一种同态加密在学生心理健康调查中的系统设计与实现方法

本发明涉及对称密钥密码、公钥密码学领域，具体地，涉及全同态密码在学生心理健康调查中的隐私保护应用。

背景技术：

随着云计算的出现，虽然加速了互联网时代的发展，但同时也给用户隐私保护带来了全新的挑战，这些隐私泄露问题包括在客户端的隐私泄露，也包括在云端的中心的隐私泄露问题。并且今年来云服务中心信息泄露的问题时有发生，这也就导致越来越多的用户对于云服务中心的不信任，尤其是不愿意将自己的隐私信息存储在云平台。

常规的将明文存储在云端的方式虽然可以达到存储和计算资源的最大化利用，但是隐私保护问题面临各种各样的挑战。云平台也越来越多的考虑将用户的数据进行加密后再存储在云端，但是常规的加密方式例如des、aes，不支持在加密的情况下对密文进行运算，这样云服务器就只剩下自己的存储能力了，大大浪费了云服务器的计算能力。

同态加密技术是rivest在1978年最早提出的概念，同态加密时一种加密形式，允许用户直接对密文进行特定的代数运算，得到的数据仍是加密的结果，且与对明文进行同样的操作再将结果加密一样。虽然理论上的全同态加密可以进行任意计算，但现在提出的实际方案仍然有许多的约束，例如只支持整数类型的数据、需要固定的乘法深度，不能无限进行加法和乘法运算等。

近来高校学生心理健康问题近年来饱受社会各界的关注。虽然社会各界在心理健康调查甚至学生成绩的隐私问题等问题上投入了很多，但是学生可能由于担心个人隐私被泄露，所以在做选择的时候可能并不能真实反映学生的心理状况。这也就使得很多心理学上研究增加了很大的难度。归根揭底，高校学生心理健康问题的主体还是学生，只有激发学生自身的关注，消除学生等于个人隐私方面的疑虑，这样才能达到真实的测试效果。

针对上述问题，本发明从学生的角度出发，充分保护学生的隐私权，让隐私信息的控制权完全属于学生自己，切除提供服务的第三方隐私泄露问题。提高社会心理健康调查的真实性，保护学生的心理健康。

技术实现要素：

针对学生心理健康调查个人隐私信息的泄露信息问题，本发明提出了一种同态加密在学生心理健康调查中的系统设计与实现方法。

为了实现上述目的，本发明所提供的技术方案如下：

一种同态加密在学生心理健康调查中的系统设计与实现方法，包括一下几个步骤：

s1:用户通过购买服务商的密钥生成器，假设其是一个类似u盘的外部设备，只有持有该设备的用户才可以生成密钥，密钥生成器有自己的序列号，初次使用先激活密钥生成器，然后生成身份鉴别码、并且设置登录口令，生成的密钥包括全同态加密算法的公私钥对，以及aes的密钥。

s2：存储在云平台的信息可能来自不同的用户，因此必须对不同用户的数据进行隔离管理，在云平台为每一个购买了密钥生成器的用户分配云端空间，用户只有身份鉴别码和口令同时正确的时候才能登入云平台.

s3:认证成功后，用户在云端界面选择自己要进行的调查测试，可以选择心理健康测试、职业素质测试等测试试题。在填写完测试试题后将结果提交，系统自动对提交答案进行aes加密，并且对于需要计算的选项进行全同态加密。云端系统根据自己的规则自动对提交的密文数据进行计算评估。

s4：用户在自己的云端空间可以直接下载加密的评测结果并解密，得到评测结果。我们提供了一个离线的报表生成系统，用户只需要提供自己解密后的数据，就可以直接进行数据可视化，看到系统为自己生成的各种报表以及自己的心理健康评测结果和推荐意见

s5：用户有自主选择上传评测结果至云平台的权利，云平台获取评测结果后可以对云端调查报告实现统计分析，得到整体的学生心理健康调查报表。

进一步，所述用户在购买的服务提供商的密钥生成器之后才能生成自己的身份鉴别码。其步骤在于：

步骤1.1：系统通过服务提供商提供的生产序列号判断是否首次激活。

步骤1.2：初次激活时用户设置登录口令，生成somewhat密码的公私钥对以及aes算法的密钥，利用随机数生成身份鉴别码。

步骤1.3：初次激活后密钥生成器之后，密钥生成器将删除厂商序列号，仅保留密钥和身份鉴别码，并且被设置为仅可调用模式，不可读也不可写，只能完成指定的功能。

进一步，选择的全同态算法是基于rsa的乘法同态性和paillier的加法同态性构造的全同态算法somewhat,其加解密步骤在于：

步骤2.1：首先系统进行初始化产生paillier和rsa的公私钥p-pk(n,g)、p-sk(λ,n)、r-pk(n,e)、r-sk(n,d),明文信息用m表示，密文信息用c表示。

步骤2.2：在心理健康评测场景下，评测结果是根据一个个多项式计算请求来的，例如用户在评测界面选择的选项代表一个算术多项式把计算交给云端的私有云服务器上的加解密机edm，edm通过特定的“语法和词法分析器”将计算请求拆分成一个个计算向量α，β，z。

步骤2.3：用户使用p-pk(n,g)对向量α(a1,a2,...,an)进行paillier加密，发送密文数据ep-pk(a1),ep-pk(a2),....,ep-pk(an)到云端，云端对其进行同态加法运算。

步骤2.4：客户端对上述结果使用p-sk(λ,n)解密并且添加到计算向量β(b1,b2,...,bn)中，使用r-pk(n,e)进行rsa加密，发送密文数据er-pk(b1),er-pk(b2),...,er-pk(bn)到云端，云端对其进行同态乘法运算。

步骤2.5:客户端对上述结果使用r-sk(n,d)解密并且添加到计算向量中,使用p-pk(n,g)进行paillier加密，发送密文数据

到云端，云端对其进行同态加法运算，得到密文下的评测结果。

步骤2.6:客户端对上述结果使用p-sk(λ,n)解密,得到评测明文评测结果。

进一步，云端存储的数据分为两部分一部分是我们使用aes密码加密的整体的数据，另一部分是使用somewhat全同态算法加密的加密数据，并且包含云端对加密数据的运算结果。采取这种方式aes和somewhat全同态算法结合的方式能够在不降低安全性的情况下减少我们的时间开销，减轻全同态算法的于计算资源的消耗。

进一步，系统对加密数据添加了进行了密文索引，对于学生的姓名、年龄、选择的表类型使用md5进行加密作为密文摘要索引，在三次客户端和云端的密文交互过程中都是使用md5生成的密文摘要索引进行查询的。

最后，用户有自主选择在客户端导入评估数据生成心理健康评测报表的权利，其步骤在于：

步骤5.1：用户解密评测结果，在客户端导入评估数据生成各种评估报表以及推荐意见。

步骤5.2：用户可以选择将评估信息作为公开信息捐赠给云端服务提供商，云端服务提供商可以对各种用户公开的信息进行统计学习，通过数据分析进而得到当前学生群体的心理健康评测结果。呼吁家长和学校关注学生心理健康问题，做出一份贡献。

本发明具有以下技术效果：本发明可以引导学生信任心理健康评测系统，获取真实的测试效果。因此本系统能够满足在线环境下的心理健康评测的隐私保护需求，更好地保护用户的隐私权。本发明不仅可以应用在心理健康评测层面，而且在如职业素养评价等各种在线调查中都有很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的总体系统功能图；

图2为本发明的密钥生成器的功能图；

图3为本发明的全同态加密算法流程图；

图4为本发明的生成学生心理健康报表的流程图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

本发明的方法包括以下步骤：

一种同态加密在学生心理健康调查中的系统设计与实现方法，包括以下步骤：

步骤1:用户购买服务商的密钥生成器，假设密钥生成器是一个类似u盘的外部设备，只有持有该设备的用户才可以生成密钥，密钥生成器有自己的序列号，用户初次使用先激活密钥生成器，然后生成身份鉴别码、并且设置登录口令，生成的密钥包括全同态加密算法的公私钥对，以及aes的密钥。

步骤1中，用户初次使用先激活密钥生成器，然后生成身份鉴别码、并且设置登录口令的具体过程为：

步骤1.1：系统通过服务提供商提供的生产序列号判断是否首次激活；

步骤1.2：初次激活时用户设置登录口令，生成somewhat密码的公私钥对以及aes算法的密钥，利用随机数生成身份鉴别码；

步骤1.3：初次激活后密钥生成器之后，密钥生成器将删除厂商序列号，仅保留密钥和身份鉴别码，并且被设置为仅可调用模式，不可读也不可写，只能完成指定的功能。

步骤2：存储在云平台的信息来自不同的用户，因此必须对不同用户的数据进行隔离管理，在云平台为每一个购买了密钥生成器的用户分配云端空间，用户只有身份鉴别码和口令同时正确的时候才能登入云平台；

步骤3:认证成功后，用户在云端界面选择自己要进行的调查测试试题，可以选择心理健康测试、职业素质测试试题；在填写完测试试题后通过系统的客户端将结果提交，系统自动对提交答案进行aes加密，并且对于需要计算的选项进行全同态加密；云端系统根据自己的规则自动对提交的密文数据进行计算评估从而得到相应的评测结果。

该步骤中，系统自动对提交答案进行aes加密，并且对于需要计算的选项进行全同态加密，选择的全同态算法是基于rsa的乘法同态性和paillier的加法同态性构造的全同态算法somewhat；具体过程为：

步骤3.1：首先系统进行初始化产生paillier的公私钥p-pk(n,g)、p-sk(λ,n)假设有两个大素数p、q，n＝pq，再记公钥则是(n,g)私钥则是λ(n)＝lcm(p-1,q-1)。

以及rsa的公私钥r-pk(n,e)、r-sk(n,d)假设有两个大素数根据欧拉定理然后随机选择整数d、e，使得可得公钥(n,e)私钥(n,d)。

步骤3.2：在心理健康评测场景下，评测结果是根据一个个多项式计算请求来的，若用户在评测界面选择的选项代表一个算术多项式其中b1,b2....bn表示需要进行乘除运算的数，a1,a2...an表示需要进行加减运算的数，为一个常数，此式具有很强的代表性，含有加减乘除混合运算，且有常数。把计算交给云端的私有云服务器上的加解密机edm，edm通过特定的“语法和词法分析器”将计算请求拆分成一个个计算向量α，β，z；

步骤3.3：客户端使用p-pk(n,g)对向量α(a1,a2,...,an)进行paillier加密，发送密文数据ep-pk(a1),ep-pk(a2),....,ep-pk(an)到云端，云端对其进行同态加法运算；

步骤3.4：客户端对步骤3.3的运算结果使用p-sk(λ,n)解密并且添加到计算向量β(b1,b2,...,bn)中，使用r-pk(n,e)进行rsa加密，发送密文数据er-pk(b1),er-pk(b2),...,er-pk(bn)到云端，云端对其进行同态乘法运算；

步骤3.5:客户端对步骤3.4的运算结果使用r-sk(n,d)解密并且添加到计算向量z中,其中为一个常数,使用p-pk(n,g)进行paillier加密，发送密文数据到云端，云端对其进行同态加法运算，得到密文下的评测结果；

步骤3.6:客户端对上述结果使用p-sk(λ,n)解密,得到评测明文评测结果。

云端空间存储的数据分为两部分，一部分是使用aes密码加密的整体的数据，另一部分是使用somewhat全同态算法加密的加密数据，并且包含云端对加密数据的运算结果；采取aes加密和somewhat全同态算法加密结合的方式能够在不降低安全性的情况下减少时间开销，减轻全同态算法对于计算资源的消耗。

本步骤还包括，对加密数据添加了进行了密文索引，对于学生的姓名、年龄、选择的表类型使用md5进行加密作为密文摘要索引，步骤3中的三次客户端和云端的密文交互过程中都是使用md5生成的密文摘要索引进行查询的。

步骤4：用户在自己的云端空间可以直接下载加密的评测结果并解密，得到评测结果；提供了一个离线的报表生成系统，用户只需要提供自己解密后的数据，就可以直接进行数据可视化，看到系统为自己生成的各种报表以及自己的心理健康评测结果和推荐意见；

步骤5：用户有自主选择上传评测结果至云平台的权利，云平台获取评测结果后能够对云端调查报告进行统计分析，从而得到整体的学生心理健康调查报表。

用户有自主选择在客户端导入评估数据生成心理健康评测报表的权利，其步骤包括：

步骤5.1：用户解密评测结果，在客户端导入评估数据生成各种评估报表以及推荐意见；

步骤5.2：用户可以选择将评估信息作为公开信息捐赠给云端服务提供商，云端服务提供商可以对各种用户公开的信息进行统计学习，通过数据分析进而得到当前学生群体的心理健康评测结果。

参图1所示，一种同态加密在学生心理健康调查中的系统设计与实现方法，包含了密钥生成器的初始化，严格的身份鉴别流程，在系统中有选择调查问卷、填写调查问卷、系统评测、下载评测结果四个关键功能。

参图2所示，密钥生成器是一个类似于u盘的外设，只有持有该设备的用户才可以生成密钥，密钥生成器有自己的序列号，初次使用先激活密钥生成器，然后生成身份鉴别码、并且设置登录口令，生成的密钥包括全同态加密算法的公私钥对，以及aes的密钥。

参图3所示，全同态算法流程是一个自动化的流程,系统和客户端交互三次，每次交互都是通过md5生成的密文摘要索引来查询的。第一次是加法同态的加解密，第二次是乘法同态的加解密，第三次是加法同态的加解密。

参图4所示，健康评估信息反馈流程，用户可以选择将健康评估信息作为公开信息捐赠给云端服务提供商，云端服务提供商可以对各种用户公开的信息进行统计学习，通过数据分析进而得到当前学生群体的心理健康评测结果。呼吁家长和学校关注学生心理健康问题，做出一份贡献。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。