基于區(qū)塊鏈的航空導(dǎo)彈業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)安全研究?

方 軼 叢林虎 鄧建球 楊珍波

（1.海軍航空大學 煙臺 264001）（2.92349部隊 淄博 255100）

1 引言

航空導(dǎo)彈業(yè)務(wù)是航空導(dǎo)彈裝備管理中的一項重要的經(jīng)常性工作，覆蓋了航空導(dǎo)彈的管理、維護、使用、運輸?shù)榷鄠€方面，其中涉及到需要登記記錄的數(shù)據(jù)項多，數(shù)據(jù)量較大［1］。

部隊普遍使用的仍然是紙質(zhì)記錄、存儲方式，這種方式已經(jīng)越來越不適合于部隊信息化建設(shè)的要求，存在著許多弊端：人員在進行數(shù)據(jù)記錄時往往會因為字跡潦草導(dǎo)致無法辨別；紙質(zhì)材料容易被污染，通常集中存儲于專門的檔案室且無備份，存在著數(shù)據(jù)丟失、惡意篡改或銷毀等隱患；許多相同的數(shù)據(jù)項填寫占用了大量的工作，降低了工作效率；負責人簽字時經(jīng)常發(fā)生代簽的情況，需要追責時導(dǎo)致責任劃分不清；記錄格式不規(guī)范，會存在筆誤的情況，降低了數(shù)據(jù)的可信度；使用計算機進行數(shù)據(jù)分析時需要先將紙質(zhì)記錄的數(shù)據(jù)輸入計算機，為工作帶來不便。

雖然有些部隊已經(jīng)配備了數(shù)字化數(shù)據(jù)記錄軟件，能一定程度上解決上述傳統(tǒng)記錄、存儲方式的弊端，但這只是完成了記錄、存儲形式的改變，基本沒有考慮數(shù)據(jù)的可信度以及數(shù)據(jù)可溯源的問題。數(shù)據(jù)存儲方式雖然變成了數(shù)字化存儲，但仍然屬于集中式存儲，沒用從根本上改變存儲方式。

2008年，中本聰在其論文《Bitcoin：A Peer-to-Peer Electronic Cash System》［2］中首次提出了比特幣，而區(qū)塊鏈作為比特幣的核心技術(shù)，對比特幣系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)起到了至關(guān)重要的作用。區(qū)塊鏈是一種基于密碼學的分布式數(shù)據(jù)存儲技術(shù)，它能夠保證數(shù)據(jù)的可追溯性，并使數(shù)據(jù)難以被惡意篡改，同時實現(xiàn)了去中心化，具有匿名性、數(shù)據(jù)可信度高等特點［3］。區(qū)塊鏈在我國的研究及應(yīng)用才剛剛起步，主要用于物流［4］、醫(yī)療數(shù)據(jù)［5］、身份認證［6］，商品追溯等領(lǐng)域［7］，然而針對軍事領(lǐng)域具體某個應(yīng)用場景的研究非常少，且大多數(shù)研究都是在系統(tǒng)層面的研究［8］。

針對以上存在的問題，本文在考慮了航空導(dǎo)彈業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)訪問、記錄以及存儲等方面的基礎(chǔ)上，應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)，以比特幣數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為原型，根據(jù)航空導(dǎo)彈業(yè)務(wù)實際情況進行研究、改進與設(shè)計，旨在提出一種專門針對于航空導(dǎo)彈業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的專用數(shù)據(jù)模型，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)分布式存儲，提高數(shù)據(jù)的可信度，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可追溯。

2 區(qū)塊鏈技術(shù)

2.1 區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

區(qū)塊鏈最簡單的定義就是將數(shù)據(jù)打包成一個個區(qū)塊（Block），并使用某些密碼學原理將區(qū)塊連接起來組成一條由多個數(shù)據(jù)區(qū)塊組成鏈條，即區(qū)塊鏈［9］。區(qū)塊中記錄的并不只有需要存儲的數(shù)據(jù)，還有許多用于安全驗證的信息以及各種數(shù)字簽名［10］。一個典型的比特幣區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括：塊編號，前一個區(qū)塊頭的哈希值、一個用于證明工作量難度的隨機數(shù)和難度目標、時間戳、用于驗證區(qū)塊體交易的一個總的哈希Merkle根。區(qū)塊體主要包含該區(qū)塊（賬本）中的所有交易信息以及所有交易信息的Merkle根。

在典型區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，版本號指當前區(qū)塊鏈應(yīng)用的版本；前區(qū)塊Hash值是引用該區(qū)塊鏈中前一個區(qū)塊的Hash值；Merkle根是指該區(qū)塊體中存儲的交易數(shù)據(jù)的Merkle根Hash值；時間戳是該區(qū)塊產(chǎn)生的近似時間；隨機數(shù)是比特幣系統(tǒng)中特有的用于工作量證明算法的計數(shù)器。其中Merkle根是區(qū)塊鏈實現(xiàn)防篡改與數(shù)據(jù)追溯的重要保證，Merkle樹是一棵二叉樹，圖2是一棵包含了4個交易數(shù)據(jù)的Merkle樹，可以看出只要某個交易數(shù)據(jù)被篡改，根據(jù)Hash算法的雜湊算法特性，最后Merkle根的值就會出現(xiàn)非常大的變化，同時根據(jù)Merkle根還能夠證明交易列表中的某筆交易是否存在［11］。同時Merkle根結(jié)構(gòu)還能通過驗證Hash值來確定被篡改交易數(shù)據(jù)的具體位置。

圖1 典型區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

圖2 簡易Merkle樹

2.2 區(qū)塊鏈中的密碼學

區(qū)塊鏈是一種基于密碼學原理及加密算法的保護數(shù)據(jù)安全的技術(shù)，密碼學原理與加密算法對于區(qū)塊鏈的重要性不言而喻。對所有區(qū)塊鏈應(yīng)用而言，最基礎(chǔ)的密碼學原理與加密算法是非對稱加密算法以及Hash算法。

非對稱加密是相對于對稱加密而言的，傳統(tǒng)的對稱加解密方法是使用同一個秘鑰加密，使明文變?yōu)槊芪?，密文?jīng)過傳輸后再用同一個秘鑰解密，將密文變?yōu)槊魑?。對稱加密的實現(xiàn)比較簡單，但風險也很高，因為傳輸密文的同時秘鑰也需要傳輸，增加了密文被破解的概率。在非對稱加密中，將秘鑰分為公鑰和私鑰，公鑰用來加密，私鑰用來解密，并且公鑰公開，私鑰不公開，私鑰一般通過隨機數(shù)生成算法得到，公鑰根據(jù)得到的私鑰計算得到，而且從私鑰得到公鑰的過程是不可逆的，因此基本不可能從公鑰反推回私鑰。這樣即使公鑰在傳輸過程中被他人獲取，仍然不能對密文進行解密，相比對稱加密算法，非對稱加密算法的安全程度更高?，F(xiàn)在流行的非對稱加密算法主要有RSA算法、ElGamal算法、橢圓曲線加密算法等［12］。

Hash算法屬于密碼學三大類算法中的一類，或被稱為“密碼雜湊算法”或“散列算法”，它能將任意長度的二進制明文串映射為定長的二進制串，并且不同的明文幾乎不可能映射為相同的二進制串［13］。Hash算法的作用相當于給數(shù)據(jù)賦予了獨一無二的“數(shù)字指紋”，通常稱之為摘要。Hash算法通常用來驗證數(shù)據(jù)完整性，例如x是一個任意長的數(shù)據(jù)，摘要y由Hash算法生成，即y=h(x)。需要驗證x是否完整時，假設(shè)待檢驗的x′，則摘要y′=h(x′)。若y=y′證明數(shù)據(jù)完整且無誤，反之則說明數(shù)據(jù)中出現(xiàn)了改動。常用的Hash算法有MD5算法、SHA-1算法、SHA-256算法等，我國國家密碼管理局也提出了國家商用密碼雜湊算法SM3算法。王小云等人對SM3算法進行了分析，證明其性能在某些條件下優(yōu)于其他Hash算法［14］。

數(shù)字簽名技術(shù)在區(qū)塊鏈中應(yīng)用非常廣泛，主要用來進行身份鑒別以及數(shù)據(jù)驗證，其技術(shù)基礎(chǔ)是非對稱加密算法與Hash算法。數(shù)字簽名過程如圖3所示。

為了確保公鑰的真實性，區(qū)塊鏈中還引入了數(shù)字證書機制。數(shù)字證書是由證書認證機構(gòu)（Certification Authority，CA）頒發(fā)給有資格進行數(shù)字簽名的節(jié)點，使用X.509證書規(guī)范。證書中主要記錄了簽名對象信息、序列號、簽發(fā)者、被簽發(fā)者、簽發(fā)的公鑰等，確保了用戶擁有公鑰的合法性。一般證書認證機構(gòu)采用DigiCert、GlobalSign等，也可以根據(jù)情況自行搭建本地CA系統(tǒng)。

圖3 數(shù)字簽名及驗證流程

2.3 區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)同步

區(qū)塊鏈的本質(zhì)是一個基于P2P網(wǎng)絡(luò)的分布式數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，每個節(jié)點都保存著一份共同維護的賬本。分布式存儲中最核心的問題在于如何保持網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點之間數(shù)據(jù)的同步性，同時還要容忍網(wǎng)絡(luò)中存在的一些錯誤。在區(qū)塊鏈中，保證數(shù)據(jù)同步的是共識算法。在區(qū)塊鏈中常用的共識算法有PoW、PoS、DPoS、PBFT等［15］，共識算法的目的都是為了滿足在某些節(jié)點發(fā)生錯誤時，仍然能夠保證分布式存儲系統(tǒng)的一致性。

3 基于區(qū)塊鏈的航空導(dǎo)彈數(shù)據(jù)安全存儲系統(tǒng)設(shè)計

3.1 區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)同步

區(qū)塊鏈系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)范圍，可以劃分為公有鏈、私有鏈和聯(lián)盟鏈［16］。公有鏈是對外完全開放，任何人都可以加入并使用的，沒有權(quán)限設(shè)定、身份認證等功能，而且數(shù)據(jù)對任何人都可見；私有鏈則與公有鏈相反，私有鏈不對外公開，成員固定，數(shù)據(jù)對外完全不可見；聯(lián)盟鏈介于私有鏈與公有鏈之間，可以有多個成員角色，成員加入時需要進行身份認證，且可以設(shè)置數(shù)據(jù)可見的成員權(quán)限。在三類區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，最符合航空導(dǎo)彈業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲場景的是聯(lián)盟鏈?；诼?lián)盟鏈的特點以及航空導(dǎo)彈業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲場景，存儲系統(tǒng)的主要組成如表1所示。

表1 系統(tǒng)主要組成

這五種組成部分指的是區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點的角色，同一個節(jié)點可以同時兼任多種角色，但是CA節(jié)點和排序節(jié)點不能兼任，需要由特定成員完成。其中通信節(jié)點在需要進行通信時才設(shè)置，否則可以不用設(shè)置通信節(jié)點。以一個組織為例，數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示，圖中的箭頭指向表示數(shù)據(jù)傳輸方向。

3.2 航空導(dǎo)彈數(shù)據(jù)安全存儲系統(tǒng)工作流程

為了更清楚描述系統(tǒng)的工作流程，規(guī)定如表2所示的符號使用規(guī)則。

圖4 數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

表2 符號使用說明

以網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點集群的某一個節(jié)點為例，工作流程如圖5所示，其中數(shù)字代表執(zhí)行過程的順序。

圖5 系統(tǒng)工作流程

在系統(tǒng)工作之前，首先CA節(jié)點要為系統(tǒng)中的成員頒發(fā)數(shù)字證書，表明成員身份。共識節(jié)點需要根據(jù)CA節(jié)點頒發(fā)的證書Cert，使用證書中規(guī)定的隨機數(shù)生成算法生成私鑰PRK，根據(jù)PRK再生成公鑰PUK，最后將PUK傳遞至排序節(jié)點，用來驗證數(shù)字簽名。

下面進行流程以及原理分析：

過程①指操作人員完成數(shù)據(jù)記錄后，向網(wǎng)絡(luò)中的記錄節(jié)點提交需要存儲的數(shù)據(jù)及Hash值，過程表述為

客戶端→Any A:Data=data0∥Hash(data0)

客戶端可以是單獨的計算機，也可以是安裝在記錄節(jié)點上的客戶端界面?？蛻舳说淖饔檬菫椴僮髡咛峁┮粋€人機交互界面。這個過程只是將數(shù)據(jù)傳送至記錄節(jié)點，并提出操作請求。

過程②是記錄節(jié)點將數(shù)據(jù)加蓋時間戳，使用Hash算法生成摘要，再使用私鑰加密進行記錄節(jié)點的數(shù)字簽名，提交至排序節(jié)點，排序節(jié)點驗證記錄節(jié)點的證書，判斷數(shù)據(jù)來源是否為網(wǎng)絡(luò)中的合法成員，過程表述為

若數(shù)字證書驗證通過，執(zhí)行過程③和④，排序節(jié)點將數(shù)據(jù)廣播至所有共識節(jié)點，共識節(jié)點根據(jù)共識算法對數(shù)據(jù)進行審計，并驗證簽名。若審計結(jié)果與驗證結(jié)果都通過，則對數(shù)據(jù)摘要使用私鑰加密進行共識節(jié)點的數(shù)字簽名，過程表述為

執(zhí)行過程⑤時，排序節(jié)點收到共識節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，對共識節(jié)點的數(shù)字簽名進行有效性驗證，并判斷有效簽名數(shù)量n是否滿足共識算法中要求的有效數(shù)字簽名數(shù)量N。若滿足，則將該數(shù)據(jù)打包成區(qū)塊并向全網(wǎng)廣播，全網(wǎng)節(jié)點接收到該區(qū)塊后存儲在各自的存儲器中，過程表述為：

在排序節(jié)點廣播的數(shù)據(jù)Data中包含了區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的基本數(shù)據(jù)項：data0是最初錄入的數(shù)據(jù)，Ts是提交錄入數(shù)據(jù)時加蓋的時間戳，Hash(data0)是根據(jù)Hash算法生成的data0的摘要，用來生成Merkle根結(jié)構(gòu)并作為下一個區(qū)塊中的前區(qū)塊Hash值。

4 安全性分析

4.1 人員身份認證

在系統(tǒng)設(shè)計中引入了CA節(jié)點，引入了X.509格式的數(shù)字證書，只有用戶擁有數(shù)字證書才會被系統(tǒng)判定為可信任節(jié)點。可以設(shè)置不同種類的數(shù)字證書用來辨別身份，區(qū)分記錄節(jié)點、共識節(jié)點以及排序節(jié)點。沒有數(shù)字證書的用戶沒有資格加入該系統(tǒng)，記錄節(jié)點不能參與共識節(jié)點的數(shù)字簽名，為各個節(jié)點分發(fā)秘鑰等都是通過頒發(fā)數(shù)字證書實現(xiàn)的。同時也可以通過數(shù)字證書限定用戶的操作，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)可見性、可操作性的控制。

4.2 數(shù)據(jù)傳輸安全性

在數(shù)據(jù)存儲過程中需要在各個節(jié)點間通過P2P網(wǎng)絡(luò)傳輸多次，雖然P2P網(wǎng)絡(luò)的安全性比公開網(wǎng)絡(luò)安全性更高，但也存在著受到外界攻擊數(shù)據(jù)被篡改的風險。在該系統(tǒng)中使用了兩次數(shù)字簽名、數(shù)字簽名驗證以及多次Hash值計算，下面對上文所述的五個數(shù)據(jù)傳輸過程分別進行分析：如果在過程①中數(shù)據(jù)被篡改，在過程①完成后記錄節(jié)點會發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)與其Hash值不匹配，判定數(shù)據(jù)無效；如果在過程②、③和④中數(shù)據(jù)被篡改，在簽名認證的時候會因為進行簽名的Hash值改變導(dǎo)致簽名認證失敗，將判定數(shù)據(jù)無效；在過程⑤中數(shù)據(jù)被篡改，也會導(dǎo)致Hash值改變，當這個Hash值作為下一個區(qū)塊中的前區(qū)塊Hash值時，會導(dǎo)致各個節(jié)點之間區(qū)塊數(shù)據(jù)不同步，系統(tǒng)會將發(fā)生錯誤的前區(qū)塊作廢，并重新進行數(shù)據(jù)同步。

4.3 數(shù)據(jù)存儲安全性

對存儲完成后的數(shù)據(jù)惡意篡改時，如果被篡改的數(shù)據(jù)塊處于區(qū)塊鏈的中部時，會導(dǎo)致Hash值改變導(dǎo)致下一個區(qū)塊的前區(qū)塊哈希值與該區(qū)塊哈希值無法匹配，導(dǎo)致區(qū)塊鏈斷裂，數(shù)據(jù)將在下一次新區(qū)塊加入時重新同步；如果被篡改的數(shù)據(jù)塊處于區(qū)塊鏈尾部，則將在下一個新區(qū)塊加入時發(fā)現(xiàn)并重新同步數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

航空導(dǎo)彈業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)項多，重要程度高，實現(xiàn)數(shù)字化分布式存儲時必然要求，區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化存儲、數(shù)據(jù)防篡改、可追溯等特點使其能解決諸多航空導(dǎo)彈業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)記錄、存儲中的安全問題及隱患。本文提出的航空導(dǎo)彈業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)安全存儲系統(tǒng)，將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于航空導(dǎo)彈業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)記錄、存儲場景，采用了典型區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、加密算法及安全防護措施。安全性分析表明本文設(shè)計的系統(tǒng)在人員角色管理、數(shù)據(jù)安全性以及真實性方面能夠滿足數(shù)據(jù)安全存儲要求，在區(qū)塊鏈軍事應(yīng)用方面具有一定應(yīng)用前景。