實(shí)用安全兩方計(jì)算及其在基因組序列比對(duì)中的應(yīng)用*

趙 川,趙圣楠,賈忠田,張 波,張 斌

1.濟(jì)南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,濟(jì)南 250022

2.山東省網(wǎng)絡(luò)環(huán)境智能計(jì)算技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,濟(jì)南 250022

3.山東大學(xué) 軟件學(xué)院,濟(jì)南 250101

4.山東青年政治學(xué)院 信息工程學(xué)院,濟(jì)南 250103

1 引言

作為密碼學(xué)領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)理論,安全多方計(jì)算(secure multi-party computation)討論了分布式計(jì)算場(chǎng)景下數(shù)據(jù)擁有者各方以一種安全的方式進(jìn)行合作計(jì)算的問(wèn)題.為了實(shí)現(xiàn)資源共享,不同組織或個(gè)人之間的合作計(jì)算日益頻繁,不同數(shù)據(jù)的擁有者通過(guò)合作計(jì)算,在不泄露自己保密數(shù)據(jù)的情況下整合資源,從而得到更有價(jià)值的信息.然而,由于計(jì)算不僅僅會(huì)發(fā)生在相互信任的各方之間,也有可能存在于部分信任的合作者之間,甚至存在于競(jìng)爭(zhēng)者之間,因此在這種分布式計(jì)算場(chǎng)景中,必須考慮某些參與方企圖通過(guò)各種欺詐手段來(lái)獲得額外利益的情況.例如,潛在的惡意參與方可能會(huì)試圖獲取其他參與方的秘密輸入信息,或者讓其他參與方獲取的計(jì)算結(jié)果不正確,等等.安全多方計(jì)算所要達(dá)到的目標(biāo),正是在確保上述惡意參與方存在的情況下,參與分布式計(jì)算的各方依然能夠保證自己數(shù)據(jù)的秘密性并能獲得正確的計(jì)算結(jié)果.

自2003年人類基因組計(jì)劃宣告成功以來(lái),基因組測(cè)序技術(shù)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展.如今,人們已經(jīng)可以用低廉的成本獲取非常詳盡的基因組數(shù)據(jù),并將其廣泛應(yīng)用于衛(wèi)生保健、生物醫(yī)學(xué)研究、司法鑒定以及直接面向消費(fèi)者的基因檢測(cè)等各個(gè)領(lǐng)域.針對(duì)基因組數(shù)據(jù)的處理中,基因組序列比對(duì)最為基礎(chǔ)、應(yīng)用最為廣泛.例如,在醫(yī)療領(lǐng)域,需要對(duì)不同病人的基因組序列進(jìn)行比對(duì),實(shí)現(xiàn)相似病人查詢,以便獲取充分的相似病人臨床資料,為患者制定最佳治療方案[1].

然而,與普通數(shù)據(jù)不同的是,人類基因組數(shù)據(jù)中蘊(yùn)涵了大量的個(gè)人隱私信息,包括個(gè)人特質(zhì)相關(guān)的信息、罹患特定疾病相關(guān)的信息和可用于身份鑒別的信息等.即便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匿名化處理,仍然不能完全移除其中所包含的可鑒別信息,身份可能被重新識(shí)別[2].倘若基因組數(shù)據(jù)被不恰當(dāng)?shù)卮鎯?chǔ)、使用和傳播,將直接導(dǎo)致個(gè)人隱私信息的泄漏,對(duì)參與者造成嚴(yán)重的隱私困擾.基因組數(shù)據(jù)的這種敏感性與特殊性很大程度上阻礙了基因組數(shù)據(jù)的有效共享和充分利用,極大限制了基因組序列比對(duì)的開(kāi)展.例如,兩個(gè)互不信任的參與方Alice 和Bob,希望完成二者基因組序列的比對(duì),卻又不想將各自的私有數(shù)據(jù)暴露給對(duì)方.因此,亟需從技術(shù)層面提供一種機(jī)制,在保證雙方數(shù)據(jù)隱私性的前提下,以一種安全的方式完成基因組序列比對(duì)任務(wù).

安全兩方計(jì)算(secure two-party computation)為完成這種隱私保護(hù)的基因組序列比對(duì)提供了有效方法[3].安全兩方計(jì)算作為安全多方計(jì)算中一個(gè)比較特殊的情形,參與計(jì)算的實(shí)體為兩方.在安全兩方計(jì)算場(chǎng)景中,兩個(gè)互不信任的參與方想要共同計(jì)算某個(gè)功能函數(shù)(functionality),該功能函數(shù)的輸入為各參與方本地的隱私數(shù)據(jù).參與方通過(guò)運(yùn)行一個(gè)交互協(xié)議,在不借助可信第三方的情況下得到正確的計(jì)算結(jié)果.協(xié)議結(jié)束后,各參與方除各自的計(jì)算結(jié)果及從輸入輸出推算出的信息外,得不到其他任何信息.這正適用于隱私保護(hù)的基因組序列比對(duì)場(chǎng)景——互不信任的Alice 和Bob 通過(guò)運(yùn)行安全兩方計(jì)算協(xié)議,在不泄漏自己基因組序列x和y的前提下,安全地計(jì)算出關(guān)于兩個(gè)序列的比對(duì)函數(shù)f(見(jiàn)圖1).

圖1 安全兩方基因組序列比對(duì)Figure 1 Secure two-party genomic sequence comparison

2 實(shí)用安全兩方計(jì)算研究進(jìn)展

自1982年被提出以來(lái)[4],安全多方計(jì)算就一直受到研究學(xué)者的廣泛關(guān)注.針對(duì)安全多方計(jì)算的研究涵蓋了從理論基礎(chǔ)到實(shí)際應(yīng)用的各個(gè)層面,包括安全模型、復(fù)雜性分類、通用協(xié)議構(gòu)造、基礎(chǔ)工具以及特定應(yīng)用協(xié)議等.早先的關(guān)注點(diǎn)主要在于安全模型的建立、可行性探究以及復(fù)雜性分類等理論基礎(chǔ)方面.近些年,伴隨著計(jì)算能力和通信能力的大幅提升,在安全多方計(jì)算基礎(chǔ)理論研究持續(xù)多年不衰的基礎(chǔ)上,安全多方計(jì)算的實(shí)用性又得到更加廣泛的關(guān)注.

實(shí)用安全多方計(jì)算主要關(guān)注的是通用協(xié)議的效率問(wèn)題,研究提高通用協(xié)議效率的方法和技術(shù),從協(xié)議的計(jì)算代價(jià)、通信代價(jià)及交互輪數(shù)等方面綜合考慮,對(duì)基本運(yùn)算及其組合的計(jì)算復(fù)雜度、通信復(fù)雜度和輪復(fù)雜度進(jìn)行討論,尋找復(fù)雜度的階并構(gòu)造復(fù)雜度盡量小的協(xié)議.構(gòu)造通用協(xié)議的方法一般是將所要計(jì)算的功能函數(shù)表示成算術(shù)電路或布爾電路,然后再利用秘密共享、同態(tài)加密、不經(jīng)意傳輸和混亂電路等密碼學(xué)工具對(duì)每個(gè)電路門(mén)進(jìn)行處理,并對(duì)電路逐層進(jìn)行計(jì)算,最終以一種安全的方式完成計(jì)算任務(wù).

安全兩方計(jì)算是姚期智院士1982年在計(jì)算機(jī)科學(xué)頂級(jí)國(guó)際會(huì)議FOCS 上提出的[4].相比于安全多方計(jì)算,安全兩方計(jì)算近年來(lái)在實(shí)用性領(lǐng)域的研究更加吸引研究學(xué)者的關(guān)注.一是因?yàn)榘踩珒煞接?jì)算具有更高效的構(gòu)造技術(shù),如混亂電路;二是安全兩方計(jì)算具有更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景,如可搜索加密、私有信息檢索、茫然RAM 等;三是安全兩方計(jì)算具有更重要的理論意義,許多非常重要的密碼學(xué)原語(yǔ)都可以抽象為安全兩方計(jì)算,如零知識(shí)證明、不經(jīng)意傳輸、擲幣協(xié)議、承諾方案、密鑰協(xié)商等,研究安全兩方計(jì)算為各類密碼學(xué)原語(yǔ)的發(fā)展提供理論基礎(chǔ).

根據(jù)底層基礎(chǔ)工具的不同,構(gòu)造實(shí)用安全兩方計(jì)算通用協(xié)議的方法主要可以分為以下三類:基于混亂電路和不經(jīng)意傳輸、基于同態(tài)加密以及基于秘密共享.其中,以混亂電路和不經(jīng)意傳輸為底層工具的構(gòu)造方法,被研究學(xué)者視為構(gòu)造通用安全兩方計(jì)算協(xié)議的最高效的方法,引起了廣泛深入的研究.此外,為了構(gòu)造出高效的抵抗惡意敵手攻擊的安全協(xié)議,Lindell 等人提出對(duì)混亂電路采用cut-and-choose 技術(shù)來(lái)解決參與方不正確構(gòu)造電路的問(wèn)題[5].該方法要求混亂電路構(gòu)造方P1不只構(gòu)造一個(gè)混亂電路,而是構(gòu)造s個(gè)(s為統(tǒng)計(jì)學(xué)安全參數(shù)).P2選擇其中一部分要求P1打開(kāi)以進(jìn)行檢測(cè).若都被驗(yàn)證通過(guò),則P2像半誠(chéng)實(shí)模型下的協(xié)議中一樣對(duì)剩余電路進(jìn)行計(jì)算,獲得輸出結(jié)果.否則,P2中止協(xié)議.

在防止惡意P1構(gòu)造錯(cuò)誤電路的同時(shí),cut-and-choose 的引入也產(chǎn)生了新的問(wèn)題,如需要確保參與方在各電路中的輸入相一致,以及處理由不經(jīng)意傳輸協(xié)議帶來(lái)的選擇性失敗攻擊問(wèn)題等.另外,cut-and-choose技術(shù)的使用并不能保證敵手一定無(wú)法作弊成功,利用該方法構(gòu)造的方案雖然較為高效,但是有一定的錯(cuò)誤概率.為了進(jìn)一步降低錯(cuò)誤概率,提高協(xié)議效率和安全性,研究學(xué)者給出了一系列更為巧妙的構(gòu)造方案.

針對(duì)實(shí)用安全兩方計(jì)算領(lǐng)域的研究進(jìn)展,蔣瀚等人[6,7]給出了較為完善的總結(jié)與展望.近兩年,研究學(xué)者除了繼續(xù)研究混亂電路優(yōu)化[8–12]、cut-and-choose 技術(shù)[13–16]以及不經(jīng)意傳輸擴(kuò)展技術(shù)[17–19]之外,也開(kāi)始關(guān)注批處理環(huán)境下通用協(xié)議的優(yōu)化[20–25]、大規(guī)模可擴(kuò)展的安全計(jì)算協(xié)議[26–28]、預(yù)處理模型下的高效協(xié)議構(gòu)造[29–31],以及在惡意敵手模型下構(gòu)造解決某些具體問(wèn)題的安全計(jì)算協(xié)議,例如,安全兩方簽名協(xié)議[32]、安全兩方加密協(xié)議[33,34]、加密交換協(xié)議[35,36]等.這些研究成果無(wú)不表明:安全多方計(jì)算已經(jīng)在某些特定領(lǐng)域逐步邁向?qū)嵱没?并將在不久的將來(lái)真正應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中解決實(shí)際的問(wèn)題.

3 基于安全兩方計(jì)算的基因組序列比對(duì)研究進(jìn)展

近年來(lái),基因組數(shù)據(jù)的隱私保護(hù)逐漸引起國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注[37–39].信息安全頂級(jí)國(guó)際會(huì)議ACM CCS 在2016年將題為“Privacy and Security in the Genomic Era” 的報(bào)告[1]作為會(huì)議的主要教程之一;加州大學(xué)圣地亞哥分校、印第安納大學(xué)等聯(lián)合主辦了2015–2018 四屆iDASH Privacy & Security Challenge[40],通過(guò)競(jìng)賽的方式,在國(guó)際頂級(jí)密碼學(xué)與信息安全團(tuán)隊(duì)提供的基因組數(shù)據(jù)安全計(jì)算方案中選拔出性能最好的成果.這些科研課題與學(xué)術(shù)活動(dòng)表明:隱私保護(hù)的基因組數(shù)據(jù)處理已經(jīng)成為信息安全領(lǐng)域的熱門(mén)研究?jī)?nèi)容.

在基因組數(shù)據(jù)處理中,最為基礎(chǔ)、應(yīng)用最為廣泛的操作是基因組序列比對(duì).早在1987年,Gribskov等人[41]就提出了鑒別兩條序列之間相似性的序列比對(duì)方法.在基因組序列比對(duì)隱私保護(hù)方面,主要采用的技術(shù)是安全兩方計(jì)算.安全實(shí)現(xiàn)兩個(gè)基因組序列的比對(duì)是安全兩方計(jì)算的一種特定場(chǎng)景.目前,安全兩方計(jì)算協(xié)議主流的通用構(gòu)造方法分為同態(tài)加密和混亂電路兩種.所謂通用構(gòu)造方法,是指基于此類方法所構(gòu)造的協(xié)議可以安全計(jì)算任意可計(jì)算的函數(shù).由于通用構(gòu)造相比于專用協(xié)議本身具有諸多優(yōu)勢(shì),設(shè)計(jì)更直觀、安全性更強(qiáng)且多數(shù)情況下效率更高,因此,學(xué)界對(duì)于安全兩方基因組序列比對(duì)的研究也主要圍繞這兩種通用構(gòu)造方法展開(kāi).

3.1 基于同態(tài)加密的構(gòu)造

同態(tài)加密是一種特殊的加密方案,它允許人們對(duì)密文進(jìn)行特定的運(yùn)算,得到一個(gè)密文結(jié)果,將該結(jié)果解密所得到的值,與對(duì)明文進(jìn)行同樣的運(yùn)算所得到的值相同.換句話說(shuō),這項(xiàng)技術(shù)可以使人們直接在加密的數(shù)據(jù)上進(jìn)行檢索、比較、運(yùn)算等操作,整個(gè)處理過(guò)程中無(wú)需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解密即可得到正確結(jié)果的密文,從而保證了數(shù)據(jù)的安全性和隱私性.根據(jù)加密方案所支持函數(shù)的限制條件的不同,可以將同態(tài)加密分為somewhat 同態(tài)和全同態(tài).Somewhat 同態(tài)表示加密算法僅支持一些特定的函數(shù)(比如有限的加法和乘法運(yùn)算),功能不強(qiáng),但容易實(shí)現(xiàn),且計(jì)算開(kāi)銷較小,已經(jīng)可以實(shí)際使用;全同態(tài)則可以支持任意給定的函數(shù)[42],功能很強(qiáng),但是計(jì)算開(kāi)銷極大,目前離實(shí)際應(yīng)用還有一定距離.

基于同態(tài)加密可以構(gòu)造安全兩方計(jì)算的通用協(xié)議.Somewhat 同態(tài)加密構(gòu)造的方案中[29,43–45],參與方本地的計(jì)算代價(jià)較低,但為了完成任意的函數(shù)計(jì)算,參與方之間需要進(jìn)行大量的交互,因此協(xié)議的輪復(fù)雜度和通信復(fù)雜度較高;全同態(tài)加密可以與云計(jì)算結(jié)合,構(gòu)造云輔助的通用安全計(jì)算協(xié)議[46–48],將參與方本地的計(jì)算和通信代價(jià)降至最優(yōu).但是,由于目前的全同態(tài)加密方案較為低效,所以即便引入云服務(wù)器來(lái)輔助進(jìn)行安全計(jì)算任務(wù),協(xié)議的效率仍然不高.

在安全兩方基因組序列比對(duì)這一具體問(wèn)題方面,主要方法是將同態(tài)加密與編輯距離相結(jié)合來(lái)構(gòu)造安全計(jì)算協(xié)議[3].編輯距離指的是將一個(gè)字符串編輯為另一個(gè)字符串所需要的最小操作次數(shù)[49],它在生物信息學(xué)、搜索引擎、抄襲檢測(cè)、語(yǔ)音辨識(shí)等領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用,可以有效、定量地判定兩個(gè)字符串的相似度有多高.Atallah 等人[3]基于加法同態(tài)加密,利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃來(lái)安全計(jì)算兩個(gè)基因組序列的編輯距離,構(gòu)造了半誠(chéng)實(shí)敵手模型下安全的協(xié)議.但由于動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法的計(jì)算復(fù)雜度較高,基于同態(tài)加密的協(xié)議構(gòu)造并不高效.利用現(xiàn)有的同態(tài)加密算法,計(jì)算一個(gè)8×8 的動(dòng)態(tài)規(guī)劃需要16.4 s.提高協(xié)議運(yùn)行效率的有效方法之一是利用安全外包計(jì)算來(lái)降低參與方本地的計(jì)算代價(jià)[50,51].許多國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)安全外包計(jì)算進(jìn)行了較為深入的研究.Chen 等人[52,53]、Wang 等人[54]和Ye 等人[55]構(gòu)造的模冪外包計(jì)算方案、Nie等人[56]構(gòu)造的線性規(guī)劃外包計(jì)算方案、胡杏等人[57]構(gòu)造的矩陣外包計(jì)算方案、孫茂華等人[58]構(gòu)造的集合并集外包計(jì)算方案、李順東等人[59]構(gòu)造的云輔助集合隱私計(jì)算方案等,均有效推動(dòng)了安全外包計(jì)算研究領(lǐng)域的發(fā)展.但是,這些方案并不適用于序列比對(duì)算法,很難直接應(yīng)用于安全兩方基因組序列比對(duì)中.Ma 等人[60]對(duì)序列比對(duì)算法的安全外包進(jìn)行了研究,引入多個(gè)服務(wù)器分擔(dān)參與方的計(jì)算任務(wù),構(gòu)造了可以抵抗惡意服務(wù)器攻擊的安全外包協(xié)議.

3.2 基于混亂電路的構(gòu)造

1986年,姚期智院士提出混亂電路的概念及其構(gòu)造方法,并將混亂電路與不經(jīng)意傳輸相結(jié)合,構(gòu)造了第一個(gè)安全兩方計(jì)算的通用協(xié)議——Yao 協(xié)議[61].混亂電路是對(duì)布爾電路的一種加密形式,它允許參與方在不知道電路真實(shí)輸入值的情況下以一種茫然的方式逐層計(jì)算出正確的電路輸出結(jié)果,計(jì)算過(guò)程中除電路輸出外不泄漏任何額外信息.混亂電路可以在保證輸入隱私性的前提下高效、安全地完成任意可計(jì)算的計(jì)算任務(wù).

Yao 協(xié)議的出現(xiàn)引起了國(guó)際密碼學(xué)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注.近年來(lái),學(xué)界主要從以下三個(gè)方面對(duì)基于混亂電路的安全兩方計(jì)算進(jìn)行研究.一是對(duì)混亂電路構(gòu)造方法進(jìn)行優(yōu)化,有效提高混亂電路的計(jì)算效率[62–66];二是提出使用cut-and-choose 技術(shù)[5,67],將僅能抵抗半誠(chéng)實(shí)敵手的Yao 協(xié)議高效編譯為惡意敵手模型下安全的構(gòu)造,這在密碼學(xué)界掀起了一股研究熱潮[20,22,68–75];三是將混亂電路的構(gòu)造任務(wù)或計(jì)算任務(wù)外包到云服務(wù)器,利用云計(jì)算技術(shù)來(lái)輔助完成安全兩方計(jì)算[76–82],但由于該框架下的安全模型和構(gòu)造技術(shù)等方面尚不成熟,因此實(shí)際應(yīng)用較少.

在安全兩方基因組序列比對(duì)方面,Jha 等人[83]基于混亂電路技術(shù),在半誠(chéng)實(shí)敵手模型下給出了三個(gè)安全的序列比對(duì)協(xié)議:協(xié)議一直接基于Yao 混亂電路進(jìn)行構(gòu)造;協(xié)議二將協(xié)議一中的電路進(jìn)行分割,并將各電路結(jié)果在參與方之間進(jìn)行共享;協(xié)議三對(duì)前兩個(gè)協(xié)議進(jìn)行融合,在協(xié)議效率和可擴(kuò)展性等方面進(jìn)行了優(yōu)化.該方案的主要缺點(diǎn)是其在應(yīng)對(duì)大規(guī)模計(jì)算任務(wù)時(shí)表現(xiàn)不足.Huang 等人[65]對(duì)Jha 等人的方案進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化,給出的協(xié)議降低了參與方的計(jì)算代價(jià),但參與方之間的交互代價(jià)仍然較高.Blanton 等人對(duì)基因組序列比對(duì)任務(wù)進(jìn)行擴(kuò)展和外包[84],并分別討論了參與方作為半誠(chéng)實(shí)敵手、服務(wù)器作為惡意敵手以及相反情況下協(xié)議的構(gòu)造方法和運(yùn)行效率[85].Wang 等人[86]和Asharov 等人[87]將編輯距離計(jì)算問(wèn)題正式定義為相似病人查詢問(wèn)題,并引入公共參考序列來(lái)對(duì)基因組數(shù)據(jù)集進(jìn)行預(yù)處理,通過(guò)計(jì)算近似編輯距離,大大提高了在大數(shù)據(jù)集上進(jìn)行序列比對(duì)的效率.然而,這種方式也帶來(lái)了一些問(wèn)題.首先,公共參考序列的引入會(huì)導(dǎo)致泄漏一些有關(guān)數(shù)據(jù)分布的信息;第二,根據(jù)參考序列進(jìn)行計(jì)算在一定程度上降低了準(zhǔn)確度.Al Aziz 等人[88]基于保密集合求交和帶狀對(duì)齊算法給出了更高效和準(zhǔn)確度更高的方案.最近,Zhu等人[89]研究了更加一般化的編輯距離算法,包括加權(quán)編輯距離、最長(zhǎng)公共子序列及最重公共子序列等,并且在不丟失精確度的情況下,利用一種特殊的混亂電路構(gòu)造方法極大地提高了序列比對(duì)的效率.

4 發(fā)展動(dòng)態(tài)分析

我們對(duì)安全兩方計(jì)算及安全兩方基因組序列比對(duì)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了歸納和分析,在圖2 中展示主要研究成果的發(fā)展脈絡(luò),并標(biāo)注了可能的研究方向.

在安全兩方基因組序列比對(duì)研究領(lǐng)域,一個(gè)主要的研究趨勢(shì)是將序列比對(duì)任務(wù)安全外包到云服務(wù)器.這是因?yàn)榛蚪M序列比對(duì)算法的計(jì)算復(fù)雜度很高(O(mn),m和n分別為兩個(gè)序列的長(zhǎng)度),僅依靠?jī)蓚€(gè)參與方獨(dú)立完成安全計(jì)算任務(wù)所需花費(fèi)的代價(jià)很大,而借助云的計(jì)算資源輔助兩個(gè)參與方進(jìn)行安全計(jì)算則可以較大程度提高協(xié)議的運(yùn)行效率.但是,從目前研究現(xiàn)狀來(lái)看,該領(lǐng)域的研究中仍然存在以下兩個(gè)比較突出的問(wèn)題:

(1)現(xiàn)有云輔助安全兩方計(jì)算方案的安全模型和構(gòu)造方法尚不成熟,導(dǎo)致無(wú)法充分發(fā)揮云計(jì)算模型的優(yōu)勢(shì),協(xié)議效率有待進(jìn)一步提升.

云輔助安全兩方計(jì)算的安全模型和構(gòu)造方法中仍有許多問(wèn)題沒(méi)有解決,遇到一些理論和技術(shù)上的瓶頸:安全模型過(guò)弱會(huì)導(dǎo)致協(xié)議不足以保證實(shí)際中的安全性,過(guò)強(qiáng)則會(huì)造成參與方本地的計(jì)算代價(jià)太高,失去云輔助計(jì)算的優(yōu)勢(shì);構(gòu)造方法不完善,且不能跟安全模型很好地結(jié)合,以構(gòu)造高效的云輔助安全計(jì)算協(xié)議.因此,一個(gè)有效的研究方向是:研究新型云輔助的安全兩方基因組序列比對(duì),探究新的安全模型和構(gòu)造方法,進(jìn)一步提高安全兩方序列比對(duì)的效率.

圖2 研究發(fā)展脈絡(luò)Figure 2 Roadmap to research

(2)現(xiàn)有方案主要關(guān)注半誠(chéng)實(shí)敵手模型,協(xié)議安全性有待進(jìn)一步增強(qiáng).

現(xiàn)有方案大多只考慮半誠(chéng)實(shí)敵手模型,雖然這樣構(gòu)造的協(xié)議運(yùn)行效率較高,但該模型要求參與方嚴(yán)格按照協(xié)議規(guī)定執(zhí)行,這種假設(shè)在現(xiàn)實(shí)中是過(guò)強(qiáng)的.尤其是面對(duì)基因組序列這種蘊(yùn)含大量隱私信息的數(shù)據(jù),考慮能力更強(qiáng)的敵手——惡意敵手成為迫切需求和必然趨勢(shì).在惡意敵手模型中,潛在的惡意方可能采取任意的策略和行為以獲取額外利益.構(gòu)造惡意敵手模型下安全的計(jì)算協(xié)議非常復(fù)雜且低效,再加上序列比對(duì)算法的計(jì)算復(fù)雜度很高,這就為構(gòu)造惡意敵手模型下高效的序列比對(duì)協(xié)議帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn).另外,全模擬安全性是惡意敵手模型下最嚴(yán)格的安全等級(jí),研究構(gòu)造惡意敵手模型下滿足全模擬安全性的安全兩方序列比對(duì)協(xié)議是非常必要的,但也是非常困難的.因此,一個(gè)可行的研究方向是:研究強(qiáng)安全模型下可證安全的安全兩方基因組序列比對(duì),探究新的高效構(gòu)造機(jī)制,進(jìn)一步增強(qiáng)安全兩方序列比對(duì)的安全性.

5 結(jié)束語(yǔ)

本文總結(jié)了實(shí)用安全兩方計(jì)算的研究進(jìn)展,并較為詳細(xì)地介紹并分析了安全兩方計(jì)算在基因組序列比對(duì)中的應(yīng)用.由于基因組數(shù)據(jù)本身的特殊性以及序列比對(duì)算法的復(fù)雜性,在利用安全兩方計(jì)算實(shí)現(xiàn)基因組序列比對(duì)隱私保護(hù)方面,目前已有的研究工作面臨協(xié)議效率低、安全模型弱等問(wèn)題.后續(xù)的研究可以從提高協(xié)議效率和增強(qiáng)協(xié)議安全性兩個(gè)角度出發(fā),利用云輔助計(jì)算模型提高協(xié)議效率,考慮惡意敵手攻擊強(qiáng)化安全模型,利用新的安全性定義和高效構(gòu)造機(jī)制,探索構(gòu)造高效、安全的兩方基因組序列比對(duì)的方法和技術(shù).