一种改进PSI协议的基因数据隐私保护方案

doi:10.19665/j.issn1001-2400.2020.04.013

西安电子科技大学学报 ›› 2020, Vol. 47 ›› Issue (4): 94-101.doi: 10.19665/j.issn1001-2400.2020.04.013

一种改进PSI协议的基因数据隐私保护方案

田美金¹(),马建峰^1,²,刘志全¹(),冯丙文¹,魏凯敏¹

1.暨南大学信息科学技术学院,广东广州 510632
2.西安电子科技大学网络与信息安全学院,陕西西安 710071

收稿日期:2019-12-05 出版日期:2020-08-20 发布日期:2020-08-14
通讯作者: 刘志全
作者简介:田美金(1995—),男,暨南大学硕士研究生,E-mail:tianmej@gmail.com.
基金资助:
国家自然科学基金(61802146);国家自然科学基金(61972178);国家自然科学基金(61802145);广东省重点领域研发计划项目(2019B010136003);广东省数据安全与隐私保护重点实验室(2017B03031004);广东省基础与应用基础研究基金(2019A1515011017);广东省自然科学基金(2019B010137005);广东省自然科学基金(2018A030313813);广东省自然科学基金(2018A03031387);广东省自然科学基金(2017A030313390);广东省自然科学基金(2017A030313334);广州市科技计划(201804010428);广州市科技计划(201802010061);中央高校基本科研业务费专项资金(11618332);中央高校基本科研业务费专项资金(11617343);信息安全国家重点实验室开放课题;广东省信息安全技术重点实验室开放基金(2017B030314131);广东省智能信息处理重点实验室/深圳市媒体信息内容安全重点实验室开放基金

Genomic data privacy-preserving scheme based on the improved PSI protocol

TIAN Meijin¹(),MA Jianfeng^1,²,LIU Zhiquan¹(),FENG Bingwen¹,WEI Kaimin¹

1. College of Information Science and Technology, Jinan University, Guangzhou 510632, China
2. School of Cyber Engineering, Xidian University, Xi’an 710071, China

Received:2019-12-05 Online:2020-08-20 Published:2020-08-14
Contact: Zhiquan LIU

摘要/Abstract

摘要：

为解决基因数据共享面临的隐私泄露问题,提出一种改进隐私集合交集计算协议的基因数据隐私保护方案。该方案采用布隆过滤器、布谷鸟哈希和随机不经意传输扩展协议,在用户进行致病基因检测时保护其基因组序列信息,并判断被检测者是否含有某种疾病因子。此外,在半诚实安全模型下, 证明所提方案在致病基因检测场景中的正确性和安全性,并通过一系列实验验证所提方案的高效性。实验结果表明,所提方案的运行时间和通信开销明显低于现有的隐私集合交集计算方案。

关键词: 隐私集合交集, 不经意传输, 基因隐私, 隐私保护

Abstract:

In order to solve the problem of privacy leakage in the sharing of genomic data, a genomic data privacy-preserving scheme based on the improved Private Set Intersection (PSI) computing protocol is presented, which leverages the Bloom Filter, Cuckoo Hash, and Random Oblivious Transfer (ROT) extension protocol to not only protect the genomic sequence information on the user when detecting a disease-causing gene but also judge whether he or she has some disease factors or not. Moreover, the correctness and security of the proposed scheme in the detection scenario of disease-causing genes are proved in the semi-honest security model. In addition, a series of experiments is conducted to verify the efficiency of the proposed scheme. The results reveal that the running time and communication overhead of the proposed scheme are much less than those of the existing PSI schemes.

Key words: private set intersection, oblivious transfer, genetic privacy, privacy preserving

中图分类号:

TP301.5

田美金,马建峰,刘志全,冯丙文,魏凯敏. 一种改进PSI协议的基因数据隐私保护方案[J]. 西安电子科技大学学报, 2020, 47(4): 94-101.

TIAN Meijin,MA Jianfeng,LIU Zhiquan,FENG Bingwen,WEI Kaimin. Genomic data privacy-preserving scheme based on the improved PSI protocol[J]. Journal of Xidian University, 2020, 47(4): 94-101.

图/表 5

表1

表2

图1

图2

图3

参考文献 17

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符号	描述
S, C	服务器,客户端
X, Y, Y'	服务器持有的序列集合,客户端原始持有的序列集合,客户端过滤后持有的序列集合
n₁, n₂, n₃	X, Y, Y'集合大小,即集合中的序列的个数
σ	集合中序列的长度
B_X	由服务器集合生成的布隆过滤器
k	哈希函数的数量
b, b'	生成布隆过滤器时哈希表中哈希桶的数量,执行简单哈希时哈希表中哈希桶的数量
κ, λ	对称密码机制的安全参数,统计意义的安全参数
l	执行N选1ROT扩展协议后输出加密序列的二进制位数
G	伪随机生成器
R	随机预言机
+○	异或运算
·○	同或运算

哈希映射	P-PSI	S-PSI	笔者提出方案
简单哈希:二维哈希表	√	√	√
权衡哈希:二维哈希表		√
布谷鸟哈希:一维哈希表+Stash	√
布谷鸟哈希:二维哈希表			√

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