢請(qǐng)求的服務(wù)內(nèi)容,Q表示用戶的隱私需求,Sp表示用戶的速度。
定義3 與Server距離dist(uk,Server)<rmin的用戶uk構(gòu)成的區(qū)域稱作非安全區(qū)域,距離rmin≤dist(uk,Server)≤rmax的用戶構(gòu)成的區(qū)域?yàn)榘踩珔^(qū)域,與Server距離dist(uk,Server)>rmax的用戶uk構(gòu)成的區(qū)域也稱作非安全區(qū)域。
假設(shè)各節(jié)點(diǎn)的位置信息可通過GPS獲得并設(shè)置成經(jīng)緯度,每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有區(qū)域安全度的狀態(tài)變量。各節(jié)點(diǎn)規(guī)律性地向位置信息服務(wù)器匯報(bào)位置信息及周圍情況,位置信息服務(wù)器顯示所有節(jié)點(diǎn)的位置信息。此外,假設(shè)標(biāo)識(shí)符不包括原始節(jié)點(diǎn)的重要信息,因?yàn)槲恢梅?wù)器提供的節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)符隨時(shí)間不斷改變。
用戶處于安全區(qū)域,向Gsi登記報(bào)文并注冊(cè)
Endi
算法2
參數(shù) 用戶查詢集Q,隱私閾值E。
輸入 用戶查詢集、隱私閾值;
輸出 符合隱私閾值的|Q|。
Procedure:
WHILE|Q|<E
選取一個(gè)用戶查詢內(nèi)容qj建立查詢集Q
直到|Q|符合隱私閾值E
ENDWHILE
算法2描述 各節(jié)點(diǎn)延伸其偽裝區(qū)域的面積,除非該節(jié)點(diǎn)區(qū)域包括k節(jié)點(diǎn)。此處k指模糊參數(shù),如果該節(jié)點(diǎn)位于安全區(qū)域,那此節(jié)點(diǎn)范圍是非模糊的最小面積。
算法3
參數(shù) 位置信息L,隱私等級(jí)D。
輸入 節(jié)點(diǎn)定位并從位置信息服務(wù)器中獲取周圍信息;
輸出 位置信息存儲(chǔ)在位置信息服務(wù)器。
Procedure:
IF區(qū)域安全度=1 THEN
IF最大偽裝區(qū)域有其他節(jié)點(diǎn)is TRUETHEN
位置信息模糊化
ELSE移除模糊化后的信息
ELSE
位置信息存儲(chǔ)在位置信息服務(wù)器
ENDIF
算法3描述 通過位置信息,節(jié)點(diǎn)定位并從位置服務(wù)器中獲取周圍信息,當(dāng)區(qū)域安全度為1,如果最大偽裝區(qū)域有其他節(jié)點(diǎn),選取合適大小的區(qū)域作為偽裝區(qū)域封裝周圍合適數(shù)量的其他節(jié)點(diǎn),則位置信息模糊化;否則移除模糊化后的信息。如果區(qū)域安全度不為1,則將位置信息存儲(chǔ)在位置信息服務(wù)器。
2.4.1 單獨(dú)查詢
在查詢途徑中,用戶可為每一個(gè)查詢獲得P匿名,由于用戶查詢內(nèi)容均被隱藏,所以不存在位置K匿名,此處研究的隱私保護(hù)度Pv,即在運(yùn)用本文的P查詢方式時(shí),在單一查詢中攻擊者通過用戶身份追尋查詢主題的可能,計(jì)算公式如下:
此處,Q是同簇中融合的查詢數(shù)量,E是隱私閾值??梢园l(fā)現(xiàn),E和Q的值越高,Pv的值越低,隱私保護(hù)度就越高。
2.4.2 連續(xù)查詢
在經(jīng)典的K-匿名方法中,用戶通過與其他K-1用戶混淆標(biāo)示和位置來獲得隱私,因此,K值是位置隱私水平的度量標(biāo)準(zhǔn)。然而該隱私度量在連續(xù)的攻擊模式下難以應(yīng)用。在連續(xù)LBS中,攻擊方通過關(guān)聯(lián)一個(gè)用戶查詢的時(shí)間序列來提取目標(biāo)ID和位置信息。此時(shí),攻擊方需要追蹤用戶的連續(xù)查詢。攻擊方根據(jù)重復(fù)發(fā)生的查詢主題來區(qū)分某個(gè)連續(xù)查詢。因此,本文使用概率Pv來描述在LBS服務(wù)器中一段時(shí)間內(nèi)超過2次的查詢主題出現(xiàn)次數(shù),以此來衡量隱私性。Pv值越高,攻擊方越難以區(qū)分真實(shí)的查詢主題,因此,連續(xù)攻擊能夠被有效阻止。
因?yàn)椴樵冞x擇的隨機(jī)性,LBS服務(wù)器中查詢的隨機(jī)性能夠過程建模。本文假設(shè)查詢主題Q在一段時(shí)間內(nèi)在LBS服務(wù)器中出現(xiàn)的次數(shù)是隨機(jī)變量X,因此X的分布計(jì)算公式如下:
λ的值是查詢主題Q在一段時(shí)間內(nèi)在LBS服務(wù)器中發(fā)生幾率的平均值,因此可以如下定義隱私度量Pv:
為評(píng)價(jià)本文所提算法,使用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)價(jià)對(duì)于節(jié)點(diǎn)位置信息及匿名程度的服務(wù)質(zhì)量。由于位置信息服務(wù)器提供的節(jié)點(diǎn)位置信息是模糊的,因此與直接從原始節(jié)點(diǎn)獲得的高精度定位信息相比,此時(shí)將會(huì)出現(xiàn)定位誤差,定義如下文所述。
首先本文假設(shè)節(jié)點(diǎn)的定位信息被處理成最小定位信息的間隔尺寸,表示為s和t。假設(shè)節(jié)點(diǎn)q的坐標(biāo)為sq和tq,假設(shè)該節(jié)點(diǎn)的模糊后坐標(biāo)為sq'和tq'。此外,假設(shè)偽裝區(qū)域大小的x軸方向和y軸方向分別為a和b。此時(shí),最高精度的定位信息由二維陣列A處理。總而言之,對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)A[sq,tq]坐標(biāo)的組件A將被增加值1,另外,模糊后的定位信息由二維陣列B處理,本文使用閾值代表匿名水平,如閾值設(shè)為4,定位信息將被模糊到至少有4個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有相同的定位信息。如果節(jié)點(diǎn)q的位置被模糊,則1 (a,b)的值將被分別加入B(B[m][n],m=si',si+1',…,si+a-1',n=ti',ti+1',…,ti+b-1'),該值所有節(jié)點(diǎn)的值均被加入陣列。定位誤差被定義為一個(gè)值,這個(gè)值是所有這些陣列的差異絕對(duì)值的總和除以終端數(shù)P,也就是說,定位誤差定義為公式smax和tmax是s、t方向的分段數(shù)。如果定位誤差這個(gè)值很小,意味著提供的定位信息精確度很高,使得該值成為LBS的服務(wù)質(zhì)量的指標(biāo)。
接著,定義節(jié)點(diǎn)特征,本文將此節(jié)點(diǎn)特征稱為正確節(jié)點(diǎn)的等級(jí),并假設(shè)該初始值為1,也就是說首先指定該節(jié)點(diǎn)特征。當(dāng)該節(jié)點(diǎn)遇到其他節(jié)點(diǎn)時(shí),因?yàn)椴荒荑b別哪個(gè)是正確的節(jié)點(diǎn),因此其特征值降為1/2;如果其隨后遇到其他節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)特征值繼續(xù)下降1/2;此外,如果其一次遇到兩個(gè)或兩個(gè)以上節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)特征值變?yōu)?l(l是遇到的節(jié)點(diǎn)數(shù)加1)。
根據(jù)區(qū)域安全性和識(shí)別級(jí)別,區(qū)域安全性可被計(jì)算出來。在固定時(shí)間內(nèi),所有節(jié)點(diǎn)的平均安全性可被計(jì)算出來作為整個(gè)系統(tǒng)的安全性,那么該值被作為匿名程度。
本文實(shí)驗(yàn)采用Brinkhoff[16]提出的基于網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)對(duì)象生成器,選用德國奧爾登堡的地圖作為實(shí)驗(yàn)背景,最小區(qū)域面積10 m2,安全區(qū)域面積2500 m2,節(jié)點(diǎn)數(shù)量(100~800),實(shí)驗(yàn)環(huán)境為Windows7操作系統(tǒng),內(nèi)存為4 GB,基于安卓平臺(tái)使用Java程序,本文將與未引入?yún)^(qū)域安全性的偽裝區(qū)域法進(jìn)行比較,評(píng)價(jià)平均定位誤差和平均安全性。
隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加,由于偽裝區(qū)域變小,而遇到其他節(jié)點(diǎn)的幾率增加,未引入位置安全性的位置隱私保護(hù)方法平均定位誤差升高,而基于位置安全性的位置隱私保護(hù)方法雖然平均定位誤差在升高,但表現(xiàn)仍然比未引入位置安全性的位置隱私保護(hù)方法要好。兩種位置隱私保護(hù)方法的平均定位誤差比較如圖1所示。
圖1 兩種位置隱私保護(hù)方法的平均定位誤差比較Fig.1 Averagelocation error comparison between twolocation privacy protection methods
如圖2比較了兩種位置隱私保護(hù)方法的平均安全性,在節(jié)點(diǎn)數(shù)量相同的情況下,基于位置安全性的位置隱私保護(hù)方法的平均安全性要比未考慮位置安全性的位置隱私保護(hù)方法高,根據(jù)以上結(jié)果,本文方法不僅可以改善定位信息的質(zhì)量而且提高區(qū)域的平均安全性。
圖2 兩種位置隱私保護(hù)方法的平均安全性的比較Fig.2 Averagesecurity comparison of twolocation privacy protection methods
目前的位置隱私保護(hù)方法都是在LBS服務(wù)質(zhì)量和匿名度之間權(quán)衡,本文提出一個(gè)新的度量值“位置安全性”來緩解權(quán)衡的問題。從研究結(jié)論來看,所提方法沒有降低位置安全性,并且位置信息服務(wù)的質(zhì)量也很好。隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展,增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合LBS使得人們將進(jìn)入全新的位置搜索引擎時(shí)代、營造全新的社交方式。其中,LBS面臨的威脅是用戶隱私泄露的威脅,目前這樣的威脅已得到用戶、服務(wù)提供商、政府管理部門和專家學(xué)者的關(guān)注,還沒有一個(gè)十分完善的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中LBS的位置隱私保護(hù)方法,還需進(jìn)一步對(duì)相關(guān)問題進(jìn)行研究。