區(qū)塊鏈存儲與加密技術(shù)在農(nóng)業(yè)生態(tài)及環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

李強李維剛周淼劉娜蔣藝

1.四川省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站，四川成都

2.四川省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳信息中心，四川成都

當(dāng)前世界各國已經(jīng)開始大范圍鼓勵和支持區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用落地。瑞典農(nóng)業(yè)科學(xué)家提出基于區(qū)塊鏈技術(shù)與云計算相結(jié)合的新生態(tài)環(huán)境監(jiān)測服務(wù)EM Chain區(qū)塊鏈平臺，把區(qū)塊鏈同生態(tài)環(huán)境相結(jié)合，面向所有環(huán)境監(jiān)測接口開放，創(chuàng)造讓用戶與用戶、用戶與環(huán)境監(jiān)測對象直接對接結(jié)算的生態(tài)圈[1]。Gaetani等人設(shè)計并實現(xiàn)了基于區(qū)塊鏈的云計算環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，通過結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)，保證了環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性，并且提高了效率[2]。Lwis等人利用區(qū)塊鏈具有的獨有分權(quán)性質(zhì)，針對環(huán)境監(jiān)測云端系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行改良設(shè)計，提出了環(huán)境監(jiān)測區(qū)塊鏈重命名存儲系統(tǒng)。杰克遜等人提出基于區(qū)塊鏈技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)分布式采集以及可跟蹤的可信云并同步環(huán)境采集變量相關(guān)數(shù)據(jù)同時分布到云中[3]。中國的周平等人提出了一種結(jié)合環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)云共享方案的區(qū)塊鏈模式，發(fā)揮區(qū)塊鏈框架自身內(nèi)置自治屬性，利用區(qū)塊鏈的分布式技術(shù)收集和存儲技術(shù)，收集物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)用以服務(wù)于許多不同類型的應(yīng)用，例如智慧城市、智慧農(nóng)業(yè)、綠色工業(yè)和制造業(yè)等[4]。

省級大數(shù)據(jù)監(jiān)測中心（云平臺）一直以來負(fù)責(zé)采集環(huán)境生態(tài)數(shù)據(jù)，對生態(tài)覆蓋進(jìn)行了深入研究并加以分析。為滿足對大數(shù)據(jù)監(jiān)測中心存儲的高要求，一些部門已經(jīng)采用云存儲和計算解決緊迫的存儲和處理需求[5]。

然而，對于數(shù)據(jù)所有者和監(jiān)管者而言，云平臺收集的數(shù)據(jù)容易受到攻擊者攻擊，以獲取和修改數(shù)據(jù)并取得控制權(quán)限。如何保障環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量的真實、準(zhǔn)確、可靠，讓監(jiān)測數(shù)據(jù)不敢、不能、不愿造假，需要構(gòu)建一個全省的云（大數(shù)據(jù)中心）和鏈（區(qū)塊鏈）相結(jié)合的智慧環(huán)境系統(tǒng)[6]。特別是環(huán)境監(jiān)測進(jìn)行垂直管理制度改革后，各市監(jiān)測站為派駐機構(gòu)，以云+區(qū)塊鏈的混合共享方式，通過橫向數(shù)據(jù)共享模式把同環(huán)境相關(guān)的不同部門、不同行業(yè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行入鏈擴充節(jié)點；利用縱向數(shù)據(jù)共享方案把貫穿?。ㄊ?、縣）環(huán)境監(jiān)測部門所有的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行梯度排序后插入?yún)^(qū)塊節(jié)點，并可以實時登陸主鏈查詢。

當(dāng)前，在我國農(nóng)業(yè)生態(tài)及環(huán)境數(shù)據(jù)并行處理非結(jié)構(gòu)化的存儲模式下，區(qū)塊鏈存儲與加密技術(shù)可以直接應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測云存儲架構(gòu)。農(nóng)業(yè)生態(tài)及環(huán)境監(jiān)測因子的數(shù)據(jù)量大，利用映射監(jiān)測采集數(shù)據(jù)的關(guān)鍵元數(shù)據(jù)是加載到農(nóng)業(yè)生態(tài)及環(huán)境監(jiān)測區(qū)塊鏈系統(tǒng)，而不是直接存儲在各自系統(tǒng)之中。當(dāng)云存儲中節(jié)點請求存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)時，用戶通過訪問農(nóng)業(yè)生態(tài)及環(huán)境監(jiān)測區(qū)塊鏈系統(tǒng)可以查出可行的存儲節(jié)點位置并標(biāo)記加密尚未存儲的環(huán)境監(jiān)測因子數(shù)據(jù)，然后再把監(jiān)測數(shù)據(jù)放置到前一位置。其它節(jié)點的關(guān)鍵信息也可以作為監(jiān)測元數(shù)據(jù)并把相關(guān)環(huán)境監(jiān)測因子記錄到區(qū)塊中。

1 基于區(qū)塊鏈實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生態(tài)及環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲和保護(hù)方案

由于不能單獨通過云來獲取監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)的明文相關(guān)信息，所以需要一種高效、重新加密方案作為代理來滿足用戶要求，該方案允許監(jiān)測數(shù)據(jù)僅對監(jiān)測設(shè)備所有者以及整合區(qū)塊鏈的智能合約協(xié)議開發(fā)者可見，并且確保監(jiān)測平臺將監(jiān)測獲取的數(shù)據(jù)安全地傳輸給用戶。時至今日，許多企業(yè)和政府職能部門廣泛采用云計算來進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和高性能計算，但是，云服務(wù)不能提供強有力的安全防御措施。本文提出了一種基于區(qū)塊鏈的農(nóng)業(yè)生態(tài)及環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲和保護(hù)方案。該系統(tǒng)在加密后將物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)加入?yún)^(qū)塊鏈并存儲分布在云中，為了便于收集環(huán)境監(jiān)測設(shè)備采集的空氣質(zhì)量、水質(zhì)和土壤墑情等數(shù)據(jù)，系統(tǒng)終端將加密數(shù)據(jù)保存在云中，當(dāng)用戶對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問時，數(shù)據(jù)所有者委托云平臺重新加密監(jiān)測數(shù)據(jù)，只有授權(quán)的訪問者才能解密相關(guān)數(shù)據(jù)[7]。

1.1 數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)模型

用戶訪問角色層：授權(quán)訪問者具有相同的訪問數(shù)據(jù)類型，他們通過實時數(shù)據(jù)共享來交換數(shù)據(jù)，或者通過并行計算獲得理想的數(shù)據(jù)結(jié)果。

數(shù)據(jù)采集監(jiān)測層：數(shù)據(jù)監(jiān)測層的授權(quán)用戶通過共享模式來維護(hù)從環(huán)境監(jiān)測設(shè)備中采集的數(shù)據(jù)，并分發(fā)到區(qū)塊鏈上。利用鏈上的共識算法對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣處理后，通過數(shù)據(jù)監(jiān)測節(jié)點將采樣結(jié)果加入到區(qū)塊鏈中[8]。對不同監(jiān)測設(shè)備所采集的不同環(huán)境中的樣本參數(shù)進(jìn)行分析，完成對大氣、水、噪聲等環(huán)境因子的數(shù)據(jù)加密。

云存儲：利用共享云服務(wù)來存儲用戶角色層的訪問數(shù)據(jù)，統(tǒng)計訪問節(jié)點的上傳和下載、重加密代理次數(shù)，以及與塊鏈的讀寫交互。

1.2 農(nóng)業(yè)生態(tài)及環(huán)境監(jiān)測設(shè)備所有者對監(jiān)測數(shù)據(jù)的保存和加密方案

1.2.1 環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)采集和保存

環(huán)境監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測主要通過空氣監(jiān)測子站、水質(zhì)監(jiān)測子站和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測子站等。農(nóng)業(yè)生態(tài)及環(huán)境監(jiān)測子站通過在線監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)儀器連接到網(wǎng)絡(luò)并捕獲和傳輸來采集數(shù)據(jù)。其中，云存儲用于保存和檢索數(shù)據(jù)庫中監(jiān)測儀器采集的環(huán)境數(shù)據(jù)因子以及加密因子。區(qū)塊鏈?zhǔn)峭ㄟ^智能合約功能將采集的監(jiān)測因子節(jié)點注冊到區(qū)塊鏈上并支撐云服務(wù)讀取區(qū)塊上的信息。注冊后的節(jié)點可以持續(xù)為監(jiān)測設(shè)備提供所需的密鑰資料，以便將監(jiān)測的空氣監(jiān)測因子、水質(zhì)監(jiān)測因子和土壤墑情等農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測因子數(shù)據(jù)加密發(fā)送到云存儲服務(wù)器提供者——省級監(jiān)測部門。

以空氣中SO2監(jiān)測為例進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用研究。首先，空氣質(zhì)量監(jiān)測子站可借助區(qū)塊鏈平臺，利用網(wǎng)絡(luò)信息安全技術(shù)，只有規(guī)定授權(quán)的訪問節(jié)點以及提供所需密鑰材料的訪問節(jié)點才能讀取區(qū)塊以及執(zhí)行智能合約應(yīng)用，并對新產(chǎn)生的區(qū)塊進(jìn)行驗證，這些授權(quán)節(jié)點包括環(huán)境監(jiān)測設(shè)備所有人、省級環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)布平臺和省級監(jiān)測部門預(yù)警平臺。其次，對于新生成的區(qū)塊鏈節(jié)點來說需要通過分組來獲得加密密鑰材料，并繼續(xù)驗證新塊的產(chǎn)生。再次，在每個SO2監(jiān)測儀器部署前，需由省級監(jiān)測部門認(rèn)證節(jié)點的身份以及授權(quán)方式。授權(quán)通過后，監(jiān)測系統(tǒng)通過區(qū)塊分發(fā)密鑰到每個設(shè)備。最后，SO2監(jiān)測設(shè)備才可以在環(huán)境監(jiān)測區(qū)塊鏈上完成注冊登記?？諝庵蠸O2監(jiān)測儀器運行的各個階段，如開始運行、空氣中監(jiān)測數(shù)據(jù)因子上傳、產(chǎn)生機械故障、維護(hù)時間以及重新測試需要的時間等，這些信息都可以記錄到區(qū)塊鏈上。SO2監(jiān)測儀器完成數(shù)據(jù)監(jiān)測后，將待上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)因子包含監(jiān)測數(shù)據(jù)量、監(jiān)測時間段，以及監(jiān)測傳感器類型、監(jiān)測數(shù)據(jù)內(nèi)容等進(jìn)行聚類并封裝，然后對監(jiān)測采集后數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字簽名。

1.2.2 用戶請求訪問監(jiān)測數(shù)據(jù)

省市環(huán)境監(jiān)測部門以及企業(yè)運營商作為第三方數(shù)據(jù)代理者請求訪問，通常被定義為用戶行動的數(shù)據(jù)請求代理，除要咨詢環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的要求和訪問監(jiān)測數(shù)據(jù)內(nèi)容，還要與產(chǎn)生的區(qū)塊進(jìn)行交互，而且在區(qū)塊鏈上共享加密密鑰。

當(dāng)用戶請求訪問省級監(jiān)測部門的一組農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)并且通過智能合約協(xié)議時，在監(jiān)測系統(tǒng)區(qū)塊鏈上生成一個節(jié)點用戶，為此，節(jié)點分配一個新的區(qū)塊，節(jié)點用戶可以在任意時間查詢監(jiān)測數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測因子等參數(shù)指標(biāo)。同時，還可以由監(jiān)測設(shè)備所有者授權(quán)給其他用戶共享數(shù)據(jù)。由于節(jié)點用戶無法完全信任云服務(wù)平臺，因此，監(jiān)測數(shù)據(jù)的加密和存儲非常重要。監(jiān)測區(qū)塊鏈系統(tǒng)在不需要第三方數(shù)據(jù)代理商的信任下，通過節(jié)點用戶參與模式以及分布式記賬的方式來有效整合和共享監(jiān)測數(shù)據(jù)。因此，每個節(jié)點用戶所擁有的密鑰數(shù)據(jù)必須在上傳到云之前進(jìn)行加密[10]。首先，在區(qū)塊鏈的未知節(jié)點中生成密文，并在其中隨機分布。其次，為保證農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的安全性，須利用存儲密文位置信息分布來確定區(qū)塊鏈正在運行和維護(hù)的節(jié)點，節(jié)點的密文信息只能是保存了私鑰的授權(quán)用戶才能正常解密。

2 云平臺加密技術(shù)與智能合約的相關(guān)應(yīng)用

2.1 利用云服務(wù)器存儲加密監(jiān)測數(shù)據(jù)

云服務(wù)器提供者（省級監(jiān)測部門）需要對監(jiān)測設(shè)備接收的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性檢查及認(rèn)證，確定檢測是否完成。如果環(huán)境檢測數(shù)據(jù)是正確的，那么監(jiān)測數(shù)據(jù)將會存儲在服務(wù)器上，并在區(qū)塊節(jié)點上記錄有效地址信息，確保信息的安全有效。將需要保護(hù)的農(nóng)業(yè)生態(tài)及環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)通過NTRU算法進(jìn)行加密，把Hash值保存在區(qū)塊鏈中，防止監(jiān)測關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)被篡改，只有擁有密鑰才能通過數(shù)據(jù)訪問接口進(jìn)行用戶數(shù)據(jù)訪問，從而保護(hù)用戶隱私。由于Hash值可以防止數(shù)據(jù)篡改，并可作用于整個區(qū)塊鏈，當(dāng)農(nóng)業(yè)環(huán)境加密數(shù)據(jù)需要多個用戶來共享密鑰進(jìn)行解密，將密鑰進(jìn)行分發(fā)，并滿足最少用戶才能解密得到密文[11]。相關(guān)案例采用F、B模式分布的NTRU密鑰算法，先將私鑰分成F份，密鑰結(jié)構(gòu)為（FFL1,PL2,PKS）如果有訪問用戶想要對數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，那么至少需要多個訪問用戶一起來解密才能獲取到受保護(hù)數(shù)據(jù)。這樣，監(jiān)測數(shù)據(jù)不僅可以被用戶查詢，而且也可以由數(shù)據(jù)所有者授權(quán)給其他節(jié)點用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。

2.2 利用簽密代理多重加密技術(shù)以及智能合約實現(xiàn)云平臺加密

簽密代理多重加密是運行在云服務(wù)器端的一種加密軟件，它負(fù)責(zé)對采集農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的用戶身份進(jìn)行驗證以及完整性約束，并結(jié)合智能合約將監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲在云服務(wù)器上，然后在區(qū)塊中進(jìn)行部署。根據(jù)用戶提供的請求，簽密代理軟件首先會過濾監(jiān)測數(shù)據(jù)，然后對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行解密和重新加密，最后查找云服務(wù)器上的臨時位置并把多重加密的監(jiān)測結(jié)果存儲在其中。簽密代理與區(qū)塊鏈交互并以此來共享和獲取代理重新加密所需的相關(guān)信息[12]，這不僅可以實現(xiàn)基于區(qū)塊鏈代理重加密方案的關(guān)鍵細(xì)節(jié)，而且重新結(jié)合了智能合約相關(guān)協(xié)議并提出可應(yīng)用協(xié)議框架。

2.2.1 智能合約

智能合約是數(shù)字化的合約條款，可以被看作是一個能夠獨立執(zhí)行的程序或協(xié)議。智能合約是區(qū)塊鏈技術(shù)以及云存儲發(fā)展到一定程度的產(chǎn)物，同時，也成為訪問節(jié)點去中心化應(yīng)用的關(guān)鍵。

2.2.2 智能合約在農(nóng)業(yè)生態(tài)及環(huán)境監(jiān)控中的應(yīng)用

1）本文應(yīng)用了兩個智能合約。第一個智能合約整合了農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)請求和數(shù)據(jù)獲取安全性等功能。當(dāng)用戶請求數(shù)據(jù)時，觸發(fā)監(jiān)控傳感器運行，并動態(tài)實時創(chuàng)建下一個智能合約，產(chǎn)生檢測環(huán)境實體標(biāo)的共享地址。為保證環(huán)境監(jiān)測參數(shù)獲取的安全性，系統(tǒng)會使用標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)修飾符自動更新，檢查調(diào)用第一個智能合約函數(shù)的相關(guān)人員身份信息，而且僅允許他們進(jìn)行監(jiān)測采集樣本調(diào)用。

2）物聯(lián)網(wǎng)端監(jiān)測設(shè)備。農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測儀器通過管理數(shù)據(jù)監(jiān)測因子（氣體因子、水環(huán)境因子和土壤墑情因子）和區(qū)塊鏈賬戶角色，利用監(jiān)測終端在區(qū)塊鏈上執(zhí)行信息上傳和過濾[13]。應(yīng)用程序連接到監(jiān)測數(shù)據(jù)采集終端，通過采集數(shù)據(jù)樣本參數(shù)執(zhí)行加密功能，利用簽密代理重加密方案實現(xiàn)數(shù)據(jù)上載到云服務(wù)器。

3）用戶端應(yīng)用。根據(jù)所請求數(shù)據(jù)的用戶選擇選項，在運行時通過區(qū)塊部署新的智能合約。

3 結(jié)語

本文提出了一種結(jié)合農(nóng)業(yè)生態(tài)及環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)云共享方案的區(qū)塊鏈模式，這種共享方案發(fā)揮出了區(qū)塊鏈框架自身內(nèi)置自治屬性，而且充分利用了區(qū)塊鏈的分布式技術(shù)和存儲技術(shù)，針對農(nóng)業(yè)生態(tài)及環(huán)境監(jiān)測云端系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了重構(gòu)設(shè)計，利用監(jiān)測終端采集環(huán)境因子的特征值，通過智能合約平臺進(jìn)行過濾，并將過濾后的監(jiān)測數(shù)據(jù)執(zhí)行代理重加密導(dǎo)入?yún)^(qū)塊鏈?；趨^(qū)塊鏈的農(nóng)業(yè)生態(tài)及環(huán)境監(jiān)測采用多重加密的云服務(wù)與區(qū)塊鏈交互，以獲取和共享代理重新加密所需的監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，將農(nóng)業(yè)生態(tài)及環(huán)境監(jiān)測與云平臺監(jiān)管相結(jié)合，通過智能合約來實現(xiàn)去中心化的環(huán)境監(jiān)管與維護(hù)。

本文還設(shè)計了農(nóng)業(yè)生態(tài)及環(huán)境監(jiān)測區(qū)塊鏈存儲系統(tǒng)以及密鑰管理并提出了區(qū)塊鏈的農(nóng)業(yè)生態(tài)及環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲和保護(hù)方案。這種方式不僅非常適合當(dāng)?shù)貧庀蟛块T、水利部門以及農(nóng)業(yè)部門頻繁的進(jìn)行大量的管理操作和策略調(diào)整，而且還可以利用區(qū)塊鏈技術(shù)把當(dāng)前農(nóng)業(yè)生態(tài)及環(huán)境監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用在生態(tài)環(huán)境建設(shè)和發(fā)展工作中。