◆鄧密文

LBS中位置隱私保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)分析與方案探究

◆鄧密文

（四川大學(xué)網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院，四川成都 610065）

本文對(duì)LBS位置隱私保護(hù)體系結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行列舉，包括獨(dú)立式、集中式、分布式與混合式四種，并對(duì)各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，然后分析LBS位置隱私保護(hù)中的關(guān)鍵技術(shù)，如偽碼法、區(qū)域混淆法、假位置干擾法、加密法等，在用戶敏感位置選擇基礎(chǔ)上最后提出生成假位置的位置保護(hù)方案，力求在保障用戶信息安全的情況下，為用戶提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，使用戶位置隱私得到切實(shí)保護(hù)。

LBS；位置隱私保護(hù)；敏感位置；匿名集

基于位置的服務(wù)（LBS）是通過(guò)移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的無(wú)線電通信網(wǎng)絡(luò)或外部定位方式對(duì)移動(dòng)終端用戶位置信息進(jìn)行獲取，在GIS平臺(tái)支持下，為用戶提供相應(yīng)服務(wù)的增值業(yè)務(wù)[1]。這項(xiàng)業(yè)務(wù)可以給用戶帶來(lái)各種各樣的便利，但也存在隱私暴露問(wèn)題，并且隱私暴露已成為風(fēng)險(xiǎn)因素的主要來(lái)源?；诖耍疚目偨Y(jié)了位置隱私保護(hù)體系結(jié)構(gòu)的類型，主要對(duì)位置隱私保護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)分析，并提出位置保護(hù)方案，力求在保障服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)，使用戶個(gè)人隱私得到保護(hù)。

1 LBS位置隱私保護(hù)體系結(jié)構(gòu)

1.1 獨(dú)立式結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)主要包括用戶端與LBS服務(wù)器兩個(gè)方面，用戶端直接與LBS服務(wù)器連接，實(shí)現(xiàn)通信，它是最早的位置隱私保護(hù)結(jié)構(gòu)。主要保護(hù)流程如下：用戶通過(guò)具有定位功能的移動(dòng)端獲取自身位置，根據(jù)實(shí)際需求對(duì)位置進(jìn)行匿名保護(hù)，再將查詢請(qǐng)求傳達(dá)給LBS服務(wù)器，然后LBS服務(wù)器會(huì)將查詢結(jié)果集反饋給用戶，最后由用戶端求精結(jié)果集。該結(jié)構(gòu)操作簡(jiǎn)單，不受第三方的安全限制，其缺陷在于客戶端只對(duì)自身進(jìn)行匿名處理，未對(duì)周邊環(huán)境與其他用戶位置進(jìn)行處理，仍然有受到攻擊的可能，此外該結(jié)構(gòu)對(duì)移動(dòng)端的硬件存儲(chǔ)、處理能力的要求嚴(yán)格。

1.2 集中式結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)是在客戶端和LBS服務(wù)器之間添加第三方可信匿名服務(wù)器，以第三方可信匿名服務(wù)器為核心，用戶借助移動(dòng)終端向第三方可信匿名服務(wù)器發(fā)送查詢請(qǐng)求，獲取結(jié)果反饋的框架。第三方可信匿名服務(wù)器包含匿名處理模塊，匿名處理模塊可對(duì)移動(dòng)終端提出的位置隱匿請(qǐng)求進(jìn)行處理，使用戶的隱私度得到充分保護(hù)。經(jīng)過(guò)匿名處理后，第三方可信匿名服務(wù)器會(huì)把客戶端的請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給LBS服務(wù)器，接著第三方可信匿名服務(wù)器中求精模塊會(huì)把LBS服務(wù)器返回的結(jié)果集進(jìn)行求精，最后把求精后的結(jié)果傳遞到移動(dòng)終端。該結(jié)構(gòu)具有較為良好的服務(wù)質(zhì)量，隱私性好，但缺點(diǎn)在于第三方可信匿名服務(wù)器容易成為攻擊目標(biāo)，可能成為系統(tǒng)處理瓶頸，實(shí)用性受限。

1.3 分布式結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)主要包括用戶組與LBS服務(wù)器兩個(gè)方面，主要特點(diǎn)為：任意移動(dòng)端均具備較強(qiáng)的計(jì)算和存儲(chǔ)能力，可與其他匿名組進(jìn)行合作處理。該結(jié)構(gòu)的位置隱私保護(hù)流程為：

（1）用戶借助通信基礎(chǔ)設(shè)施與其他用戶建立匿名組，當(dāng)組內(nèi)用戶提出位置查詢請(qǐng)求時(shí)，用戶可以與組內(nèi)其他用戶相互合作，利用與其他用戶位置信息建立匿名集；

（2）當(dāng)組中的任何用戶發(fā)出請(qǐng)求時(shí)，可以通過(guò)自身或者匿名組中的頭節(jié)點(diǎn)提交請(qǐng)求到LBS服務(wù)器；

（3）LBS服務(wù)器會(huì)將查詢結(jié)果集反饋給用戶，用戶對(duì)查詢結(jié)果集進(jìn)行求精，但LBS服務(wù)器也可以將查詢結(jié)果集反饋給頭節(jié)點(diǎn)，由組的頭節(jié)點(diǎn)對(duì)查詢結(jié)果集進(jìn)行求精并發(fā)送給用戶；

與獨(dú)立式結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)首先要在用戶間建立匿名組，包含區(qū)域范圍內(nèi)的全局信息，具有較強(qiáng)的隱蔽性。但缺陷在于匿名、查詢等功能均在設(shè)備中完成，增加通信與計(jì)算處理開(kāi)銷。此外，當(dāng)組內(nèi)用戶數(shù)量較多時(shí)，無(wú)法確保其他用戶的信任度，當(dāng)組內(nèi)用戶數(shù)量較少時(shí)，又很難實(shí)現(xiàn)匿名功能。

1.4 混合式結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)主要包括移動(dòng)終端、LBS服務(wù)器以及第三方可信匿名服務(wù)器，用戶在發(fā)送請(qǐng)求LBS服務(wù)時(shí)，首先建立匿名組的廣播信息，將滿足要求的用戶聚集在一起，建立匿名組。當(dāng)組內(nèi)用戶數(shù)量達(dá)到一定要求時(shí)，組內(nèi)全部用戶均可進(jìn)行匿名請(qǐng)求，即分布式處理方案；當(dāng)用戶數(shù)量較少時(shí)，可直接向第三方可信匿名服務(wù)器發(fā)送匿名請(qǐng)求，即集中式處理方案。與上述三種結(jié)構(gòu)相比，混合式結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)個(gè)性化特點(diǎn)，當(dāng)用戶分布較為集中時(shí)，可通過(guò)匿名組方法，減少終端位置更新導(dǎo)致的第三方可信匿名服務(wù)器負(fù)荷，使第三方可信匿名服務(wù)器與用戶之間處于平衡狀態(tài)[2]；當(dāng)用戶分布較為分散時(shí)，無(wú)法組建匿名組，第三方可信匿名服務(wù)器保證了服務(wù)質(zhì)量，但這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，參數(shù)眾多，影響了實(shí)用性[3-4]。

1.5 結(jié)構(gòu)對(duì)比

通過(guò)對(duì)上述四種隱私保護(hù)體系的分析，分別對(duì)不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，具體如下表1所示。

表1 隱私保護(hù)體系結(jié)構(gòu)對(duì)比

2 LBS位置隱私保護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)

LBS應(yīng)用成功部署條件不僅要保證用戶服務(wù)質(zhì)量，還需保護(hù)其隱私。目前，保護(hù)用戶的位置隱私已經(jīng)成為基于位置的服務(wù)需首要解決的問(wèn)題?；谖恢玫姆?wù)中，位置隱私保護(hù)方法主要涉及偽碼法、區(qū)域混淆法、假位置干擾法、加密法等技術(shù)。

2.1 偽碼法

該方法也被稱為假名法，在應(yīng)用過(guò)程中，LBS服務(wù)器只注重是否有用戶向其發(fā)送請(qǐng)求，而不注重是哪位用戶，因此請(qǐng)求可采用偽碼的方式來(lái)替代用戶真實(shí)身份。但單一的偽碼無(wú)法對(duì)用戶位置信息進(jìn)行保護(hù)，因?yàn)橐恍┨囟ㄎ恢茫环ㄈ藛T可將單一偽碼與用戶身份相關(guān)聯(lián)。例如，A早晨經(jīng)常會(huì)在相同的位置發(fā)送LBS服務(wù)請(qǐng)求，此時(shí)不法人員便可利用該位置推測(cè)A的居住地址，將用戶與偽碼相關(guān)聯(lián)，從而挖掘出用戶的真實(shí)身份。對(duì)此，在單一偽碼的基礎(chǔ)上衍生出煩瑣偽碼，即在特定的位置或時(shí)間段，將用戶偽碼進(jìn)行更改，且與之前偽碼不相關(guān)聯(lián)，以此來(lái)保護(hù)用戶隱私。例如，在Mix zones方法中[5]，通常在混合區(qū)域內(nèi)進(jìn)行偽碼變換，此種方式雖然可為用戶提供定位服務(wù)，提高服務(wù)質(zhì)量，但該方式的隱私保護(hù)度與用戶數(shù)量具有較大關(guān)聯(lián)，一旦該區(qū)域內(nèi)用戶數(shù)量較少，即便對(duì)偽碼進(jìn)行更換，也仍然會(huì)被不法分子進(jìn)行關(guān)聯(lián)，使隱私保護(hù)度大大降低。

2.2 區(qū)域混淆法

該方法中最為典型的便是位置k-匿名[6]。位置k-匿名借助用戶周圍鄰居位置對(duì)用戶自身位置進(jìn)行替代，將用戶與周圍k-1個(gè)鄰居混合起來(lái)，使得用戶被攻擊者的識(shí)別率為1/k，以此提高位置隱私程度。假設(shè)k的數(shù)值為4，F(xiàn)、G、H均為鄰居，用戶E向服務(wù)器發(fā)送的位置區(qū)域用（[x1，y1]，[x2，y2]）來(lái)表示，[x1，y1]，[x2，y2]分別表示區(qū)域的左下角、右上角坐標(biāo)，區(qū)域中包含用戶E、F、G、H，可見(jiàn)當(dāng)k的數(shù)值越高，位置保護(hù)性也就越強(qiáng)，但服務(wù)質(zhì)量將會(huì)隨之降低，且服務(wù)器的查詢、處理時(shí)間也將隨之延長(zhǎng)。當(dāng)用戶周圍環(huán)境較為稀疏時(shí)，例如，鄰居數(shù)量不足k-1時(shí)，則難以滿足以上位置隱蔽條件。

2.3 假位置干擾法

此種方式以假位置信息進(jìn)行位置混淆，從而對(duì)用戶真實(shí)位置進(jìn)行保護(hù)[7]。一般情況下，用戶會(huì)向LBS服務(wù)器發(fā)送諸多位置信息，但只有一個(gè)是真實(shí)的，這樣即便服務(wù)器中的位置信息被不法分子截獲，也無(wú)法從大量信息中找出真實(shí)的一個(gè)，但此種方式在無(wú)形中使服務(wù)與通信的開(kāi)銷增加。與匿名法相比來(lái)看，假位置干擾在稀疏環(huán)境下的應(yīng)用效果更佳，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是匿名法對(duì)鄰居量具有嚴(yán)格要求，必須在保障鄰居量至少k-1時(shí)才可使用，無(wú)法在稀疏環(huán)境下使用，而假位置干擾法則沒(méi)有此方面的限制，可彌補(bǔ)該方式在應(yīng)用中存在的不足，二是稀疏環(huán)境中，通信與服務(wù)器查詢的開(kāi)銷較低，又可為用戶位置提供良好的安全保護(hù)。

2.4 加密法

該技術(shù)對(duì)用戶位置和請(qǐng)求信息進(jìn)行加密，因此LBS服務(wù)器獲得的用戶信息處于完全保密的狀態(tài)。加密技術(shù)一般采用分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，利用移動(dòng)終端對(duì)用戶信息進(jìn)行加密，實(shí)現(xiàn)匿名保護(hù)，應(yīng)用較為頻繁的技術(shù)包括信息檢索技術(shù)和空間轉(zhuǎn)換技術(shù)。

（1）信息檢索技術(shù)

PIR檢索技術(shù)是首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了加密處理，再在服務(wù)器中對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行查詢，因而服務(wù)器無(wú)法獲取用戶查詢的真實(shí)內(nèi)容。其分為基于計(jì)算能力與信息論兩種方法。由于基于計(jì)算能力的PIR方法，會(huì)產(chǎn)生大量計(jì)算與通信量，采用較少。基于信息論P(yáng)IR方法主要是在其他位置設(shè)置相同請(qǐng)求，從而保護(hù)用戶隱私。例如，用戶在對(duì)要去的目的地發(fā)送信息請(qǐng)求時(shí)，可能在去的途中發(fā)出多次請(qǐng)求，但每次訪問(wèn)請(qǐng)求都會(huì)導(dǎo)致不同數(shù)量的PIR訪問(wèn)。因此，就可以采用在不同位置設(shè)置相同PIR訪問(wèn)次數(shù)的方法，這樣不法分子就無(wú)法通過(guò)在不同位置具有相同的PIR訪問(wèn)頻率來(lái)推測(cè)用戶的真實(shí)位置，從而達(dá)到保護(hù)用戶隱私的效果。

（2）空間轉(zhuǎn)換技術(shù)

該技術(shù)是當(dāng)用戶發(fā)送請(qǐng)求過(guò)程中，將自身位置與請(qǐng)求信息一同進(jìn)行空間轉(zhuǎn)換后，傳遞給LBS服務(wù)器，接著將LBS服務(wù)器的反饋信息再進(jìn)行一次空間轉(zhuǎn)換，最后對(duì)所需信息進(jìn)行篩選。文獻(xiàn)[8]基于集中式結(jié)構(gòu)提出一種位置隱私保護(hù)法，首先將空間旋轉(zhuǎn)一定角度，再使用密鑰構(gòu)造Hilbert曲線，然后會(huì)由第三方可信匿名服務(wù)器利用Hilbert曲線加密用戶位置和請(qǐng)求信息并傳輸?shù)絃BS服務(wù)器，最后第三方可信匿名服務(wù)器再將查詢結(jié)果處理并反饋給用戶，以此來(lái)保障用戶的位置安全，最后一步涉及第三方可信匿名服務(wù)器對(duì)LBS服務(wù)器返回的查詢結(jié)果進(jìn)行解碼，使原始信息得以恢復(fù)。

3 基于用戶敏感位置選擇的假位置生成方案

3.1 設(shè)計(jì)思路

當(dāng)某范圍內(nèi)用戶數(shù)量較少時(shí)，無(wú)法滿足有效構(gòu)建匿名集的要求。對(duì)此，本節(jié)提出基于用戶敏感位置選擇的假位置生成方案，在第三方可信匿名服務(wù)器中生成假位置，即在用戶敏感位置語(yǔ)義與最具不可區(qū)分性的位置信息等方面綜合分析，選取出滿足用戶匿名等級(jí)的假位置，構(gòu)建安全匿名集。由第三方可信匿名服務(wù)器向LBS服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求獲取位置服務(wù)，再由第三方可信匿名服務(wù)器對(duì)結(jié)果進(jìn)行篩選后反饋給用戶。本方案的設(shè)計(jì)思路為：利用歷史位置信息生成假位置，首先根據(jù)用戶位置信息對(duì)敏感位置進(jìn)行清除，此外判斷周圍用戶所處的區(qū)域位置，通常查詢頻率與真實(shí)位置越接近，與真實(shí)位置組合后越具有不可區(qū)分性，這樣就可以保護(hù)自身隱私安全，確保不被不法分子所攻擊。

3.2 生成假位置

考慮到當(dāng)用戶處在較為稀疏的路段中時(shí)，周圍用戶數(shù)量可能較少，無(wú)法有效的構(gòu)建匿名集，此時(shí)可以利用歷史信息作為假位置進(jìn)行匿名集構(gòu)建。與常規(guī)假位置生成方案相比，可有效降低湖泊、山脈等不可達(dá)語(yǔ)義位置被不法分子識(shí)別的概率。用戶在發(fā)送請(qǐng)求時(shí)利用第三方可信匿名服務(wù)器，對(duì)周圍歷史查詢信息進(jìn)行收集、分析和整理，并對(duì)發(fā)送請(qǐng)求次數(shù)相近之處生成假位置信息，具體的生成方案如下：

（1）采集用戶周圍歷史位置，對(duì)周圍區(qū)域進(jìn)行劃分，最終形成網(wǎng)格；

（2）對(duì)與用戶敏感位置語(yǔ)義相同位置進(jìn)行刪除，對(duì)網(wǎng)格范圍的歷史位置概率進(jìn)行計(jì)算；

（3）按照用戶設(shè)置的匿名等級(jí)，對(duì)假位置從相似概率值等方面進(jìn)行篩選，最后選擇與用戶距離較近且語(yǔ)義各不相同的位置并構(gòu)建匿名集；

將用戶周圍區(qū)域劃分為不同的網(wǎng)格，格內(nèi)數(shù)字表示歷史信息在該點(diǎn)發(fā)送的服務(wù)請(qǐng)求頻率次數(shù)，初始值為0，沒(méi)有標(biāo)注數(shù)字的定位頻率次數(shù)為0。例如，當(dāng)用戶發(fā)送請(qǐng)求時(shí)自己負(fù)責(zé)設(shè)置匿名等級(jí)，第三方可信匿名服務(wù)器將根據(jù)以下公式對(duì)格內(nèi)歷史位置的出現(xiàn)頻率次數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)假位置概率值等方面進(jìn)行分析，構(gòu)建安全匿名集。歷史查詢概率通過(guò)如下公式計(jì)算。

3.3 安全性分析

本文采用可信的第三方服務(wù)器結(jié)構(gòu)，即集中式結(jié)構(gòu)且假設(shè)第三方服務(wù)器可信，LBS服務(wù)商無(wú)法直接從可信第三方服務(wù)器中對(duì)用戶的真實(shí)定位與請(qǐng)求進(jìn)行采集，假設(shè)不法分子可從LBS服務(wù)器中采集用戶的匿名集與請(qǐng)求信息，也可采集到該區(qū)域的歷史位置信息。第三方可信匿名服務(wù)器不但將真位置傳遞給LBS服務(wù)器，同時(shí)也將假位置一并傳輸。當(dāng)用戶在稀疏環(huán)境下發(fā)送請(qǐng)求時(shí)，利用歷史位置信息生成假位置，這樣就避免不法分子可運(yùn)用地理知識(shí)，將與用戶位置不相關(guān)的信息，即不可達(dá)位置進(jìn)行篩除。

另外，當(dāng)用戶在教堂、醫(yī)院、湖泊、酒吧與學(xué)校等敏感位置定位時(shí)，一旦周圍定位為也為相同的敏感位置則可能向不法分子傳遞有用信息。而第三方可信匿名服務(wù)器會(huì)將周圍定位信息屬于與用戶位置語(yǔ)義相同的敏感位置信息點(diǎn)全部刪除且最后生成的匿名集各位置語(yǔ)義不相同，這樣避免語(yǔ)義相似性，即便不法分子擁有用戶的匿名信息，也無(wú)法推測(cè)出用戶所處的具體位置與類別，同時(shí)，假位置查詢頻率與真實(shí)位置接近，與真實(shí)位置組合后具有不可區(qū)分性，加大了被識(shí)別難度，從而使用戶的個(gè)人位置隱私得到充分保護(hù)。

3.4 實(shí)驗(yàn)分析

（1）實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置

本文實(shí)驗(yàn)代碼利用Java語(yǔ)言編寫(xiě)，運(yùn)行在配置處理器為Inter（R） Core（TM） i5-8250U 1.6GHz，8GB內(nèi)存的64位Windows 10操作系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)集來(lái)源于微軟GeoLifeGPS Trajectorier[9-11]中的182名用戶在歷時(shí)超過(guò)五年的移動(dòng)軌跡，將用戶軌跡作為歷史信息位置，共計(jì)17621條，1~5秒更新一次，主要活動(dòng)地點(diǎn)為北京，通過(guò)部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行方案驗(yàn)證。

（2）實(shí)驗(yàn)性能與結(jié)果分析

本文采用集中式隱私保護(hù)體系結(jié)構(gòu)，第三方可信匿名服務(wù)器除了向LBS服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求以及查詢結(jié)果求精外，還需要通過(guò)歷史查詢信息進(jìn)行相同語(yǔ)義位置刪除以及概率計(jì)算等操作，得到假位置，最后組成匿名集。假位置集生成所需時(shí)間反映了假位置生成方案的性能。從圖1可以看出，用戶請(qǐng)求中設(shè)置的匿名級(jí)別k與假位置集的生成時(shí)間呈現(xiàn)出正相關(guān)，也就表明了，隨著用戶請(qǐng)求中設(shè)置的匿名級(jí)別k的增加，生成假位置集所需的時(shí)間也會(huì)增加。這是由于隨著用戶要求的匿名等級(jí)k的提高，所需要生成的假位置就會(huì)增多，通過(guò)進(jìn)行相同敏感位置刪除以及查詢概率比較等操作選取的假位置所用時(shí)間會(huì)增加。但是還可以從圖1中看到，每次所需的總時(shí)間相對(duì)較小，服務(wù)質(zhì)量基本不會(huì)受到影響。

此外，本方案從位置熵值來(lái)度量隱私保護(hù)。根據(jù)以下公式可對(duì)位置熵值進(jìn)行計(jì)算，且位置熵值越小，被攻破的概率越高，安全性越無(wú)法得到保障；反之，位置熵值越大，被攻破的概率越低，匿名效果也就越理想，公式為：

在本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，從圖2可以看出，隨著用戶隱私匿名等級(jí)k值的增加，生成匿名集的位置熵值升高，進(jìn)而說(shuō)明用戶隱私匿名等級(jí)k值越大，位置熵值越大，用戶真實(shí)位置被攻破的概率越低。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以很明顯地看出，本方案對(duì)位置隱私保護(hù)有較好的效果。

圖2 匿名等級(jí)k和位置熵的關(guān)系

4 結(jié)論

綜上所述，本文對(duì)LBS服務(wù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行概括，并對(duì)比分析各自的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)有隱私保護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分類整理，從而提出更加安全可靠的位置隱私保護(hù)方案。在將來(lái)的工作中將研究連續(xù)查詢情況下的位置隱私保護(hù)，同時(shí)，在未來(lái)的發(fā)展中，隱私保護(hù)技術(shù)水平將不斷完善優(yōu)化，保護(hù)效果更加理想，有效抵御非法攻擊，使用戶的隱私安全得到切實(shí)保障。

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