0　引　言

　　根據(jù)麥肯錫全球研究所給出的定義,，大數(shù)據(jù)是“一種規(guī)模大到在獲取,、存儲(chǔ)、管理、分析方面大大超出了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件工具能力范圍的數(shù)據(jù)集合,，具有海量的數(shù)據(jù)規(guī)模、快速的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn),、多樣的數(shù)據(jù)類型和價(jià)值密度低等特征”,。

　　隨著云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、5G及人工智能等新技術(shù)的迅速發(fā)展,，人們可以通過海量的終端,、感知元件等獲得大量的信息化數(shù)據(jù)。利用這些數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行分析,，可以更加便捷地服務(wù)社會(huì),。在2019年全球數(shù)據(jù)量已超過41ZB的情況下，如何實(shí)現(xiàn)這些數(shù)據(jù)以達(dá)到人與物之間的互聯(lián)互通,，是各國(guó)業(yè)界目前都在討論研究的課題,。

　　發(fā)達(dá)國(guó)家方面，美國(guó)在2019年發(fā)布了《聯(lián)邦數(shù)據(jù)戰(zhàn)略第一年度行動(dòng)計(jì)劃（Federal Data Strategy Year-1 Action Plan）》草案,。該草案包含了美國(guó)如何利用大數(shù)據(jù)來制定未來發(fā)展戰(zhàn)略,，提高整個(gè)社會(huì)效率。此外,，英國(guó)政府正在研究如何利用交通行業(yè)的大數(shù)據(jù)來判定英國(guó)經(jīng)濟(jì)情況和制定經(jīng)濟(jì)政策,。

　　我國(guó)在大數(shù)據(jù)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)展也不遑多讓。2019年5月,，我國(guó)成立了國(guó)家電網(wǎng)大數(shù)據(jù)中心,；2019年，三大電信運(yùn)營(yíng)商也完成了全集團(tuán)大數(shù)據(jù)平臺(tái)的建設(shè),。

　　1　大數(shù)據(jù)環(huán)境下的安全風(fēng)險(xiǎn)

　　大數(shù)據(jù)在全球各行業(yè)都已取得了重大進(jìn)展,，但同時(shí)帶來了很多問題，其中最大的問題是大數(shù)據(jù)的安全問題,。2019年爆出的Collection#1數(shù)據(jù)集事件泄露了超過27億個(gè)電子郵件/密碼對(duì),；2019年9月6日，杭州魔蝎數(shù)據(jù)科技有限公司因用戶隱私泄露被警方控制,。

　　國(guó)內(nèi)外用戶隱私泄露事件頻發(fā),，表明大數(shù)據(jù)的安全必須被重視。大數(shù)據(jù)技術(shù)具有5V特征,，即Volume（體量大）,、Variety（種類多）、Velocity（速度快）,、Velocity（準(zhǔn)度高）和Value（價(jià)值大）,，如圖1所示。其中,，體量大是指大數(shù)據(jù)技術(shù)中包含的數(shù)據(jù)規(guī)模巨大,；種類多是指大數(shù)據(jù)技術(shù)來源的數(shù)據(jù)集多種多樣；速度快是指大數(shù)據(jù)技術(shù)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理,；準(zhǔn)度高是指大數(shù)據(jù)技術(shù)處理后的結(jié)果需要具有較高的準(zhǔn)確性,；價(jià)值大是指大數(shù)據(jù)技術(shù)可以帶來很大的戰(zhàn)略價(jià)值,。

　　圖1　大數(shù)據(jù)的5V特征

　　大數(shù)據(jù)環(huán)境下數(shù)據(jù)的安全概念來自于傳統(tǒng)的信息安全的數(shù)據(jù)安全。傳統(tǒng)的信息安全的目的是保障數(shù)據(jù)的機(jī)密性,、完整性,、可用性及不可否認(rèn)性等。大數(shù)據(jù)環(huán)境下要保障數(shù)據(jù)在整個(gè)生命周期中的安全,，即從數(shù)據(jù)產(chǎn)生階段到數(shù)據(jù)銷毀階段都需要保障數(shù)據(jù)自身的安全和用戶的隱私不被泄露,，而使用密碼技術(shù)是一種通用的手段。同時(shí),，密碼技術(shù)也應(yīng)滿足大數(shù)據(jù)具有的5V特征，并且不影響大數(shù)據(jù)的處理速度,。

　　大數(shù)據(jù)環(huán)境下,，數(shù)據(jù)擁有者即用戶希望將數(shù)據(jù)加密后上傳至服務(wù)器，使數(shù)據(jù)處理方在不解密的情況下對(duì)密文數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,。如此可以使得用戶的隱私不會(huì)泄露,，同時(shí)數(shù)據(jù)處理方也可以獲得數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果。當(dāng)用戶需要原始數(shù)據(jù)時(shí),，可以將密文數(shù)據(jù)從服務(wù)器處下載至本地進(jìn)行解密操作得到原始數(shù)據(jù),。但是，這樣會(huì)導(dǎo)致每一次用戶上傳下載都將消耗很多的網(wǎng)絡(luò)帶寬,，同時(shí)加解密操作也需要大量的計(jì)算資源,。為了解決上述問題，可搜索加密,、全同態(tài)加密和安全多方計(jì)算等技術(shù)隨之產(chǎn)生,。

　　2　可搜索加密技術(shù)

　　數(shù)據(jù)擁有者將數(shù)據(jù)密文數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云端，可以對(duì)個(gè)人的隱私進(jìn)行良好的保護(hù),。但是,，如果需要訪問搜索自己保存在云端的數(shù)據(jù)，需要先將密文數(shù)據(jù)下載至本地再解密,，會(huì)帶來很大的通信和計(jì)算開銷,。如何使得數(shù)據(jù)擁有者在保障隱私的同時(shí)訪問搜索自己的數(shù)據(jù)即密文索引，成為近年來的研究熱點(diǎn),。

　　可搜索加密技術(shù)（Searchable Encryption,，SE）可以滿足數(shù)據(jù)擁有者既可以確保個(gè)人隱私不被泄露又可以通過索引搜索到存儲(chǔ)在云端的數(shù)據(jù)?？伤阉骷用芗夹g(shù)可以達(dá)到只有合法用戶才具備基于關(guān)鍵詞檢索的能力,，提供了加密和檢索兩種服務(wù)。加密保證了數(shù)據(jù)擁有者信息的機(jī)密性,，在數(shù)據(jù)傳輸過程和云端都不會(huì)被泄露,；檢索保證了數(shù)據(jù)擁有者自身的隱私,，同時(shí)提供了查詢檢索功能。

　　可搜索加密大體上可以分為兩類：對(duì)稱可搜索加密（Symmetric Searchable Encryption,，SSE）和公鑰可搜索加密（Public Key Encryption with Keyword Search,，PEKS）。其中,，對(duì)稱可搜索加密主要是以基于索引的思想構(gòu)建的,，公鑰可搜索加密的典型構(gòu)造一般都是基于身份的公鑰密碼（Identity-Based Cryptography，IBE）,。

　　可搜索加密有多種模式,，下面介紹一種可滿足大數(shù)據(jù)特征的模式，即授權(quán)委托模式,。數(shù)據(jù)擁有者將原始密文和陷門發(fā)送至數(shù)據(jù)中心,，數(shù)據(jù)中心收到密文后進(jìn)行重加密（Re-crypt）步驟生成新的密文，原始密文只允許授權(quán)過的數(shù)據(jù)管理者查詢關(guān)鍵詞,。如果其他的數(shù)據(jù)使用者想獲得需要的明文,，則必須通過數(shù)據(jù)管理者發(fā)送重加密密鑰才能對(duì)新的密文進(jìn)行解密，如圖2所示,。

　　圖2　滿足大數(shù)據(jù)特征的可搜索加密模式

　　3　安全多方計(jì)算技術(shù)

　　安全多方計(jì)算（Secure Multiparty Computation,，SMC）是指有若干位互不信任、相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)參與方在分布式環(huán)境下通過共同計(jì)算得到對(duì)于每位數(shù)據(jù)參與方都公開的計(jì)算結(jié)果,，但是無(wú)法獲取其他數(shù)據(jù)參與方的輸入數(shù)據(jù),。

　　安全多方計(jì)算基于姚期智院士在1982年提出的百萬(wàn)富翁問題。百萬(wàn)富翁問題的描述為“兩個(gè)百萬(wàn)富翁的目的是比較雙方的財(cái)富總量,，但是并不想知道對(duì)方的財(cái)富具體數(shù)量,，如何解決這一問題”。具體來說,，就是為了讓獨(dú)立數(shù)據(jù)擁有者可以在不信任對(duì)方以及第三方的情況下進(jìn)行隱私協(xié)同計(jì)算,。安全多方計(jì)算中，假設(shè)有n位計(jì)算參與者,，這些計(jì)算參與者的數(shù)據(jù)為圖片,。通過計(jì)算這些計(jì)算參與者共同得到一組數(shù)據(jù)圖片，任何一位計(jì)算參與者都可以得圖片,，但是對(duì)于整個(gè)計(jì)算過程他們只能得到這一種結(jié)果,。

　　正是基于百萬(wàn)富翁問題的假設(shè)，安全多方計(jì)算可以滿足大數(shù)據(jù)環(huán)境下用戶數(shù)據(jù)交由數(shù)據(jù)處理方進(jìn)行操作,，數(shù)據(jù)操作方只能得到處理后的結(jié)果而不能獲得用戶的具體數(shù)據(jù)圖片,，從而保護(hù)用戶的隱私。

　　通常安全多方計(jì)算系統(tǒng)中,，每個(gè)數(shù)據(jù)持有者由數(shù)據(jù)反饋,、數(shù)據(jù)庫(kù)和安全多方計(jì)算節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,。所有的數(shù)據(jù)持有者權(quán)限相同，可以同時(shí)執(zhí)行計(jì)算任務(wù),。各個(gè)數(shù)據(jù)持有者之間的數(shù)據(jù)流通稱為數(shù)據(jù)流,，而每個(gè)數(shù)據(jù)持有者在本地完成數(shù)據(jù)的處理并將處理后的結(jié)果發(fā)送給數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)。這種系統(tǒng)可以保證在大數(shù)據(jù)環(huán)境下用戶的隱私,，如圖3所示,。

　　圖3　安全多方計(jì)算系統(tǒng)

　　4　全同態(tài)加密技術(shù)

　　大數(shù)據(jù)通常與云計(jì)算技術(shù)結(jié)合使用，將大數(shù)據(jù)置于云存儲(chǔ)服務(wù)器上,，提供云服務(wù)的提供者為數(shù)據(jù)擁有者服務(wù),。但是，隨之產(chǎn)生了一個(gè)問題,，即數(shù)據(jù)擁有者需要信任云服務(wù)提供者,，否則將會(huì)泄露數(shù)據(jù)擁有者的隱私。如何解決這一問題,，是大數(shù)據(jù)與云計(jì)算技術(shù)協(xié)同合作的難題。

　　為解決這一問題,，人們先將數(shù)據(jù)加密為密文,，再將密文存儲(chǔ)在云端進(jìn)行處理，云服務(wù)提供者在不掌握數(shù)據(jù)持有者明文數(shù)據(jù)的情況下為數(shù)據(jù)擁有者提供計(jì)算等服務(wù),，這就是全同態(tài)加密的概念,。

　　全同態(tài)加密最早是1978年Rivest等人提出的概念，即尋找一種密碼技術(shù)可以對(duì)兩個(gè)密文進(jìn)行加和乘的操作,，再對(duì)操作后的密文進(jìn)行解密,，所得的結(jié)果就是原始明文進(jìn)行同樣操作的結(jié)果。其后專家學(xué)者們?yōu)榱藢ふ业綕M足這一特性的技術(shù)而不斷努力,，直到2009年,，Gentry[9]在其博士論文提出了一種基于可以實(shí)現(xiàn)的全同態(tài)加密技術(shù)，被稱為密碼學(xué)界的“圣杯”,。

　　如果存在一個(gè)適合大數(shù)據(jù)的全同態(tài)加密系統(tǒng),，那么數(shù)據(jù)擁有者可以將數(shù)據(jù)加密為密文，再將密文在云端進(jìn)行處理,。云端無(wú)法查看數(shù)據(jù)擁有者的具體數(shù)據(jù),，只可以對(duì)其進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)擁有者對(duì)自己隱私的有效保護(hù),。

　　5　大數(shù)據(jù)環(huán)境下密碼技術(shù)展望

　　針對(duì)大數(shù)據(jù)環(huán)境下的密碼技術(shù),，目前業(yè)內(nèi)專家學(xué)者們已經(jīng)對(duì)可搜索加密、安全多方計(jì)算和全同態(tài)加密技術(shù)進(jìn)行了廣泛及深入研究,，并在電子投票,、智能電網(wǎng)及區(qū)塊鏈等不同領(lǐng)域取得了一定進(jìn)展,，但是仍然存在效率問題。當(dāng)前認(rèn)為解決效率問題的核心是優(yōu)化算法性能,，對(duì)于特定場(chǎng)景的算法優(yōu)化可以使其在相應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域提高效率,。大數(shù)據(jù)環(huán)境下在滿足大數(shù)據(jù)5V特征的前提下進(jìn)行算法優(yōu)化，對(duì)于整個(gè)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用研究至關(guān)重要,。

　　另外,，除了對(duì)算法本身研究?jī)?yōu)化外，還應(yīng)該結(jié)合先進(jìn)的分布式計(jì)算技術(shù)和密碼芯片技術(shù),。其中,，分布式計(jì)算可以整合共享算力資源，具有很高的計(jì)算負(fù)載均衡,，并提高容錯(cuò)和可靠性,，也可以提高算法的效率；密碼芯片技術(shù)可以減低算法功耗,，提高性能,，并獲得更高的安全性。

　　國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有助于規(guī)范行業(yè)的發(fā)展,，提高行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力,。因此，大數(shù)據(jù)環(huán)境下應(yīng)完善國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),，保證數(shù)據(jù)本身的安全和數(shù)據(jù)擁有者的隱私安全,，推動(dòng)我國(guó)大數(shù)據(jù)行業(yè)健康發(fā)展。

　　6　結(jié)　語(yǔ)

　　大數(shù)據(jù)環(huán)境下的數(shù)據(jù)安全是目前大數(shù)據(jù)技術(shù)面臨的重要問題,，解決此問題的手段之一就是應(yīng)用密碼技術(shù),。大數(shù)據(jù)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下通常與云計(jì)算技術(shù)結(jié)合使用，即大數(shù)據(jù)在云端進(jìn)行處理,，但是云端對(duì)于數(shù)據(jù)擁有者而言是不可信的,，最好的解決方法是通過密碼技術(shù)將密文數(shù)據(jù)發(fā)給云服務(wù)提供者。本文對(duì)可搜索加密,、安全多方計(jì)算和全同態(tài)加密技術(shù)進(jìn)行介紹與分析,，可以解決大數(shù)據(jù)安全中的用戶隱私問題。但是,，由于上述3種密碼技術(shù)都需要對(duì)密文進(jìn)行操作,，面臨大數(shù)據(jù)環(huán)境下數(shù)據(jù)規(guī)模巨大、操作流程復(fù)雜的情況,，性能會(huì)急劇下降,。因此，下一步的工作重點(diǎn)是優(yōu)化技術(shù),，使其滿足大數(shù)據(jù)的特征,。