[论文解读] Surrogate Parenthood: Protected and Informative Graphs

Barbara Blaustein, Adriane Chapman+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2011

Scientific Computing and Data Management参考文献 2被引用 5

一句话总结

本文提出了一种新颖的框架，通过用替代节点和边替换敏感图数据中的私有节点与边，保护敏感图数据，同时保持图的连通性和查询实用性。通过形式化实用性和隐蔽性之间的权衡，作者提出了一种算法，生成在信息量最大且安全的图变体，经由PLUS原型验证，性能开销极小。

ABSTRACT

Many applications, including provenance and some analyses of social networks, require path-based queries over graph-structured data. When these graphs contain sensitive information, paths may be broken, resulting in uninformative query results. This paper presents innovative techniques that give users more informative graph query results; the techniques leverage a common industry practice of providing what we call surrogates: alternate, less sensitive versions of nodes and edges releasable to a broader community. We describe techniques for interposing surrogate nodes and edges to protect sensitive graph components, while maximizing graph connectivity and giving users as much information as possible. In this work, we formalize the problem of creating a protected account G' of a graph G. We provide a utility measure to compare the informativeness of alternate protected accounts and an opacity measure for protected accounts, which indicates the likelihood that an attacker can recreate the topology of the original graph from the protected account. We provide an algorithm to create a maximally useful protected account of a sensitive graph, and show through evaluation with the PLUS prototype that using surrogates and protected accounts adds value for the user, with no significant impact on the time required to generate results for graph queries.

研究动机与目标

• 为解决在敏感图结构数据中基于路径的查询问题，直接访问会暴露私有信息。
• 开发一种方法，在数据保护措施下仍保持图的连通性和查询信息量。
• 形式化受保护图表示中实用性的（信息量）与隐蔽性（抗重构能力）之间的权衡。
• 设计一种算法，从敏感原始图（G）生成最具信息量的受保护图版本（G'）。
• 评估基于替代节点的图保护在真实世界查询工作负载中的实用性和性能。

提出的方法

• 引入‘替代节点’和‘替代边’的概念，作为图中私有组件的敏感度较低的替代品。
• 提出一种形式化模型，从原始图G生成受保护图G'，确保结构相似性和连通性。
• 定义一种实用性度量，量化受保护图在基于路径查询中的信息量。
• 引入一种隐蔽性度量，评估攻击者从G'重构原始图的可能性。
• 开发一种算法，优化替代插入过程，最大化实用性同时保持可接受的隐蔽性。
• 采用PLUS原型进行实证评估，测量查询响应时间和结果信息量。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不牺牲基于路径查询实用性的情况下保护敏感图数据？
• RQ2 哪些度量能有效平衡图实用性与抗重构能力之间的权衡？
• RQ3 替代节点和边是否能在受保护图表示中保持足够的连通性和查询准确性？
• RQ4 在使用替代保护图时，查询处理的性能扩展性如何？
• RQ5 攻击者在多大程度上能从受保护版本重构原始图？

主要发现

• 所提出的基于替代的保护方法显著提升了查询结果的信息量，优于简单的匿名化或抑制技术。
• 实用性度量成功捕捉了受保护图在基于路径查询中的相关性，支持定量比较。
• 隐蔽性度量有效量化了原始图被重构的风险，支持风险感知的数据发布。
• 使用PLUS原型的评估表明，受保护图查询的性能开销与原始图相比可忽略不计。
• 该算法生成的受保护图即使在替换敏感组件后，仍保持高度连通性和路径完整性。
• 结果表明，替代节点机制可在溯源追踪和社交网络分析等场景中实现安全且信息丰富的图分析。