TWI453621B - A decentralized environmental information inquiry system based on user privacy - Google Patents

Description

基於使用者隱私之分散式環境資料詢問系統

本發明係關於一種基於使用者隱私，將詢問資訊以密文方式進行處理，並且透過密文搜尋方法，在不被資訊提供者知道使用者欲找的資料情況下，達成詢問的目的；其中更可透過一定程度信任的遠端運算資源，協助提升運算效能，節省使用者端的運算資源消耗與需求；運算後結果將提供回使用者裝置，進行後續處理，整個過程可在不改變使用者操作習慣與預期結果下完成。

一般資訊詢問或分析系統往往都是將欲詢問資訊傳送至服務伺服器做進一步的搜尋，多數情況使用者不知其詢問內容是否有暴露風險；此外，目前可看到的各種資料分析應用系統，均會將相關資料分析比對程式放置於裝置內，如電腦惡意分析系統目前多以主機型分析技術為主，相關的惡意軟體特徵值由遠端更新伺服器不時提供最新的特徵碼下載，再由主機內惡意程式分析系統直接分析使用者裝置上的資料。而在行動平台上，目前可看到的惡意程式分析方法主要也是依循此機制運作。然而，個人通訊裝置的續航力考量現在已是極為重要的一環，惡意程式分析基本上屬於需要較高運算資源的應用。目前部分防毒業者會將部分的分析運算移至雲端系統完成，雖可達到減少行動平台資源使用的目的，但如果使用者資料未經過妥善處理而以明文上載分析，則在分析的主機上會有暴露隱私的問題發生。

本發明以保護使用者隱私為前提，且在行動平台有限的運算與電力資源考量下，完成基於內容保護之資料詢問，並透過此架構所發展之系統，如雲端惡意分析服務，讓使用者無須擔心分析時會有隱私資料洩漏的情形，並在分析後仍可確認由外界得到的訊息是可信賴的。

本發明之目的即在於提供一種基於使用者隱私之分散式環境資料詢問系統，透過資訊安全加密技術的方法，將使用者的資料以密文的方式傳送至遠端進行分析，並且透過高效能的運算資源即時提供使用者可信賴之最新且明確的詢問結果。除了兼具節省行動平台的運算資源消耗以及硬體資源的要求，將運算需求較大的操作以及需要經常更新的搜尋特徵值集中遠端處理，可確保搜尋正確性，避免因時間差造成如惡意程式分析時的遺漏風險。

達成上述發明目的之一種基於使用者隱私之分散式環境資料詢問系統，包含三個子系統：資料分析處理子系統、個人運算輔助子系統與資料過濾分析子系統，透過快速且有效之加密演算法以達到隱密使用者端的詢問資料，完成詢問結果的搜尋。以惡意簡訊或來電分析的例子來說，個人行動裝置一旦取得新的簡訊或者有來電時，可立即自動執行上載分析動作，並在得到分析結果以後，隨即進行後續因應處理動作，如發現為惡意簡訊或來電時，立即提出警示告知使用者。

而使用者端的隱私保護方式為，在詢問內容送至資料提供端以前，會使用具有可運算解讀的密文串流加以隱藏資訊，並且隱藏資訊的內容經過資訊提供者內容比對以後，可以透過相關雜湊運算最多只可找出使用者可能需要的資訊，達成隱私保護之目的。

如圖一所示為本發明之系統架構圖，主要分為三個子系統，資料分析處理子系統1、個人運算輔助子系統2與資料過濾分析子系統3，且中間傳輸過程可透過加密通道進行通訊。

資料分析處理子系統1包含三個模組：詢問內容擷取模組11、詢問內容加密模組12與行動平台特徵分析模組13，可將分析的關鍵詢問內容選取出來，並透過加密方法將相關內容隱藏起來，交由後續系統進行分析，以節省進行特徵分析所需要耗費之裝置資源，以及降低維護更新特徵值之需要。

詢問內容擷取模組11，主要由裝置取得要詢問之內容，具備以下功能：

a.　以資訊型態與字典檔過濾比對機制，提供關鍵資訊內容擷取機制；

b.　將擷取內容正規化，以進行後續詢問內容加密。

詢問內容加密模組12，提供將詢問內容處理為密文的機制，其方法如圖三所示：

a.　產生可讓資料過濾分析子系統3從中確認有效性以及具識別性之密文串流(cipher stream)；其中密文串流的內容包含：亂數、亂數帶入特定雜湊函數之結果與一識別值；

b.　將密文串流與詢問內容進行互斥運算(XOR)產生密文(ciphertext)；

c.　將密文送到資料過濾分析子系統3，以及將識別值送至個人運算輔助子系統2。

行動平台特徵分析模組13，處理由個人運算輔助子系統2或資料過濾分析子系統3所得到的結果，並由此結果分析判斷是否有找到詢問資訊。此模組具有下列功能：

a.　取回個人運算輔助子系統2或資料過濾分析子系統3的運算結果，根據取得之結果，以詢問資訊之明文內容進行最終特徵分析匹對結果確認。

個人運算輔助子系統2則包含快速過濾識別單元模組21與搜尋結果過濾輔助模組22，為個人專屬的運算輔助系統，將使用者端原有的運算需求分攤移轉至較信任且資源較多之遠端協助運算的環境，以利分析結果的產出。由於個人運算輔助子系統2主要作為輔助運算之用，透過本發明的機制由資料分析處理子系統1僅會得到部分資訊，以達到協助運算之目的。個人運算輔助子系統2運算結果會送至行動平台進行後續處理及應用。

快速過濾識別單元模組21，主要接收資料分析處理子系統1提供之密文串流識別值，並提供搜尋結果過濾輔助模組22密文串流之識別值。

搜尋結果過濾輔助模組22，協助初步過濾篩選要回傳至資料分析處理子系統1的資料，以減少資料分析處理子系統1的運算需要。其功能如下：

a.　由快速過濾識別單元模組21取得密文串流識別值；

b.　由搜尋結果收集處理模組32取得搜尋結果與表示搜尋結果識別值集合的布隆過濾器以及；

c.　使用快速過濾識別單元模組21的識別值與搜尋結果收集處理模組32提供之搜尋結果識別值集合布隆過濾器(bloom filter)進行存在性確認。若表示存在，則將搜尋結果收集處理模組32取得之搜尋結果傳至行動平台特徵分析模組13，反之則通知行動平台特徵分析模組13無匹對之情形。

資料過濾分析子系統3包含有搜尋比對模組31、搜尋結果收集處理模組32與搜尋比對值模組33三模組，提供使用者加密詢問內容與搜尋資料比對之分析作業。原始的資料可能因變異性較大，在提供搜尋以前可進行資料索引(indexing)作業。由於來自使用者的資訊均為加密密文，比對作業必須透過進一步的密文運算方法確認是否有匹對。由於比對過程具有模糊化的特性(外部系統無法明確知道使用者欲分析之資訊)，若找到可匹對的資料，系統會待所有符合的資料彙整好，送予個人運算輔助子系統2進行過濾作業。若資料本身屬結構化之完全匹對型態，回傳至個人運算輔助子系統2的資料可使用布隆過濾器資料結構進行有效的資料壓縮，除了可節省網路傳送所需之頻寬，更可減少後續比對作業的運算需求。

搜尋比對模組31，提供詢問密文內容與資料搜尋比對機制。此模組具有下列之功能：

a.　將詢問內容加密模組12傳送來的密文與搜尋比對值模組33提供的資料索引明文進行互斥運算；

b.　將互斥運算後的串流做進一步有效性確認，確定是否為候選結果。在有效性確認中，如圖三所示，將密文串流內表示亂數的欄位帶入雜湊函數，並且比對運算後的值是否與密文串流內表示雜湊函數值的欄位相等。若二值相等則表示此資訊與候選結果符合，並將對應之搜尋結果以及運算後之串流內識別值資訊交至搜尋結果收集處理模組32統整。

搜尋結果收集處理模組32，主要收集由搜尋比對模組31確認為候選搜尋結果的資訊，交由個人運算輔助子系統2處理。此模組主要具備的功能如下：

a.　由搜尋比對模組31收集確認為候選結果之資訊，以及；

b.　收集候選結果所對應之識別值。為快速過濾及節省傳輸頻寬，識別值集合可以布隆過濾器結構形式存放；

c.　在搜尋比對模組31完成搜尋以後，依是否需要個人運算輔助子系統2的協助選擇，將收集之搜尋結果傳送至搜尋結果過濾輔助模組22或行動平台特徵分析模組13。

搜尋比對值模組33，提供可用來搜尋的比對資訊以及對應之原始資料。在提供搜尋以前可將原始資料先進行資料索引作業，使得資料可與來自資料分析處理子系統1的內容正確地進行互斥運算與有效性確認。另外可配合搜尋比對模組31進行搜尋比對作業，在確定資料為候選結果後，將原始資料與串流內的識別值傳送至搜尋結果收集處理模組32彙整。

基於使用者隱私之分散式環境資料詢問系統的運作流程可參考圖二。當使用者裝置需要詢問某些資訊時，如：來電是否為詐騙電話、簡訊的可信度以及適地性資訊等等，避免詢問過程間接透露使用者關聯的隱私。除了系統溝通過程均使用加密通道(TLS,Transport Layer Security)傳遞訊息之外，資訊分析處理子系統1將詢問內容送至資料過濾分析子系統3以前，內容即使用加密技術將詢問明文轉換成可支援搜尋之密文形式。

在密文準備好後，將部分密文資訊，即其中的識別值給予快速過濾識別單元模組21協助後續的結果過濾，以減少資訊分析處理子系統1的資源使用，並且提升整體使用效能。當詢問密文傳送至資料過濾分析子系統3之後，搜尋比對機制會將密文與搜尋比對明文進行互斥運算，並且將互斥運算完的結果進行候選結果有效性的確認，確定目前的資料是否為使用者可能需要的結果。而有效性的確認方法可使用剛運算後的密文串流內表示亂數值與雜湊函數值(hash value)的相等性來確認。在資訊分析處理子系統1產生密文串流時，串流中一部分的資訊包含：產生的亂數值以及使用該亂數值算出之雜湊函數值(資料分析處理子系統1與資料過濾分析子系統3需選用相同的雜湊函數，作為相等性的確認；當資料過濾分析子系統3完成互斥運算產生密文串流後，將表示亂數的欄位區段帶進前述所一致採用的雜湊函數，並且比對運算後的值是否與密文串流內表示雜湊函數值的欄位相等。若二值相等則表示此資訊為候選結果，並在搜尋比對值模組33將此運算後的密文串流識別值以布隆過濾器加以存放；反之，則是無關聯的資訊。

在考慮整體系統效能上，對於候選結果的收集存放可分兩種類型。在搜尋比對值模組33，搜尋欲回傳的資料若為較固定格式的資料，如詐騙電話號碼、釣魚網站網址，可直接以索引值表示，在這種情況的候選結果收集時，亦可以使用布隆過濾器將資料以雜湊函數的應用加以壓縮，除了可以減少傳輸頻寬的使用，更可加速比對判斷的時間。而另一種的資料收集存放方式則是，，若欲回傳的資料本身具有較大的變異性，如病毒碼、入侵偵測系統規則等，無法單純利用資料結構壓縮的技巧處理時，則搜尋結果收集處理模組32會將所有欲回傳的資料收集一併傳送。例如，個人運算輔助子系統2可協助資訊分析處理子系統1進行搜尋結果的過濾，即會在搜尋結果過濾輔助模組22，以快速過濾識別單元模組21取得之密文串流識別值與來自搜尋結果收集處理模組32的密文串流識別值布隆過濾器進行比對，若計算後在此布隆過濾器表示匹對，則初步過濾表示符合搜尋結果，並將搜尋結果集合轉送至資訊分析處理子系統1進行最後處理；反之，則表示沒有搜尋到相關資訊。

當搜尋結果回傳到行動平台特徵分析模組13，則進行最後的搜尋結果判斷，若搜尋結果以布隆過濾器表現，則行動平台特徵分析模組13以搜尋明文直接帶入存在性驗證使用之雜湊函數來確認搜尋結果是否存在。另外若搜尋結果為一般收集明文結果，則以原本應用方式進行，例如，回傳結果是一般病毒碼特徵值，或入侵偵測系統規則，則帶入原分析系統作為特徵值檢測之用；若為單純資料搜尋，則以搜尋演算法進行回傳結果的明文搜尋。

本發明所提供之一種基於使用者隱私之分散式環境資料詢問系統，與其他習用之系統相互比較時，更具有下列之優點：

1.　本發明所提供之詢問系統主要特點在於使用者可不需改變使用方式，並可在不提供資訊供應者明確內容的情況下完成最新資訊搜尋之任務，確保使用者端詢問資訊不透露至外界。

2.　本發明在詢問機制上，可使資料分析過濾子系統透過平行運算的方式擴展橫向資源的運用，加速搜尋結果的提供，以利需要快速回應結果的應用。

3.　本發明可依照信賴程度使用個人運算輔助子系統，透過部分已知資訊協助資料運算過濾作業，對於運算資源與續航力優先考量的行動平台來說，具有正向效能與的幫助。

4.　本發明對於具單純格式的回傳資料或者作為資料存在判斷的記錄，使用布隆過濾器資料結構的應用可做到快速確認結果存在性之判斷以及壓縮回傳資料量以提高傳輸率之優點。

上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

綜上所述，本案不但在技術思想上確屬創新，並能較習用物品增進上述多項功效，應已充分符合新穎性及進步性之法定發明專利要件，爰依法提出申請，懇請　貴局核准本件發明專利申請案，以勵發明，至感德便。

1．．．資料分析處理子系統

11．．．詢問內容擷取模組

12．．．詢問內容加密模組

13．．．行動平台特徵分析模組

2．．．個人運算輔助子系統

21．．．快速過濾識別單元模組

22．．．搜尋結果過濾輔助模組

3．．．資料過濾分析子系統

31．．．搜尋比對模組

32．．．搜尋結果收集處理模組

33．．．搜尋比對值模組

請參閱有關本發明之詳細說明及其附圖，將可進一步瞭解本發明之技術內容及其目的功效；有關附圖為：

請參閱本發明相關之詳細說明與附圖，將可進一步瞭解本發明之技術內容及目的功效；有關附圖為：

圖一為本發明之系統架構圖；

圖二為本發明應用服務之流程圖；

圖三為本發明密文串流與詢問內容互斥運算示意圖。

1．．．資料分析處理子系統

11．．．詢問內容擷取模組

12．．．詢問內容加密模組

13．．．行動平台特徵分析模組

2．．．個人運算輔助子系統

21．．．快速過濾識別單元模組

22．．．搜尋結果過濾輔助模組

3．．．資料過濾分析子系統

31．．．搜尋比對模組

32．．．搜尋結果收集處理模組

33．．．搜尋比對值模組

Claims (12)

1. 一種基於使用者隱私之分散式環境資料詢問系統，採用加密通道傳輸協定(TLS,Transport Layer Security)互通訊息，其中包括：一資料分析處理子系統，主要係將欲詢問的資訊擷取出來，並透過加密方法將相關內容隱藏起來，以密文方式提供給資料過濾分析子系統；一資料過濾分析子系統，主要為資料的前置索引處理，供後續比對分析之用；並且對來自前端詢問密文與資料進行比對運算，並將前者運算完的結果進行候選結果有效性的確認，確定並收集為使用者所需之結果；一個人運算輔助子系統，接收資料分析處理子系統提供的部分訊問資訊，並對於資料過濾分析子系統提供的搜尋結果可先做初步過濾，待進一步確定搜尋結果為使用者裝置所需要的，再給予資料分析處理子系統作最終確認。
2. 如申請專利範圍第1項所述基於使用者隱私之分散式環境資料詢問系統，其中資料分析處理子系統包含有：一詢問內容擷取模組，由裝置取得要詢問之內容，詢問內容的擷取方式可為自行輸入、使用特定資訊型 態或字典檔等方式進行詢問內容的擷取；一詢問內容加密模組，將詢問內容處理成為資料過濾分析子系統可確認有效性的密文形式，包含產生具識別性之密文串流並與詢問內容進行互斥運算產生密文，並交由後續分析系統解析；一行動平台特徵分析模組，接收詢問內容擷取模組所發出之詢問結果。
3. 如申請專利範圍第1項所述基於使用者隱私之分散式環境資料詢問系統，其中個人運算輔助子系統包含有：一快速過濾識別單元模組，接收資料分析處理子系統提供可支援搜尋結果過濾之密文串流內的識別值；一搜尋結果過濾輔助模組，協助過濾由資料過濾分析子系統取得之搜尋結果，以減少資料分析處理子系統的運算需要。
4. 如申請專利範圍第1項所述基於使用者隱私之分散式環境資料詢問系統，其中資料過濾分析子系統包含有：一搜尋比對模組，將取得的詢問密文與搜尋比對值模組提供的所有資料索引明文進行互斥運算，所得密文串流做進一步有效性確認，確定是否為候選結果；一搜尋結果收集處理模組，收集搜尋比對模組確認為候選搜尋結果的資訊，候選結果所對應之識別值；一搜尋比對值模組，進行前置資料索引處理作業，使得表示資料的索引可與詢問密文正確地進行互斥運算與有效性確認。
5. 如申請範圍第2項所述基於使用者隱私之分散式環境資料詢問系統，其中當行動平台特徵分析模組所接收的詢問結果為無資料，表示詢問無符合內容；若有回傳資料，則此模組會進一步以詢問內容明文做最終確認。
6. 如申請範圍第5項所述基於使用者隱私之分散式環境資料詢問系統，若因考量傳輸以及判斷效率，且回傳結果以布隆過濾器結構型態表現，可使用存在性驗證使用之雜湊函數完成確認。
7. 如申請專利範圍第3項所述基於使用者隱私之分散式環境資料詢問系統，其中搜尋結果過濾輔助模組可協助過濾由資料過濾分析子系統取得之搜尋結果，以減少資料分析處理子系統的運算需要。
8. 如申請範圍第7項所述基於使用者隱私之分散式環境資料詢問系統，其中搜尋結果過濾輔助模組利用快速過濾識別單元模組之密文串流識別值與搜尋結果識別值之布隆過濾器進行運算，初步確認搜尋結果的存在性，隨後再將運算結果傳送至資料分析處理子系統。
9. 如申請範圍第4項所述基於使用者隱私之分散式環境資料詢問系統，其中搜尋比對模組在有效性確認中，需將密文串流表示亂數的資訊帶進採用的雜湊函數，並且比對運算後的值是否與密文串流內表示雜湊函數值的欄位相等，若相等則表示此內容為候選結果，並進行後續收集處理。
10. 如申請範圍第4項所述基於使用者隱私之分散式環境資料詢問系統，其中搜尋結果收集處理模組所收集到的識別值集合使用布隆過濾器資料結構加以存放。
11. 如申請範圍第4項所述基於使用者隱私之分散式環境資料詢問系統，其中當搜尋結果收集處理模組確認搜尋比對模組完成搜尋比對後，將收集之搜尋結果傳送至個人運算輔助子系統。
12. 如申請範圍第4項所述基於使用者隱私之分散式環境資料詢問系統，其中搜尋比對值模組若比對確定資料為候選結果後，提供原始資料與密文串流內的識別值於以彙整。