面向大数据通信的隐私保护与加密算法研究

2024-05-09马逸群

通信电源技术 2024年5期

马逸群

（内蒙古自治区大数据中心，内蒙古呼和浩特 010000）

0 引言

随着互联网和物联网的快速发展，大数据通信已经成为信息社会中的主要通信形式之一。然而随着网络使用规模扩大，信息隐私泄露等安全性问题日益凸显。特别是在大数据通信中，由于数据量大、传输速度快，传统的隐私保护和加密算法往往面临着更大的挑战。因此，如何在大数据通信中保障信息的安全性和隐私性成为当前急需解决的问题。

1 大数据通信与隐私保护概述

1.1 大数据通信安全挑战

大数据通信在其快速发展的同时面临着严峻的安全挑战。由于大数据规模庞大，传统的加密和解密过程变得十分复杂，信息传输的速度和效率大幅降低。大数据通信涉及多个终端和节点，网络中的每一个连接点都是潜在的攻击目标，增加了信息泄露和入侵的风险。大数据通信中数据的多样性和实时性要求，使安全策略的制订和实施变得更加困难，容易出现漏洞和薄弱环节。大数据通信中的隐私信息多为敏感数据，一旦泄露可能会引发严重的社会问题和经济问题，因此隐私保护成为急需解决的重要问题。

1.2 隐私保护技术现状

隐私保护技术在大数据通信领域取得了显著的进展。当前，针对大数据隐私保护的技术主要包括数据加密、访问控制、身份验证及差分隐私等。数据加密作为隐私保护的基础手段，通过使用密码算法加密敏感信息，防止未经授权的访问。访问控制技术通过合理设置权限和规则，限制用户对敏感数据的访问和操作，从而保障隐私信息的安全。身份验证技术致力于确认通信中各方的真实身份，防止出现冒名顶替等安全风险。差分隐私技术注重在数据发布过程中添加噪声，通过在个体数据中引入一定程度的随机性，保护用户的隐私信息免受潜在的推断攻击[1]。

2 隐私保护技术研究

2.1 数据匿名化

在大数据通信中，数据匿名化是一项关键的隐私保护技术，主要通过变换或扰乱数据，隐藏用户身份或敏感信息，从而降低隐私泄露的风险。数据匿名化的核心目标是在保持数据可用性的同时，最大限度地降低个体身份的可识别性。常见的数据匿名化方法是泛化和抑制。泛化通过模糊化或一般化特定属性的值，从而降低特定用户的可识别性；抑制则通过删除或替换部分敏感数据，以达到降低隐私风险的目的。这2 种方法可以结合使用，形成一套完整的数据匿名化方案。以k-匿名为例，它是一种基于泛化的匿名化技术，通过将某个属性的值泛化为相同的值，确保至少存在k个相同属性值的记录，从而实现对个体的匿名化。具体而言，对于一个包含敏感属性S的数据集，如果其中的每条记录在属性Q 上的值都相同，并且相同值的记录数目不少于k，那么这些记录就被认为是k-匿名的。

2.2 访问控制与身份验证

在信息安全领域，访问控制与身份验证是关键的隐私保护技术之一。访问控制通过规定系统中用户或实体对资源的访问权限，限制其能够执行的操作，从而确保系统只被授权的用户或实体所访问。身份验证则是确认用户或实体的身份是否合法的过程，以防止非法实体获取系统资源[2]。常见的一种访问控制模型是基于角色的访问控制（Role Based Access Control，RBAC），角色由系统管理员定义，给用户分配相应的角色，且系统根据角色授予相应的权限，如图1 所示。这种模型的优势在于简化了权限管理，但缺点在于用户不能自主地增减权限，需要依赖系统管理员调整授权。访问控制涉及强制性的权限规定，用户只能被动地接受角色的权限，限制了其自主性。身份验证采用静态口令认证，如传统的口令、提问等方式，存在被破解或遗忘的风险。为增强安全性，动态口令认证逐渐成为主流技术。该技术通过生成一次性密码或基于时间的令牌，有效消除口令认证存在的安全隐患。

图1 RABC 访问控制机制

2.3 差分隐私技术

差分隐私技术是一种有效的隐私保护手段，主要应用于数据处理和发布场景。差分隐私技术的核心思想是通过在数据中引入适度的噪声或扰动，在保障数据隐私的前提下进行有效的统计分析和机器学习任务。差分隐私的关键目标是在提供有用信息的同时防止个体隐私泄露[3]。在差分隐私中，通过向数据添加噪声，使得在输出结果中无法确定特定个体的贡献，从而保护其隐私。这项技术特别适用于敏感个人信息的处理，如医疗记录、用户行为数据等。通过平衡隐私保护和数据分析，差分隐私技术已应用于多个领域。

3 加密算法优化研究

3.1 对称加密算法

对称加密算法是一种广泛应用于信息安全领域的加密技术，发送方和接收方共享同一密钥，通过使用该密钥进行加密和解密操作。为提升对称加密算法的性能和安全性，可以通过以下方式进行优化研究。通过优化密钥管理和交换机制，以提升对称加密算法的性能。采用高效的密钥生成算法，定期更新密钥，并采用适当的密钥交换协议，有效减少潜在的攻击风险。此外，通过改进算法本身来提升算法的加密强度。例如，在数据加密标准（Data Encryption Standard，DES）算法的基础上，可以采用更长的密钥长度或选择更安全的分组密码算法。对称加密算法的实现可以借助硬件加速或并行计算等技术加快加密速度，包括采用专用硬件加速器、图形处理器（Graphics Processing Unit，GPU）加速等方式，从而加快加密和解密过程，提升整体性能[4]。

3.2 非对称加密算法

非对称加密算法作为信息安全领域的核心技术之一，其性能和安全性直接关系通信系统的可靠性。在优化研究非对称加密算法时，需要考虑如何提高算法的执行效率，降低计算复杂度，并保持足够的安全性。密钥长度的选择是非对称加密算法优化的一个重要方面。密钥越长，安全性越高，但计算复杂度也会增加。因此，需要在安全性和性能之间寻找平衡点。采用更高效的密钥生成算法，减少密钥长度，同时确保算法的安全性。对于非对称加密算法中的数字签名部分，采用适当的哈希函数和签名方案是优化的重点。选择更高效的哈希算法（如SHA-256）和更快速的签名算法，可以在保障信息完整性和身份验证的同时提高算法执行效率。硬件加速和并行计算是优化非对称加密算法的有效途径。利用硬件设备进行大数运算，如使用专门的加密芯片或安全模块，可以显著加快算法的运行速度。并行计算技术可以应用于密钥交换等计算密集型部分，从而加速整体加密过程。

3.3 混合加密方案

混合加密方案是充分利用对称加密和非对称加密算法各自的优势，在保障通信安全性的同时提高加密效率。在混合加密方案中，对称加密算法主要负责大量数据的加密和解密过程，而非对称加密算法主要用于密钥的安全分发和交换。对于混合加密方案，需要明确选择合适的对称加密算法。对称加密算法因其高效的加解密性能而广泛应用，如高级加密标准（Advanced Encryption Standard，AES）算法。在混合方案中，对称加密算法通常用于对大量数据快速的加密和解密操作。密钥长度的选择需要在安全性和性能之间取得平衡，确保足够的安全强度，同时不影响通信效率。非对称加密算法主要用于密钥的安全分发和交换。采用RSA 或椭圆曲线加密等非对称加密算法，可以有效解决密钥传输过程中的安全性问题[5]。这一步骤确保了通信双方能够安全地协商出一个共享的对称密钥，用于后续的对称加密通信。

4 技术实现与性能评估

4.1 隐私保护技术实现

在隐私保护技术的实现过程中，有效结合访问控制与身份验证、差分隐私等技术手段，确保用户的敏感信息在数据处理和传输过程中得到充分保护。采用访问控制与身份验证技术，确保只有经过合法身份验证的用户才能访问特定的敏感数据，如基于角色的访问控制和多因素身份验证等方式，以提升系统整体的安全性。利用差分隐私技术匿名化处理数据，以保护用户的个体隐私。通过在数据集中引入噪声或进行数据扰动，在统计上有效遮蔽用户的隐私信息。在技术实现中，结合加密算法加密保护传输过程中的数据，避免数据在传输中被恶意截取。采用安全套接层（Secure Sockets Layer，SSL）、传输层安全（Transport Layer Security，TLS）等安全传输协议，合理运用对称加密和非对称加密，实现对数据的端到端加密，从而提升通信的机密性。