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Bloom-Filter加密算法

更新时间:2022-10-28 15:43:03


本文简介:近年来,随着计算机和互联网技术的发展,数据集的不断扩张使得 Bloom filter加密算法获得了新生,各种新的应用和变种不断涌现。Bloom filter加密算法是一个空间效率很高的数据结构,可以用于检索一个元素是否在一个集合中,它的优点是空间效率和查询时间都远远超过一般的加密算法,缺点是有一定的误识别率和删除困难。一、Bloom-Filter加密算法的基本思想Bloom-Filter加密算法的

Bloom-Filter加密算法

近年来,随着计算机和互联网技术的发展,数据集的不断扩张使得 Bloom filter加密算法获得了新生,各种新的应用和变种不断涌现。Bloom filter加密算法是一个空间效率很高的数据结构,可以用于检索一个元素是否在一个集合中,它的优点是空间效率和查询时间都远远超过一般的加密算法,缺点是有一定的误识别率和删除困难。

一、Bloom-Filter加密算法的基本思想

Bloom-Filter加密算法的核心思想就是利用多个不同的Hash函数来解决“冲突”。

计算某元素x是否在一个集合中,首先能想到的方法就是将所有的已知元素保存起来构成一个集合R,然后用元素x跟这些R中的元素一一比较来判断是否存在亍集合R中,我们可以采用链表等数据结构来实现。但是,随着集合R中元素的增加,其占用的内存将越来越大。试想,如果有几千万个不同网页需要下载,所需的内存将足以占用掉整个迚程的内存地址空间。即使用MD5、UUID这些方法将URL转成固定的短小的字符串,内存占用也是相当巨大的。

亍是,我们会想到用Hash table的数据结构,运用一个足够好的Hash函数将一个URL映射到二迚制位数组,位图数组,中的某一位。如果该位已经被置为1,那么表示该URL已经存在。 Hash存在一个冲突,碰撞,的问题,用同一个Hash得到的两个URL的值有可能相同。

为了减少冲突,我们可以多引入几个Hash,如果通过其中的一个Hash值我们得出某元素不在集合中,那么该元素肯定不在集合中。只有在所有的Hash函数告诉我们该元素在集合中时,才能确定该元素存在亍集合中。

二、Bloom-Filter加密算法的基本特征

(1)存在一定错误率,发生在正向判断上(存在性),反向判断不会发生错误(不存在性);

(2)错误率是可控制的,通过改变位数组大小、hash函数个数或更低碰撞率的hash函数来调节;

(3)保持较低的错误率,位数组空位至少保持在一半以上;

(4)给定m和n,可以确定最优hash个数,即k = ln2 * (m/n),此时错误率最小;

(5)给定允许的错误率E,可以确定合适的位数组大小,即m >= log2(e) * (n * log2(1/E)),继而确定hash函数个数k;

(6)正向错误率无法完全消除,即使不对位数组大小和hash函数个数进行限制,即无法实现零错误率;

(7)空间效率高,仅保存“存在状态”,但无法存储完整信息,需要其他数据结构辅助存储;

(8)不支持元素删除操作,因为不能保证删除的安全性。

三、Bloom-Filter加密算法的优缺点

1、Bloom-Filter加密算法的优点

Bloom filte加密算法的最大优点是空间效率和查找时间复杂性,它的存储空间和插入/查询时间都是常数。Hash函数之间没有相关性,可以方便地由硬件并行实现。Bloom filter加密算法不需要存储元素本身,在某些对保密要求非常严格的场合有优势。另外,Bloom filter加密算法一般都可以表示大数据集的全集,而其它任何数据结构都难以做到。

2、Bloom-Filter加密算法的缺点

Bloom filter的缺点和优点一样显著,首先就是错误率。随着插入的元素数量增加,错误率也随之增加。虽然可以通过增加位数组大小或hash函数个数来降低错误率,但同时也时影响空间效率和查找性能,而且这个错误率是无法从根本上消除的。这使得要求“零错误”的场合无法应用Bloom filter加密算法。其次,一般情况下不能从Bloom filter加密算法中删除元素。一方面是我们不能保证删除的元素一定存在Bloom filter加密算法中,另一方面是不能保证安全地删除元素,可能会对其他元素产生影响,究其原因还是hash函数可能产生的碰撞造成的。

四、Bloom-Filter加密算法的应用

Bloom-Filter加密算法一般用于在大数据量的集合中判定某元素是否存在。例如邮件服务器中的垃圾邮件过滤器。在搜索引擎领域,Bloom-Filter加密算法最常用于网络蜘蛛(Spider)的URL过滤,网络蜘蛛通常有一个URL列表,保存着将要下载和已经下载的网页的URL,网络蜘蛛下载了一个网页,从网页中提取到新的URL后,需要判断该URL是否已经存在亍列表中。此时,Bloom-Filter加密算法是最好的选择。

小知识之URL映射

URL映射就是把URL转到另一个URL上面,这个功能一般是由WEB服务器来完成的。
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