25、网格资源拍卖中的信任与隐私保护

网格资源拍卖中的信任与隐私保护

1. 引言

信任是人类能够直观理解的概念，但在数字化应用中却存在困难。信任需要考虑实体的角色、潜在损失程度，有时还涉及过往经验或对被信任者的推荐。然而，信任可能会被错置，风险程度也可能被低估。例如1995年巴林银行的倒闭，交易员尼克·李森滥用职权，隐瞒期货和期权市场的损失，导致银行最终崩溃。这表明，即使员工过去表现良好，也不能完全保证其在信任岗位上的可靠性。

在资源分配机制中，同样存在信任问题。即使社区经纪人或拍卖师被信任，若没有额外的审计和约束机制，我们也无法确保其值得信赖。特别是在跨组织的网格资源分配中，涉及潜在的盈亏，传统的盲目信任已无法满足需求。

1.1 可信资源拍卖的需求

假设有两个资源提供者Bob和Jane，他们通过拍卖师Alice出售剩余资源。这是一个密封投标的反向拍卖，客户发出资源请求，资源提供者投标竞争。但该拍卖存在诸多问题：
- 信息滥用 ：拍卖师Alice可以随意查看投标信息，并可能将其透露给他人，以获取竞争优势或操纵市场。
- 隐私泄露 ：即使Alice愿意保护投标信息，托管拍卖房屋的Sam也可能从内存中提取信息。
- 偏袒行为 ：Alice可能偏袒某一方，丢弃部分或全部另一方的投标。

为解决这些问题，我们需要采取以下措施：
- 保护投标隐私 ：利用密码学技术，让Alice在不透露投标信息的情况下计算拍卖结果。
- 确保协议执行正确 ：使用验证方案，确保所有投标都被考虑，避免过滤或偏袒行为。

具体而言，在多组织或开放网格中进行可信资源拍卖，有三个主要要求：
1. 避免依赖单一拍卖师。
2. 提供强大的投标隐私保护。
3. 能够验证拍卖是否正确进行。

2. 网格安全拍卖协议

去除建立信任的需求，能够实现以用户为中心、面向对等、开放和动态的网格分配架构，提高可靠性、可用性和可访问性。资源拍卖可以使用任何提供者贡献的计算资源安全执行。随着网格规模的增加，不可信的计算资源可以动态部署或重新部署，以满足资源拍卖数量的增长。

2.1 拍卖协议分类

以下是具有某种形式密码安全的拍卖协议分类：
| 可验证性 | | 组合拍卖支持 | 投标隐私信任模型 | | | 投标隐私级别 | | | | 拍卖方案 |
| — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — |
| 组 | 公共 | | 单一可信拍卖师 | 两方信任 | 多方信任 | 0 | 1 | s | * | |
|. |. |. | | | | | | | | Franklin and Reiter |
|. |. | | | | | | | | | HKTa |
|. |. |. | | | | | | | | Two - server |
|. |. |. | | | | | | | | Garbled circuits |
|. |. | | | | | | | | | Noninteractive |
|. |. |. | | | | | | | | Polynomial |
|. |. |. | | | | | | | | No threshold trust |
|. |. |. | | | | | | | | Polynomial GVA |
|. |. |. | | | | | | | | Homomorphic |
|. |. |. | | | | | | | | Extended HKT |
|. |. |. | | | | | | | | Five models |
|. |. |. | | | | | | | | SGVAc |
|. |. |. | | | | | | | | Yet another |
|. |. |. | | | | | | | | Receipt - free |
|. |. |. | | | | | | | | Combinatorial bidder resolved |
|. |. |. | | | | | | | | GW Micali |
|. |. |. | | | | | | | | Verifiable scheme |
|. |. |. | | | | | | | | Bidder resolved |
|. |. |. | | | | | | | | Extended verifiable homomorphic |

投标隐私级别分为以下几种：
- 级别0 ：仅揭示中标者和他们支付的价格。
- 级别1 ：除级别0揭示的信息外，再揭示一条其他信息。
- 级别s ：除级别0揭示的信息外，还可以恢复投标统计信息，如平均投标和投标的标准差。
- 级别 *：拍卖结束后，所有投标都向拍卖师揭示。

2.2 满足主要要求的分析

2.2.1 避免依赖单一拍卖师

使用单一可信拍卖师的方案本身并非值得信赖的协议。一些方案采用两方信任，只要两方不勾结，投标信息就能得到保护。其余方案采用多方信任，操作分散在多个独立方，破坏这种拍卖需要大量腐败方勾结。两方信任方案的优点是更容易找到来自不同组织的两个服务器，而多方信任则能提供更高的可靠性、可用性和可访问性。

2.2.2 提供强大的投标隐私

部分方案在投标开启阶段后，可信拍卖师会了解投标信息，这需要对拍卖师给予高度信任。为提供强大的投标隐私，应选择投标隐私级别最高（级别0）的方案。

2.2.3 验证拍卖是否正确进行

可验证性不仅能增强对拍卖结果的信心，还能通过让参与者检查中间结果来提高解决方案的鲁棒性。大多数可验证拍卖最初是组验证，现在出现了公共可验证性，即任何实体都可以验证拍卖结果。公共验证可以通过零知识证明等技术添加到现有方案中。

3. 拍卖协议案例研究

有许多安全拍卖协议可用于构建可信的网格拍卖，这里介绍三种最适合网格的协议。

3.1 组合拍卖的表示方法

组合拍卖可以用多种方式表示，如图形、矩阵和电路。本部分介绍了图形和电路两种表示方法。

3.1.1 图形表示

图形可以用于解决组合拍卖问题，其中节点表示未分配的商品，节点之间的边表示商品子集的分配，每个完整路径表示商品的一种分配方式。例如，对于三个商品{G1, G2, G3}和两个投标者B1和B2的拍卖，通过计算每个节点的最高路径成本，可以确定中标分配。

3.1.2 电路表示

拍卖电路由一系列布尔门组成，有一组输入、门和一组输出。例如，对于一个简单的拍卖，有一个商品、两个投标者和两位表示价格的电路，通过输入投标者的投标，电路可以输出中标者和最高价格。

3.2 混淆电路方案

混淆电路的主要思想是在互不信任的各方之间的交易中替代“可信方”。它最初是为解决“百万富翁问题”而提出的，本质上是一个黑盒，在不透露输入和中间值的情况下计算输出。

3.2.1 工作示例

假设有一个包含AND门和OR门的小混淆电路，输入值为V = 1，W = 1，Y = 0。执行该电路的步骤如下：
1. 确定混淆输入值：V的混淆输入值为001，W为010，Y为010。
2. 执行AND门：根据公式GarbledOutput = F(Wb,cj) ⊕ F(Wb,ci) ⊕ GateTable(ci,cj)，计算得到输出为010。
3. 执行OR门：计算得到输出为101。
4. 通过混淆输出到输出的映射，得到电路的实际输出为1。

3.2.2 拍卖中的混淆电路

Naor等人引入了基于两方混淆电路的密封投标、两服务器拍卖协议。该协议包括拍卖师和拍卖发行者两方，是一个高效的单通协议，保留了传统拍卖的通信模式。

3.2.3 混淆电路拍卖协议步骤

1. 客户联系拍卖师，告知其希望进行的拍卖细节。
2. 拍卖师宣传拍卖细节，包括商品数量、价格位数和使用的拍卖发行者。
3. 投标者注册参加拍卖。
4. 拍卖师向拍卖发行者请求混淆电路，提供投标者数量、商品数量和价格位数。
5. 拍卖发行者根据信息构建混淆电路和混淆输出到输出的映射。
6. 拍卖师接收混淆电路和输出映射。
7. 拍卖发行者、拍卖师和投标者使用可验证代理遗忘传输（VPOT）协议，使拍卖师了解输入的混淆值，而拍卖发行者和投标者不获取新信息。
8. 拍卖师使用混淆输入执行混淆电路，并使用拍卖发行者发送的输出映射解码输出。

3.3 多项式方案

使用多项式在一组人之间高效共享秘密的思想源于Shamir。例如，十一位科学家希望在至少六位科学家在场时才能打开柜子，使用传统方法需要大量的锁和钥匙，而Shamir的多项式算法可以高效解决这个问题。

3.3.1 多项式拍卖协议步骤

1. 客户发布拍卖商品的信息和拍卖图，同时发布一组评估者解析值、一个常量值c和一个阈值t，用于防止少于t个腐败拍卖师的干扰。
2. 投标者计算每个感兴趣边的估值和权重，添加阈值修正器，生成随机多项式并发送给评估者。
3. 评估者使用动态规划计算每个节点的f值，并发布f(0)。
4. 评估者使用二分搜索协作发现最优值o。
5. 从n0到nN - 1追溯最优路径，确定中标者。

3.3.2 工作示例

假设有10个评估者发布解析值，客户发布两个商品G1和G2的信息。投标者B1和B2生成投标多项式，评估者计算f值。通过二分搜索，确定最优值为6，最终B1以4美元赢得两个商品{G1, G2}。

3.4 同态方案

同态方案与多项式方案类似，都是阈值信任方案，将拍卖编码在图中，但使用不同的密码学技术：多项式加密和同态加密。同态加密系统维护密文和明文之间的代数运算，本章使用具有乘法运算的系统，如El - Gamal。

3.4.1 电子选举中的应用

以黑手党派对游戏为例，说明了在计算选举结果的同时保持选民匿名性的问题。我们可以使用同态加密构建一个简单的投票协议，通过向量操作和随机化，在不透露个人投票的情况下计算选举结果。

3.4.2 组合拍卖中的应用

同态向量方法可以应用于组合拍卖，投标由阈值同态向量表示，评估者分组评估拍卖图中的节点。通过递归评估节点，执行安全动态规划。

3.4.3 投标向量操作

• 表示 ：同态投标向量由一系列加密常量和一系列加密1组成，向量的值等于不等于1的元素数量。
• 比较 ：如果两个向量使用相同的密钥加密，可以通过乘法找到其中的最大值。
• 加法 ：通过左移向量并随机化，将常量值添加到加密向量中。

3.4.4 同态拍卖协议步骤

1. 生成并发布拍卖图，将评估者分组，为每个节点生成共享公钥和私钥，发布给投标者的信息包括图、最大投标向量长度和公共值Z。
2. 投标者对每个商品组合进行估值，生成投标并提交到公共公告板。投标结束后，使用动态规划递归发现每个节点的最优值。
3. 使用总最优值追溯最优路径，通过检查特定位置的值，确定最优边和中标者。
4. 找到每个最优边的投标者。

3.4.5 工作示例

假设有两个商品{G1, G2}的拍卖，投标者B1和B2生成投标向量。评估者计算节点的最优值，最终B1以4美元赢得两个商品{G1, G2}。

4. 隐私保护属性比较

三种协议在隐私保护属性上有所不同，下面将它们与Bob和Jane拍卖中存在的问题进行比较：
| 问题类型 | 描述 | 混淆电路方案 | 多项式方案 | 同态方案 |
| — | — | — | — | — |
| 内幕交易 | 拍卖师滥用当前拍卖状态信息获取竞争优势 | 若拍卖师和发行者不勾结，可防止信息泄露 | 评估者可在不泄露边信息的情况下确定节点成本 | 评估者组需解密边的乘法和，可能泄露非最优边的信息 |
| 私人信息泄露 | 拍卖师收集历史信息用于未来拍卖 | 同“内幕交易”情况 | 同“内幕交易”情况 | 同“内幕交易”情况 |
| 投标过滤 | 拍卖师根据个人利益丢弃投标 | 拍卖发行者可发布哈希值，确保投标被包含 | 对按投标者身份过滤投标无防范措施，但可结合匿名服务 | 同多项式方案 |
| 说谎拍卖师 | 拍卖师谎报拍卖结果 | 有建议方法验证混淆电路拍卖协议的步骤 | 评估者可重新运行最终解密步骤，但可能发布虚假份额 | 同多项式方案 |

4.1 内幕交易和私人信息泄露

三种协议都能解决内幕交易问题，因为在拍卖结束前投标信息不会被解密。混淆电路方案依赖于拍卖师和发行者不勾结，而多项式和同态方案需要多个参与方不勾结。

4.2 投标过滤

在投标过滤方面，三种协议的拍卖师在评估前无法根据投标值丢弃投标，评估开始后，评估者丢弃投标会被其他评估者察觉。混淆电路协议中，拍卖发行者可以发布投标数据的哈希值，让投标者确认投标是否被包含。多项式和同态协议对按投标者身份过滤投标没有直接防范措施，但可以与匿名服务结合使用。

4.3 说谎拍卖师

在混淆电路拍卖协议中，腐败的拍卖发行者可能创建无效电路，腐败的拍卖师可能不执行电路。已经有一些方法被提出用于验证这些步骤。在多项式和同态协议中，评估者可以重新运行最终解密步骤，防止拍卖师在解密步骤说谎，但评估者可能发布虚假份额，影响拍卖结果。可以通过使用不同份额的组合来检查结果，检测这种情况，但更好的协议应该提供验证机制，以阻止和检测主动干扰。

5. 性能比较

5.1 拍卖流程

拍卖流程包括四个阶段：拍卖创建、投标者注册、投标提交和中标者确定。每个拍卖协议使用不同的密码学技术，具有不同的性能特征。

5.2 各协议性能特点

• 混淆电路协议 ：传输混淆电路可能会产生大量的通信开销，并且随着拍卖中商品数量的增加，电路复杂度呈指数级增长。例如，对于一个包含三个商品、最大投标为16和10个投标者的拍卖，电路大小约为600 kB。
• 多项式协议 ：为了容忍更多腐败的拍卖师，需要增加阈值，这会导致拉格朗日插值的时间增加，开销呈指数级增长。
• 同态协议 ：为了提高安全性，需要增加加密密钥的大小，这会增加获胜者确定时间，开销也呈指数级增长。

5.3 性能比较图

以下是各协议性能与商品数量关系的示意图：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(商品数量):::process --> B(混淆电路协议):::process
    A --> C(多项式协议):::process
    A --> D(同态协议):::process
    B --> E(通信开销大):::process
    C --> F(阈值增加开销大):::process
    D --> G(密钥大小增加开销大):::process

总体而言，同态拍卖在商品数量增加时的扩展性最好。目前，涉及五到六个商品的拍卖在典型的网格资源分配时间范围内是可行的。通过引入对组合分配问题的近似方法，如限制可能的组合数量或捆绑商品，可以进一步提高协议的性能，但不会改变协议的整体排名。

6. 可验证拍卖协议

6.1 验证的重要性

在确保拍卖协议安全的第二步中，需要在保持隐私的同时验证拍卖结果。验证的目的是检测作弊行为，确保所有投标都被考虑，并且结果正确。

6.2 验证技术

可用于隐私保护拍卖协议的验证技术包括：
- 零知识证明 ：用于证明某个陈述，而不透露除证明前已知信息之外的任何其他信息。
- 范围证明 ：用于证明加密值是一组加密值中的最大值，并且加密值在某个范围内。
- 切割选择 ：在混淆电路协议中使用，构建多个混淆电路副本，随机选择部分副本在拍卖前打开检查。
- 可验证秘密共享 ：用于验证秘密份额是否正确计算。

6.3 零知识证明示例

以阿里巴巴的洞穴为例，说明零知识证明的过程。验证者Bob可以通过多次挑战，确信证明者Alice知道打开门的秘密密码，而自己不会得知密码。

6.4 同态协议中的验证

6.4.1 证明投标向量有效

当投标者提交投标向量时，拍卖师和投标者需要证明该向量是有效的。通过构建“集成”投标向量，并使用零知识证明每个元素是加密的1或Z，以及所有元素的乘积解密为Z，可以验证投标向量的有效性。

6.4.2 证明一组投标中的最大投标

拍卖师可以通过发布可验证的投标向量洗牌，证明某个投标是一组投标中的最大值，而不透露最大值的具体值。

6.4.3 证明移位和随机化正确执行

同态协议使用移位和随机化技术添加常量到投标向量，拍卖师可以发布证明，表明该操作已正确执行。

6.5 可验证同态组合拍卖流程

1. 投标者发布投标和证明，表明投标向量中的每个元素解密为1或Z。
2. 拍卖师发布证明，表明“集成”投标向量中所有元素的乘积解密为Z。
3. 拍卖师进行拍卖，如果需要添加常量到投标向量，发布证明表明操作正确。
4. 拍卖师找到并发布最优路径和中标投标，证明最优路径是最优的，中标投标是最大值。

7. 总结

当网格跨越组织边界，成为多个所有者的临时资源集合时，在资源分配过程中建立对其他组织及其软件的信任变得至关重要。特别是在按需网格、面向市场的网格或效用计算中，资源分配决策具有实际的财务影响。

隐私保护拍卖协议可以防止拍卖师识别投标者并偏袒某些人，同时避免拍卖师窃取和分发商业敏感的投标信息。可验证拍卖协议允许独立验证拍卖师的行为，提供加密保证，确保拍卖结果包含所有投标且计算正确。将隐私保护和可验证拍卖协议结合起来，可以消除对任何拍卖师的信任需求，无论其是否真正值得信赖。

7.1 信任问题的核心挑战

在跨组织的网格资源分配场景中，信任问题的根源在于不同组织之间的利益差异和信息不对称。每个组织都有自己的目标和利益考量，在资源分配过程中，可能会出现为了自身利益而损害其他组织利益的情况。例如，拍卖师可能会为了获取更多的佣金，故意抬高价格或者偏袒某些投标者；资源提供者可能会隐瞒资源的真实情况，以获取更高的收益。这些行为都会破坏资源分配的公平性和效率，导致信任危机的产生。

7.2 隐私保护与可验证性的协同作用

隐私保护和可验证性是解决信任问题的两个关键方面，它们相互补充，缺一不可。隐私保护确保了投标者的商业敏感信息不被泄露，使得投标者能够在公平的环境中参与拍卖。而可验证性则保证了拍卖过程的公正性和透明度，让所有参与者都能够相信拍卖结果的真实性。只有将两者结合起来，才能构建一个真正可信的拍卖环境。

7.3 未来发展趋势

随着技术的不断发展，网格资源拍卖协议也将不断演进。未来，可能会出现更加高效、安全的隐私保护和验证技术，进一步提高拍卖的效率和可信度。例如，量子加密技术的发展可能会为投标信息的隐私保护提供更强大的保障；人工智能和机器学习技术的应用可能会使拍卖过程的验证更加自动化和智能化。

同时，随着网格资源的不断丰富和多样化，拍卖协议也需要不断适应新的需求。例如，对于一些复杂的资源组合拍卖，需要开发更加灵活和高效的拍卖协议，以满足不同投标者的需求。

7.4 实际应用建议

在实际应用中，为了确保拍卖协议的有效性和安全性，建议采取以下措施：
- 选择合适的拍卖协议 ：根据具体的应用场景和需求，选择最适合的拍卖协议。例如，如果对投标信息的隐私保护要求较高，可以选择隐私级别为0的协议；如果需要应对多个腐败参与者的情况，可以选择多方信任的协议。
- 加强验证机制 ：在拍卖过程中，要充分利用各种验证技术，确保拍卖结果的公正性和透明度。可以引入第三方验证机构，对拍卖过程进行独立验证，提高参与者的信任度。
- 定期评估和改进 ：随着技术的发展和应用场景的变化，要定期对拍卖协议进行评估和改进，确保其始终能够满足实际需求。

7.5 案例分析

为了更好地说明上述建议的实际应用效果，下面以一个实际的网格资源拍卖案例为例进行分析。

假设有一个跨组织的云计算资源拍卖项目，涉及多个云服务提供商和用户。在这个项目中，采用了同态拍卖协议，并结合了零知识证明技术进行验证。

在拍卖过程中，云服务提供商作为投标者，提交了各自的资源报价和服务质量承诺。用户作为拍卖的发起者，通过拍卖协议选择最优的云服务提供商。

由于采用了同态拍卖协议，投标者的报价信息得到了很好的隐私保护，避免了信息泄露的风险。同时，通过零知识证明技术，用户可以独立验证拍卖结果的公正性，确保自己选择的是最优的云服务提供商。

在项目实施过程中，还引入了第三方验证机构，对拍卖过程进行了全程监督和验证。通过定期评估和改进，不断优化拍卖协议，提高了拍卖的效率和可信度。

最终，这个项目取得了圆满成功，用户获得了高质量的云计算服务，云服务提供商也获得了合理的收益，实现了双赢的局面。

7.6 总结与展望

综上所述，在跨组织的网格资源分配中，建立信任是一个至关重要的问题。隐私保护拍卖协议和可验证拍卖协议为解决这一问题提供了有效的手段。通过结合这两种协议，可以消除对拍卖师的信任依赖，确保拍卖结果的公平、公正和透明。

未来，随着技术的不断进步和应用场景的不断拓展，网格资源拍卖协议将不断完善和发展。我们期待这些协议能够在更多的领域得到应用，为跨组织的资源分配提供更加可靠的保障。

协议类型	隐私保护特点	可验证性方法	适用场景
混淆电路方案	依赖两方不勾结，隐私保护程度较高	可采用切割选择等方法验证	对通信模式要求较高的场景
多项式方案	多方信任，可在不泄露边信息下确定节点成本	评估者可重新运行解密步骤验证	对腐败参与者容忍度要求较高的场景
同态方案	同态加密保护投标信息，隐私保护较好	可使用零知识证明等技术验证	对加密运算要求较高的场景

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(跨组织网格资源分配):::process --> B(信任问题):::process
    B --> C(隐私保护):::process
    B --> D(可验证性):::process
    C --> E(隐私保护拍卖协议):::process
    D --> F(可验证拍卖协议):::process
    E & F --> G(可信拍卖环境):::process
    G --> H(公平资源分配):::process
    H --> I(多方共赢):::process

通过以上的分析和总结，我们可以看到，在跨组织的网格资源分配中，建立信任是一个复杂而又关键的问题。只有通过不断地探索和创新，采用先进的技术和方法，才能构建一个公平、公正、透明的拍卖环境，实现资源的高效分配和多方共赢的局面。