基于Hyperledger Fabric的生物數(shù)據(jù)安全管理

周博軒 滿毅 劉寧寧 張奕欣 張翀

摘要：針對(duì)生物數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和管理中存在的數(shù)據(jù)不可信性和安全性問題，提出了一種多鏈多通道結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。用于聯(lián)盟區(qū)塊鏈的分布式操作系統(tǒng)Hyperledger Fabric技術(shù)，提出了一種多鏈結(jié)構(gòu)，包括三條用于記錄數(shù)據(jù)的區(qū)塊鏈和一條用于記錄操作內(nèi)容的區(qū)塊鏈，利用多通道實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)權(quán)限的劃分，同時(shí)將敏感操作記錄連接到了區(qū)塊鏈上。系統(tǒng)地解決了生物數(shù)據(jù)中敏感數(shù)據(jù)的保密性和敏感操作的事后審計(jì)問題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物數(shù)據(jù)的管理和操作，保證了數(shù)據(jù)的安全性和可信性。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈;生物數(shù)據(jù);多鏈多通道;Hyperledger Fabric

中圖分類號(hào)：TP393????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言

在生物信息傳輸方面，三大生物信息網(wǎng)站NCBI（National Center for Biotechnology Information）[1]、EBI（The European Bioinformatics Institute）[2]、DDBJ（DNA Data Bank of Japan）[3]僅把生物信息文件當(dāng)作普通文件，主要采用了FTP等傳統(tǒng)的文件傳輸協(xié)議，也有其他傳輸技術(shù)和工具如Aspera等，但都不是開放技術(shù)。生物數(shù)據(jù)具有來源廣泛、種類繁多、內(nèi)部結(jié)構(gòu)高維復(fù)雜、數(shù)據(jù)相對(duì)分散、難以有效整合分析的特點(diǎn)，生物信息中大多數(shù)數(shù)據(jù)的讀取是完全開放的狀態(tài)，但對(duì)于一些與人相關(guān)的生物數(shù)據(jù)訪問和生物數(shù)據(jù)的上傳，需要有更嚴(yán)格的數(shù)據(jù)訪問審計(jì)功能。

生物信息安全涉及生物學(xué)和信息安全兩個(gè)領(lǐng)域。這兩個(gè)領(lǐng)域相關(guān)性較弱，因此對(duì)生物數(shù)據(jù)安全領(lǐng)域的研究不多。南京大學(xué)國(guó)家保密研究所的團(tuán)隊(duì)建立了DNA密碼系統(tǒng)的生物單向函數(shù)，并設(shè)計(jì)了對(duì)稱和非對(duì)稱加密和信息隱藏系統(tǒng)[4]。張光河團(tuán)隊(duì)利用從人體捕捉的生理特征生成隨機(jī)密鑰，確保了傳播過程中健康信息的安全[5]。這些研究通過使用密碼學(xué)技術(shù)對(duì)生物數(shù)據(jù)加密來確保數(shù)據(jù)安全，但缺乏對(duì)生物數(shù)據(jù)操作的審計(jì)能力。

區(qū)塊鏈可以被定義為維護(hù)在相互不信任的Peer節(jié)點(diǎn)分布式網(wǎng)絡(luò)中，用于記錄交易且不可篡改的分類賬本。每個(gè)Peer節(jié)點(diǎn)都維護(hù)著分類賬本的副本。Peer節(jié)點(diǎn)通過執(zhí)行共識(shí)協(xié)議來驗(yàn)證交易，然后將多筆交易打包成區(qū)塊，并把區(qū)塊構(gòu)建為哈希鏈。此過程通過對(duì)交易進(jìn)行排序來形成分類賬本，這是共識(shí)所必需的。區(qū)塊鏈隨著比特幣[6]的出現(xiàn)應(yīng)運(yùn)而生，這一技術(shù)被廣泛認(rèn)為是在數(shù)字世界中進(jìn)行可信賴交易的未來發(fā)展方向。

基于區(qū)塊鏈的生物數(shù)據(jù)安全技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)敏感生物信息數(shù)據(jù)的訪問控制，對(duì)生物信息數(shù)據(jù)的敏感操作建立防篡改記錄，支持事后審計(jì)能力。

Hyperledger Fabric是Linux基金會(huì)所主導(dǎo)的Hyperledger（超級(jí)賬本）項(xiàng)目之一。Hyperledger Fabric使用Docker技術(shù)來托管構(gòu)成系統(tǒng)應(yīng)用邏輯的智能合約（也稱為鏈碼），每個(gè)Peer節(jié)點(diǎn)以只追加（Append-Only）區(qū)塊鏈的形式在本地維護(hù)分類賬本，并以鍵值對(duì)的形式存儲(chǔ)最新狀態(tài)的快照[7]。Fabric旨在為開發(fā)模塊化體系結(jié)構(gòu)的區(qū)塊鏈應(yīng)用程序提供基礎(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)能夠即插即用的共識(shí)機(jī)制和會(huì)員服務(wù)等組件。

本文提出了一種“多通道數(shù)據(jù)鏈+單通道行為鏈”的多層鏈簇結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了對(duì)生物數(shù)據(jù)進(jìn)行增刪改查基礎(chǔ)操作的可行方案。本文的貢獻(xiàn)是通過使用Hyperledger Fabric的多通道結(jié)構(gòu)來劃分節(jié)點(diǎn)的權(quán)限和鏈接敏感的操作記錄，并提高生物數(shù)據(jù)的安全性。

2? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文將系統(tǒng)的基本邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為四層結(jié)構(gòu)[8]，由下到上分為存儲(chǔ)層、索引層、連接層、應(yīng)用層，如圖1所示。

2.1.1 存儲(chǔ)層

存儲(chǔ)層為Fabric聯(lián)盟鏈與P2P文件傳輸系統(tǒng)（如IPFS[9，10]）的接口。這里以IPFS為例，每一個(gè)被上傳到IPFS網(wǎng)絡(luò)上的文件，都會(huì)被系統(tǒng)加密并返回一個(gè)哈希值，存儲(chǔ)層用于獲取該哈希值，從而得到存儲(chǔ)在IPFS網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)。

2.1.2 索引層

索引層采用聯(lián)盟鏈多鏈的結(jié)構(gòu)，不同權(quán)限的數(shù)據(jù)內(nèi)容單獨(dú)成鏈存儲(chǔ)，用于以交易的形式記錄上傳文件至IPFS后返回的哈希值。由于數(shù)據(jù)和哈希值是一一對(duì)應(yīng)的，所以索引層實(shí)際上是由多條數(shù)據(jù)鏈組成的。

本文將生物數(shù)據(jù)的安全級(jí)別分為三級(jí)，命名為“機(jī)密”“保密”和“公開”[11]，對(duì)應(yīng)于三條數(shù)據(jù)鏈，同樣將區(qū)塊鏈的成員服務(wù)提供模塊MSP（Membership Service Provider）頒發(fā)的身份信息分為管理員、授權(quán)成員和普通成員三種身份，如圖2所示。機(jī)密級(jí)別區(qū)塊鏈上存儲(chǔ)的生物數(shù)據(jù)只能由管理員進(jìn)行操作，保密級(jí)別的區(qū)塊鏈上存儲(chǔ)的生物數(shù)據(jù)可以由管理員和授權(quán)成員操作，公開的生物數(shù)據(jù)可以由包含普通成員在內(nèi)的全部成員操作[12]。

對(duì)于每條單獨(dú)的數(shù)據(jù)鏈，執(zhí)行上傳操作時(shí)，是將一條數(shù)據(jù)的哈希值作為一筆交易進(jìn)行提案，背書通過后由排序服務(wù)節(jié)點(diǎn)（Ordering Service Node，OSN）打包成塊，并廣播至該通道網(wǎng)絡(luò)中的全部節(jié)點(diǎn)更新其賬本，完成上鏈操作。

2.1.3 連接層

為了方便事后審計(jì)，追溯數(shù)據(jù)來源，需要記錄在索引層數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈上執(zhí)行的操作，利用區(qū)塊鏈不可篡改的特性，考慮將操作日志以區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中交易的形式進(jìn)行打包上鏈，形成一條獨(dú)立于三條數(shù)據(jù)鏈的操作記錄區(qū)塊鏈。這條區(qū)塊鏈構(gòu)成了系統(tǒng)的連接層，用于將應(yīng)用層發(fā)出、作用于索引層的操作進(jìn)行記錄。

在執(zhí)行數(shù)據(jù)的上傳、下載和更新（本質(zhì)上也是上傳數(shù)據(jù)）后，將由同一客戶端發(fā)出記錄日志的提案，將本次操作的相關(guān)信息以交易的形式進(jìn)行記錄并上鏈。與索引層不同的是，連接層的這條區(qū)塊鏈不涉及下載數(shù)據(jù)的操作，不需要與存儲(chǔ)層交互，沒有IPFS的接口。

2.1.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層主要是根據(jù)業(yè)務(wù)的需求，對(duì)生物數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，包括用戶的管理、生物數(shù)據(jù)的管理（例如上傳和更新）、生物數(shù)據(jù)的查詢和下載等應(yīng)用。

用戶管理是對(duì)聯(lián)盟鏈成員的添加、刪除以及身份變更的操作。其中，身份變更操作是指對(duì)聯(lián)盟鏈成員授予管理員、授權(quán)成員、普通成員三種身份之一，這一授權(quán)操作不涉及對(duì)成員信息和區(qū)塊鏈本身的更改，只需要增加或刪除成員訂閱的通道即可。

生物數(shù)據(jù)的管理是由管理員執(zhí)行的，對(duì)生物數(shù)據(jù)的上傳和更新操作。在“連接層”一節(jié)中也提到過，生物數(shù)據(jù)的更新本質(zhì)上也是上傳操作，每次數(shù)據(jù)上鏈時(shí)會(huì)同時(shí)記錄上鏈操作的時(shí)間，在后續(xù)的查詢和下載操作中，對(duì)于檢索到的同一生物數(shù)據(jù)，返回時(shí)間最近的一條即是最新版本的數(shù)據(jù)。

2.2 模塊設(shè)計(jì)

生物數(shù)據(jù)安全管理系統(tǒng)的功能如圖3所示。

2.2.1 賬戶管理模塊

賬戶管理模塊功能是對(duì)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的成員進(jìn)行記錄和變更。該模塊的部分功能依賴于聯(lián)盟鏈的MSP，它負(fù)責(zé)維護(hù)系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)的ID、頒發(fā)節(jié)點(diǎn)身份證書。Hyperledger Fabric默認(rèn)實(shí)現(xiàn)的MSP實(shí)例，能夠處理基于數(shù)字簽名的標(biāo)準(zhǔn)PKI方法，并且可以容納商業(yè)的證書認(rèn)證機(jī)構(gòu)（CA）[7]。

此外，賬戶管理模塊還對(duì)不同身份的成員節(jié)點(diǎn)進(jìn)行權(quán)限控制，這一功能通過為各節(jié)點(diǎn)訂閱相應(yīng)于其權(quán)限的通道來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于普通成員身份的節(jié)點(diǎn)，只訂閱權(quán)限為“公開”的通道;對(duì)于授權(quán)成員節(jié)點(diǎn)，訂閱“公開”和“保密”兩條通道;對(duì)于管理員節(jié)點(diǎn)，訂閱包含“機(jī)密”在內(nèi)的全部三條通道。

2.2.2 基礎(chǔ)功能模塊

基礎(chǔ)功能模塊實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的主要功能，即生物數(shù)據(jù)的上傳、下載、查詢和更新操作。生物數(shù)據(jù)的上傳和更新的唯一區(qū)別，是在本次上傳之前區(qū)塊鏈中是否存在同一生物數(shù)據(jù)，其實(shí)現(xiàn)都是將一組鍵值對(duì)（包括生物數(shù)據(jù)上傳至IPFS后返回的哈希值、生物數(shù)據(jù)的名稱、上傳時(shí)間）以交易的形式打包成區(qū)塊，然后連接成鏈。生物數(shù)據(jù)查詢是檢索通道中指定名稱的生物數(shù)據(jù)，返回其信息。生物數(shù)據(jù)下載則是用查詢得到的哈希值在IPFS網(wǎng)絡(luò)中搜索相應(yīng)的文件并進(jìn)行下載。

2.2.3 智能合約模塊

智能合約模塊負(fù)責(zé)維護(hù)系統(tǒng)中的全部鏈碼，實(shí)現(xiàn)鏈碼的存儲(chǔ)、編譯、更新、安裝等操作。對(duì)于本文提出的系統(tǒng)來說，這一模塊為基礎(chǔ)功能和審計(jì)功能提供了支持。

2.2.4 審計(jì)模塊

審計(jì)模塊負(fù)責(zé)在對(duì)數(shù)據(jù)鏈執(zhí)行操作的同時(shí)，將操作日志打包成區(qū)塊并連接成鏈。和數(shù)據(jù)鏈的操作類似，對(duì)操作日志的查詢也是檢索行為鏈上的全部交易，返回指定日志信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物數(shù)據(jù)敏感操作的事后審計(jì)功能。在基礎(chǔ)功能模塊中產(chǎn)生一筆交易時(shí)，審計(jì)模塊會(huì)驗(yàn)證提案者的身份，檢查操作的合法性，對(duì)于不具有權(quán)限的成員，將返回錯(cuò)誤提示。

3 評(píng)估

3.1 應(yīng)用場(chǎng)景分析

本文提出了建立一個(gè)基于Hyperledger Fabric聯(lián)盟區(qū)塊鏈的生物數(shù)據(jù)安全管理系統(tǒng)，結(jié)合IPFS點(diǎn)對(duì)點(diǎn)文件傳輸系統(tǒng)提供的接口，在確保安全性和保密性的情況下，實(shí)現(xiàn)生物數(shù)據(jù)的上傳、下載、查詢等操作[13]。以一個(gè)實(shí)例來說明系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程。

3.1.1 注冊(cè)

新用戶發(fā)出注冊(cè)并提交信息，由MSP的CA服務(wù)進(jìn)行登記并頒發(fā)身份證書，成為該系統(tǒng)的普通成員。經(jīng)其他管理員節(jié)點(diǎn)修改可以變更身份為管理員。

3.1.2? 上傳

（1）將生物A的DNA數(shù)據(jù)文件上傳到IPFS，返回的哈希值是一個(gè)64位的十六進(jìn)制數(shù)。

（2）管理員用戶執(zhí)行上傳操作，如果該數(shù)據(jù)不曾被上傳到該區(qū)塊鏈中，則以剛剛返回的哈希值為Hash字段，數(shù)據(jù)名稱（如A_DNA）為Name字段，時(shí)間戳為Time字段，將其作為一筆交易的信息發(fā)起提案，將本次交易需要調(diào)用的信息發(fā)送給背書節(jié)點(diǎn)。

（3）背書節(jié)點(diǎn)收到交易提案后，通過驗(yàn)證提交者簽名確認(rèn)該用戶是否有上傳權(quán)限，然后根據(jù)背書策略模擬執(zhí)行相應(yīng)鏈碼，將背書結(jié)果及背書簽名發(fā)送給客戶端。

（4）客戶端收集到足夠的背書后，將數(shù)據(jù)打包成一筆交易并簽名，發(fā)送給排序服務(wù)節(jié)點(diǎn)Orderer進(jìn)行共識(shí)排序。同時(shí)，由客戶端發(fā)出記錄本次上傳操作的提案，將操作日志作為交易信息提交到背書節(jié)點(diǎn)背書，經(jīng)過類似于（2）～（4）步驟后，將一批交易打包成區(qū)塊，追加至操作審計(jì)鏈。

（5）Orderer將一批交易打包成區(qū)塊，廣播至維護(hù)賬本的其他節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過對(duì)每筆交易進(jìn)行檢驗(yàn)后追加到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)鏈。

3.1.3 查詢

執(zhí)行查詢操作時(shí)，會(huì)先驗(yàn)證查詢發(fā)起者的權(quán)限是否能夠查詢?cè)撔畔ⅲ绻麤]有權(quán)限則返回錯(cuò)誤提示。然后，調(diào)用用戶權(quán)限內(nèi)指定節(jié)點(diǎn)上部署的鏈碼查詢“上傳交易”提案，對(duì)返回Payload組成的List進(jìn)行篩選，取出Name鍵值對(duì)與查詢字段對(duì)應(yīng)，且Time鍵值對(duì)最大的交易信息發(fā)送給用戶。如查詢Name=A_DNA，得到的Time最大值為剛剛上傳的時(shí)間戳，則返回包含生物數(shù)據(jù)的64位十六進(jìn)制哈希值在內(nèi)的交易信息。

3.1.4 下載

（1）用戶執(zhí)行下載生物數(shù)據(jù)name=A_DNA的操作時(shí)，會(huì)先執(zhí)行“查詢”中的查詢操作，將得到的哈希值傳遞至IPFS網(wǎng)絡(luò)，把對(duì)應(yīng)的生物數(shù)據(jù)文件下載到指定位置。

（2）下載完成后，客戶端發(fā)出記錄本次下載操作的提案，同樣經(jīng)過“上傳”中（2）～（4）的步驟，將交易打包成區(qū)塊，追加至操作審計(jì)鏈。

3.1.5 更新

（1）管理員用戶執(zhí)行更改A生物DNA數(shù)據(jù)的操作，會(huì)先以IPFS返回的更改后文件的哈希值（已經(jīng)與之前的哈希值不同）為交易的Hash字段，Name仍為A_DNA，本次操作的時(shí)間戳Time作為交易的信息發(fā)起提案。

（2）經(jīng)過類似于“上傳”中（2）～（5）的步驟后，包含這筆交易的區(qū)塊被追加到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)鏈。在背書結(jié)果發(fā)送給Orderer的同時(shí)，發(fā)起記錄本次更改操作的提案，將操作日志作為一筆交易打包成塊并追加至操作審計(jì)鏈。

（3）在A生物的DNA數(shù)據(jù)更改后，如果再次執(zhí)行查詢或者下載操作，返回name=A_DNA的交易列表中，包含具有不同時(shí)間戳的兩筆交易，返回的結(jié)果為時(shí)間戳較大的那筆交易，即表示最新的數(shù)據(jù)。

3.2 可行性分析

作為一種與醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域息息相關(guān)的數(shù)據(jù)，生物數(shù)據(jù)對(duì)安全性和保密性的要求非常高。目前，區(qū)塊鏈技術(shù)已經(jīng)從單一的加密貨幣應(yīng)用，發(fā)展為面向生物技術(shù)、醫(yī)療衛(wèi)生、安全等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的完整性和真實(shí)性，塑造了一個(gè)全新的可信的信用體系，這是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)技術(shù)無法比擬的?，F(xiàn)在，Hyperledger Fabric項(xiàng)目已發(fā)布1.4版本，為生物數(shù)據(jù)安全管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。Fabric支持多種通用編程語言的實(shí)現(xiàn)，從技術(shù)依賴的角度來看，系統(tǒng)是可行的。

Fabric實(shí)現(xiàn)了對(duì)用戶身份的驗(yàn)證，保證了區(qū)塊鏈完整性和不可篡改的特性。用戶在操作執(zhí)行前都會(huì)進(jìn)行身份驗(yàn)證，確保了敏感操作和敏感數(shù)據(jù)權(quán)限的有效控制。每個(gè)區(qū)塊的區(qū)塊頭都包含上一個(gè)區(qū)塊的哈希值，即后面的區(qū)塊中包含了它之前全部區(qū)塊的信息，任何一個(gè)區(qū)塊被修改都會(huì)造成后面區(qū)塊頭中哈希值的改變，這保證了生物數(shù)據(jù)和操作記錄不會(huì)被篡改。同時(shí)，生物數(shù)據(jù)和操作記錄分別存儲(chǔ)在索引層和連接層的不同區(qū)塊鏈中，每一筆交易都可以溯源，方便管理。所有這些特性保證了該系統(tǒng)的安全性，形成一個(gè)完整的安全體系。

4? 結(jié)束語

本文針對(duì)生物數(shù)據(jù)管理中存在的數(shù)據(jù)安全問題和敏感操作審計(jì)問題，結(jié)合Hyperledger Fabric區(qū)塊鏈技術(shù)，提出了一種“多通道數(shù)據(jù)鏈+單通道行為鏈”的多層鏈簇結(jié)構(gòu)，為生物數(shù)據(jù)的上傳、下載、查詢、更新等基礎(chǔ)操作設(shè)計(jì)了可行方案，解決了生物數(shù)據(jù)中敏感數(shù)據(jù)的保密性和敏感操作的事后審計(jì)問題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物數(shù)據(jù)的管理和操作，保證了數(shù)據(jù)的安全性和可信性。本方案的不足之處是對(duì)于敏感操作只能保證事后的記錄可追溯，防止不正當(dāng)操作發(fā)生的措施僅限于權(quán)限管理，今后將對(duì)Fabric鏈碼進(jìn)行改進(jìn)，完善系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在保證安全性的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

基金項(xiàng)目

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（National Key R&D Program of China）（項(xiàng)目編號(hào)：2017YFC1201204）。

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