葉濤

（安徽省蚌埠學(xué)院 安徽省蚌埠市 233000）

大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，應(yīng)用范圍越來越廣泛，成為推動經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的重要力量，同時(shí)基于位置服務(wù)方式(Location Based Service, LBS)也隨之而生。然而，大數(shù)據(jù)應(yīng)用所帶來的巨大收益同時(shí)也伴隨著對個(gè)人隱私的威脅，越來越多的數(shù)據(jù)被收集、存儲、處理和分析，其中包括用戶的位置信息。用戶的位置數(shù)據(jù)是一種敏感信息，如果不加保護(hù)地被濫用，將會對用戶的隱私造成不可挽回的損害。用戶位置信息的泄露可能會導(dǎo)致用戶的安全和隱私問題，如攻擊者可以非法獲取用戶敏感數(shù)據(jù)，例如：用戶的職業(yè)和健康狀況，Dootio 等人[1]和Pirbhulal 等人[2]通過分析用戶暴露的位置信息，這對用戶的安全構(gòu)成了很大的威脅，極大地限制了位置相關(guān)應(yīng)用的發(fā)展。因此，用戶位置隱私保護(hù)成為了一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。

目前，已經(jīng)有很多研究人員提出了各種方法來保護(hù)用戶位置隱私，例如基于加密技術(shù)的方法[3]、基于匿名化技術(shù)[4]的方法等。但是，這些方法仍然存在許多問題，例如隱私保護(hù)效果不夠好、計(jì)算復(fù)雜度過高等。因此，如何在保護(hù)用戶位置隱私的同時(shí)，兼顧數(shù)據(jù)的可用性和計(jì)算效率，成為了研究的重點(diǎn)。為了解決這個(gè)問題，研究人員正在開發(fā)更加有效的方法來保護(hù)用戶位置隱私。一些方法包括在保護(hù)隱私的同時(shí)保持?jǐn)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)用性，例如使用差分隱私技術(shù)[5]、區(qū)域加密[6]及混淆技術(shù)[7]等。

本文對現(xiàn)有的隱私保護(hù)方法進(jìn)行總結(jié)，重點(diǎn)闡述當(dāng)前位置軌跡隱私保護(hù)研究的主流技術(shù)，即基于差分隱私的隱私保護(hù)技術(shù)，并對未來研究方向進(jìn)行展望。

表1 針對近些年提出的用戶位置保護(hù)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行匯總分析。

表1： 用戶位置保護(hù)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

1 基于差分隱私的位置保護(hù)技術(shù)

差分隱私(Differential Privacy)是一種隱私保護(hù)技術(shù)，旨在保護(hù)數(shù)據(jù)集中個(gè)體的隱私[6]。其基本思想是在不泄露單個(gè)個(gè)體信息的前提下，對數(shù)據(jù)集進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析或數(shù)據(jù)挖掘，從而得到有關(guān)整個(gè)數(shù)據(jù)集的一些統(tǒng)計(jì)結(jié)果。具體來說，對于給定的一個(gè)敏感數(shù)據(jù)集，差分隱私技術(shù)會在數(shù)據(jù)集中添加一定的噪聲，使得敏感數(shù)據(jù)中的個(gè)體信息變得模糊，從而保護(hù)個(gè)體隱私。同時(shí)，添加的噪聲應(yīng)該滿足一定的數(shù)學(xué)規(guī)律，使得數(shù)據(jù)分析結(jié)果的精度不會因?yàn)樵肼暥鴩?yán)重降低。

基于以上特點(diǎn)，差分隱私技術(shù)開始成為保護(hù)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)研究。目前差分隱私技術(shù)主要分為中心化差分隱私[9](Centralized differential privacy, CDP)和本地化差分隱私[10](Local differential privacy)。

1.1 中心化差分隱私技術(shù)

中心化差分隱私[9](Centralized Differential Privacy)是一種隱私保護(hù)技術(shù)，用于保護(hù)個(gè)人數(shù)據(jù)的隱私，同時(shí)允許對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在該技術(shù)中，數(shù)據(jù)收集和處理是在一個(gè)中心化的地方進(jìn)行的，例如一個(gè)數(shù)據(jù)中心或者一個(gè)云平臺。在中心化差分隱私中，數(shù)據(jù)的隱私得到保護(hù)的方法是通過對原始數(shù)據(jù)添加一些噪聲來實(shí)現(xiàn)的，如圖1 所示。這些噪聲是隨機(jī)生成的，并且會被添加到原始數(shù)據(jù)中，以使得攻擊者無法通過分析數(shù)據(jù)來得出個(gè)人隱私信息。

圖1： 中心化差分隱私保護(hù)模型

為了保證數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性，添加的噪聲必須滿足一定的數(shù)學(xué)條件，例如差分隱私的“ε-differential privacy”定義中的ε 值。該值通常被用來衡量數(shù)據(jù)隱私和數(shù)據(jù)可用性之間的權(quán)衡，即要保證數(shù)據(jù)隱私的同時(shí)，盡可能保留數(shù)據(jù)的可用性和可分析性。中心化差分隱私可以用于各種數(shù)據(jù)分析任務(wù)，例如機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘和統(tǒng)計(jì)分析。它已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，包括醫(yī)療、金融、社交網(wǎng)絡(luò)和電子商務(wù)等。

1.2 本地化差分隱私技術(shù)

本地化差分隱私[10](Local Differential Privacy, LDP)是一種差分隱私的實(shí)現(xiàn)方式，它將隱私保護(hù)的范圍縮小到本地?cái)?shù)據(jù)持有者的個(gè)體隱私保護(hù)上，即在不泄露個(gè)體數(shù)據(jù)的前提下，對本地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行隨機(jī)擾動處理，以達(dá)到隱私保護(hù)的目的。本地化差分隱私的目標(biāo)是保護(hù)個(gè)體數(shù)據(jù)的隱私，同時(shí)盡可能地保留數(shù)據(jù)的有用信息，使數(shù)據(jù)能夠在一定程度上被利用。本地化差分隱私的基本思想是在本地?cái)?shù)據(jù)中添加隨機(jī)噪聲，這個(gè)隨機(jī)噪聲的大小在一定程度上取決于數(shù)據(jù)的靈敏度和隱私保護(hù)的強(qiáng)度，如圖2 所示。通過這種方式，可以在一定程度上保護(hù)數(shù)據(jù)的隱私，同時(shí)保留一定的數(shù)據(jù)信息，使得數(shù)據(jù)能夠在一定程度上被利用。

圖2： 本地差分隱私保護(hù)模型

實(shí)現(xiàn)本地化差分隱私的方法有很多，例如基于拉普拉斯機(jī)制的LDP、基于指數(shù)機(jī)制的LDP 等。這些方法都是為了在不泄露個(gè)體數(shù)據(jù)的前提下，對本地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行隨機(jī)擾動處理，以達(dá)到隱私保護(hù)的目的。

2 基于區(qū)域加密的位置保護(hù)技術(shù)

基于區(qū)域加密的位置保護(hù)技術(shù)是一種隱私保護(hù)技術(shù)，用于在LBS（Location-Based Service）中保護(hù)用戶的位置隱私。該技術(shù)利用加密算法將用戶的位置信息分成不同的區(qū)域，并將每個(gè)區(qū)域的信息加密，只有特定的密鑰才能解密該區(qū)域的位置信息。在查詢用戶位置信息時(shí)，服務(wù)器只能獲取到加密后的位置信息，無法直接訪問用戶的位置信息。此外，該技術(shù)還可以限制用戶的位置信息只能在特定的時(shí)間和區(qū)域內(nèi)被訪問。

基于區(qū)域加密的位置保護(hù)技術(shù)可以有效地保護(hù)用戶的位置隱私，防止未經(jīng)授權(quán)的第三方獲取用戶的位置信息，同時(shí)也確保了LBS 服務(wù)的準(zhǔn)確性。該技術(shù)適用于各種LBS 應(yīng)用，例如導(dǎo)航、地圖、社交網(wǎng)絡(luò)等，為用戶提供了更加安全和可靠的位置服務(wù)體驗(yàn)。

2.1 PIR技術(shù)

隱私信息檢索技術(shù)[10](Private Information Retrieval,PIR)是一種基于加密技術(shù)的保位置隱私保護(hù)方案。它可以在不泄露用戶個(gè)人隱私的情況下，幫助用戶找到需要的信息，并且通過該協(xié)議，即使在服務(wù)器不獲取用戶任何請求信息，用戶也可以從數(shù)據(jù)中檢索到所需信息。圖3 是PIR 技術(shù)的示意圖。

圖3： PIR 技術(shù)

以下是一些常用的隱私信息檢索技術(shù)：

（1）匿名化技術(shù)：通過對用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行匿名化處理，使得用戶的身份無法被識別，從而保護(hù)用戶隱私。這種技術(shù)可以通過添加噪音或者對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密等方式來實(shí)現(xiàn)。

（2）加密搜索技術(shù)：將用戶搜索請求和服務(wù)器上的數(shù)據(jù)都進(jìn)行加密，只有用戶和服務(wù)器之間共享的密鑰才能解密搜索請求和數(shù)據(jù)。這樣可以保證用戶的隱私和搜索數(shù)據(jù)的安全性。

（3）多方安全計(jì)算技術(shù)：多個(gè)參與方共同協(xié)作，計(jì)算和搜索過程中不會泄露任何一方的隱私信息。這種技術(shù)可以在保護(hù)用戶隱私的同時(shí)，保證計(jì)算的正確性和完整性。

（4）差分隱私技術(shù)：在查詢數(shù)據(jù)時(shí)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行隨機(jī)擾動，使得結(jié)果具有隨機(jī)性，從而保護(hù)用戶隱私。這種技術(shù)可以提供較高的隱私保護(hù)，但會對查詢結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生一定的影響。

這些隱私信息檢索技術(shù)在不同場景下都有著廣泛的應(yīng)用，如個(gè)性化推薦、醫(yī)療數(shù)據(jù)分析、金融風(fēng)險(xiǎn)評估等領(lǐng)域。

2.2 空間轉(zhuǎn)換技術(shù)

空間轉(zhuǎn)換技術(shù)是一種用于將一個(gè)坐標(biāo)系的空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為另一個(gè)坐標(biāo)系的技術(shù)。它是地理信息系統(tǒng)（GIS）和遙感領(lǐng)域中非常重要的技術(shù)之一。以下是一些常用的空間轉(zhuǎn)換技術(shù)：

（1）投影變換[11]：投影變換是將一個(gè)三維空間的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為另一個(gè)三維空間的坐標(biāo)系的技術(shù)。它可以將球面坐標(biāo)系（例如經(jīng)緯度）轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)系，也可以將一個(gè)平面坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為另一個(gè)平面坐標(biāo)系。

（2）大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[12]：大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換是將地球表面上的點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地心坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)的技術(shù)。它還可以將地心坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地球表面上的點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)。

（3）影像幾何校正[13]：影像幾何校正是將遙感圖像中的像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地理坐標(biāo)的技術(shù)。它可以校正遙感圖像的幾何變形，使其在地理上更準(zhǔn)確地表示地表特征。

（4）空間插值[14]：空間插值是通過已知的空間數(shù)據(jù)來估計(jì)未知位置的值的技術(shù)。它可以根據(jù)已有數(shù)據(jù)的空間分布來估計(jì)未知點(diǎn)的屬性值，例如氣溫、高程等。

這些空間轉(zhuǎn)換技術(shù)在不同的應(yīng)用場景中都有著廣泛的應(yīng)用。例如，在地圖制作、地表覆蓋分析、資源管理、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域中，空間轉(zhuǎn)換技術(shù)都扮演著重要的角色。

3 展望

當(dāng)前的位置隱私保護(hù)研究中，存在以下不足之處。

（1）方法缺乏實(shí)用性：許多位置隱私保護(hù)方法需要大量的計(jì)算和存儲資源，且對數(shù)據(jù)的精度和效率有很大影響，限制了它們在實(shí)際應(yīng)用中的可行性和實(shí)用性。

（2）隱私保護(hù)與數(shù)據(jù)利用平衡問題：現(xiàn)有的位置隱私保護(hù)方法在保護(hù)隱私的同時(shí)，也限制了數(shù)據(jù)的利用。因此，如何在保護(hù)隱私的同時(shí)最大限度地利用數(shù)據(jù)，是未來研究的重要方向。

（3）適應(yīng)性不足：現(xiàn)有的位置隱私保護(hù)方法大多針對某一特定應(yīng)用場景設(shè)計(jì)，缺乏通用性和適應(yīng)性。因此，需要研究能夠適應(yīng)不同應(yīng)用場景的通用位置隱私保護(hù)方法。

為了解決以上不足之處，未來位置隱私保護(hù)研究的方向主要包括：

（1）改善隱私保護(hù)與數(shù)據(jù)利用的平衡問題：研究如何在保護(hù)隱私的同時(shí)最大限度地利用數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)應(yīng)用提供更多的可能性。

（2）提高位置隱私保護(hù)的適應(yīng)性：研究通用的位置隱私保護(hù)方法，能夠適應(yīng)不同應(yīng)用場景的需求，并考慮如何在保護(hù)隱私的同時(shí)保證數(shù)據(jù)的精度和可用性。

（3）增強(qiáng)位置隱私保護(hù)的安全性：研究防御更加復(fù)雜和隱蔽的攻擊手段，如高級持續(xù)性威脅（APT）和社交工程等，提高位置隱私保護(hù)的安全性和可靠性。