基于橢圓曲線加密算法的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)隱私保護(hù)方案

馮云霞，王西賢

（青島科技大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266061）

0 引言

隨著各種技術(shù)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算以及物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）等創(chuàng)新理念的興起，也隨即將現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)提升到一個(gè)新的高度［1］。在此情況下，工廠借助傳統(tǒng)工業(yè)平臺(tái)和新型的技術(shù)，進(jìn)行深度的融合與集成，強(qiáng)化在工業(yè)終端方面的互聯(lián)互通，打造工業(yè)領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)泛在感知條件下的智能化制造，最大化地提升行業(yè)生產(chǎn)效率，這就是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（Industrial Internet of Things，IIoT）。通過(guò)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，工廠中不同類型的工業(yè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)集群交互，打破了數(shù)據(jù)孤島，使得數(shù)據(jù)不再是獨(dú)立的。通過(guò)數(shù)據(jù)之間的碰撞與融合，推動(dòng)制造過(guò)程的智能化、網(wǎng)絡(luò)化轉(zhuǎn)型升級(jí)［2］。

通過(guò)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，工業(yè)已進(jìn)入蓬勃發(fā)展時(shí)期。然而，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加，傳統(tǒng)的云服務(wù)平臺(tái)下的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)不能為如此龐大的系統(tǒng)提供有效的支持。一方面，在平臺(tái)上共享數(shù)據(jù)將消耗大量帶寬資源，導(dǎo)致數(shù)據(jù)共享成本增加。另一方面，平臺(tái)上的數(shù)據(jù)在傳輸工程中也很容易被泄露，由于工業(yè)數(shù)據(jù)的高敏感性，數(shù)據(jù)泄露的后果極其嚴(yán)重。此外還會(huì)看到，共享數(shù)據(jù)應(yīng)是易于驗(yàn)證的，以防止重要數(shù)據(jù)被篡改，這是傳統(tǒng)的云服務(wù)平臺(tái)無(wú)法保證的。

因此，研究擬在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中引入了區(qū)塊鏈架構(gòu)，這是一種新興的分布式網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案，以重塑傳統(tǒng)的云平臺(tái)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)。區(qū)塊鏈技術(shù)是比特幣的底層技術(shù)之一，會(huì)生成多個(gè)相鏈接的數(shù)據(jù)塊，其中每個(gè)里面都包含重要信息，以驗(yàn)證其有效性，并生成下一個(gè)數(shù)據(jù)塊。區(qū)塊鏈作為一個(gè)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，具有不可篡改、隱私保護(hù)和去中心化等特點(diǎn)［3］，有助于建立安全的數(shù)據(jù)共享機(jī)制，區(qū)塊鏈具有實(shí)現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的工業(yè)大數(shù)據(jù)安全數(shù)據(jù)共享的潛力。

本文提出了一個(gè)基于橢圓曲線加密算法的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)隱私保護(hù)方案，該方案基于以太網(wǎng)聯(lián)盟鏈的數(shù)據(jù)共享框架，通過(guò)智能合約對(duì)用戶進(jìn)行管理以及業(yè)務(wù)邏輯的監(jiān)督，并通過(guò)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)為數(shù)據(jù)共享做準(zhǔn)備。為了確保數(shù)據(jù)在鏈上傳輸?shù)陌踩?，采用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)的隱私保護(hù)方法來(lái)加密數(shù)據(jù)，利用一次性橢圓曲線加密算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，從而切實(shí)保障了數(shù)據(jù)傳輸中的數(shù)據(jù)隱私。

1 相關(guān)工作

數(shù)據(jù)作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心要素，從最開(kāi)始的終端收集到存儲(chǔ)以及后續(xù)的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)都面臨著風(fēng)險(xiǎn)，尤其是在傳輸?shù)倪^(guò)程中，保證數(shù)據(jù)不致泄露、被篡改是至關(guān)重要的。目前，陸續(xù)提出了多種關(guān)于在區(qū)塊鏈架構(gòu)下數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中保障數(shù)據(jù)隱私安全的技術(shù)方案。

區(qū)塊鏈作為一種新興的技術(shù)，將密碼學(xué)、共識(shí)機(jī)制、分布式存儲(chǔ)融合在一起，是一種不可更改、不可偽造的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，有著去中心化、防篡改、可溯源等工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)安全所需要的特點(diǎn)［4］。在加密貨幣零幣［5］中，使用傳統(tǒng)的加密方式來(lái)對(duì)交易內(nèi)容進(jìn)行隱藏，在不泄露任何交易內(nèi)容的前提下，只有發(fā)送方和接收方獲知交易金額，其它任何人無(wú)法得知具體的交易面額。Linder［6］提出了一套數(shù)據(jù)解密密鑰管理系統(tǒng)，采用加密的智能合約，通過(guò)公私鑰方式保護(hù)公共隱私文件。Gai 等人［7］提出了一種將物聯(lián)網(wǎng)與邊緣計(jì)算和區(qū)塊鏈相結(jié)合的新方法，即基于區(qū)塊鏈的邊緣互聯(lián)網(wǎng)（BIoE）模型。充分利用邊緣計(jì)算、差分隱私保護(hù)和區(qū)塊鏈的優(yōu)勢(shì)建立隱私保護(hù)機(jī)制，提出的模型以節(jié)能的方式在不降低性能的情況下提高了隱私保護(hù)。Prajapati 等人［8］提出了生成多個(gè)密鑰的關(guān)鍵塊鏈接方法，生產(chǎn)密鑰塊用于單個(gè)明文塊的加密。Hammi 等人［9］擴(kuò)展了一次性密碼（One Time Password，OTP）的概念，并用其來(lái)生成一個(gè)新的密鑰，用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和服務(wù)器之間的每次交換，提出了一種基于橢圓曲線密碼（Elliptic Curve Cryptography，ECC）的OTP 生成方法，以確保物聯(lián)網(wǎng)的安全性。

2 數(shù)據(jù)隱私保護(hù)方案概述

在前文研究論述基礎(chǔ)上，本文提出了一種適用于區(qū)塊鏈架構(gòu)下工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)隱私保護(hù)方案。首先指出區(qū)塊鏈架構(gòu)下工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的交換方式，根據(jù)實(shí)際情況，利用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)隱私保護(hù)方法、即數(shù)據(jù)加密來(lái)保護(hù)數(shù)據(jù)隱私安全，然后根據(jù)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)操作頻繁等特點(diǎn)，采用一次性密碼生成加密密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，并結(jié)合區(qū)塊鏈特點(diǎn)，構(gòu)建區(qū)塊鏈架構(gòu)下適用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)隱私保護(hù)方案。最后給出方案設(shè)計(jì)及安全性分析。

2.1 面臨的挑戰(zhàn)

對(duì)于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)隱私保護(hù)方案需要解決以下3 個(gè)問(wèn)題。一是節(jié)點(diǎn)之間的身份確認(rèn)，二是節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的保護(hù)，三是節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的完整性驗(yàn)證。對(duì)此可做闡釋論述如下。

（1）對(duì)于節(jié)點(diǎn)之間的身份確認(rèn)問(wèn)題。區(qū)塊鏈作為一個(gè)去中心化的平臺(tái)可以通過(guò)智能合約得到解決。在聯(lián)盟鏈的架構(gòu)下，用戶想要加入鏈內(nèi)、訪問(wèn)信息，需要經(jīng)過(guò)聯(lián)盟鏈中管理員的許可，這樣就在一定程度上確保了節(jié)點(diǎn)的身份。

（2）對(duì)于數(shù)據(jù)保護(hù)問(wèn)題。常用的加密技術(shù)有2種，即對(duì)稱加密算法和非對(duì)稱加密算法［10］。在對(duì)稱加密算法中，由于對(duì)明文的加密和密文解密使用相同的密鑰，因此要保證密鑰傳輸?shù)陌踩_保密鑰不被泄露。而在非對(duì)稱加密算法中，采用公鑰加密、私鑰解密的方式，公鑰公開(kāi)、私鑰保密，無(wú)需像對(duì)稱加密一樣保證密鑰安全傳輸。在這種情況下，加密和解密使用的密鑰并不相同，在數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境不太信任的情況下具有較大的安全優(yōu)勢(shì)，與對(duì)稱加密相比，非對(duì)稱加密可以較好地保證私鑰的安全，確保數(shù)據(jù)不被泄露。

但是，一直使用相同的密鑰可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的安全問(wèn)題。為了應(yīng)對(duì)這一安全風(fēng)險(xiǎn)，本文再次將OTP 的概念拓展開(kāi)來(lái)。在每次進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸前由數(shù)據(jù)接收者生成一個(gè)新的密鑰，發(fā)送給數(shù)據(jù)發(fā)送者，讓數(shù)據(jù)發(fā)送者用于本次兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸。

（3）對(duì)于數(shù)據(jù)的完整性驗(yàn)證。安全哈希算法是一種迭代的、單向的哈希函數(shù)，可以將消息通過(guò)處理生成稱為消息摘要的一種壓縮算法［11］。這種算法可以確定消息的完整性，并且對(duì)消息的任何更改都將極有可能生成不同的消息摘要。

安全哈希算法有很多種，輸出的結(jié)果稱為消息摘要。消息摘要的長(zhǎng)度從160～512 位不等，具體取決于所采用的算法。安全哈希算法通常與其他加密算法一起使用，例如數(shù)字簽名算法和鍵控哈希消息驗(yàn)證碼，或者在隨機(jī)數(shù)的生成中使用。哈希算法之所以被稱為安全算法，是因?yàn)閷?duì)于給定的算法來(lái)說(shuō)，在計(jì)算上是不可行的：

（1）找到與給定消息摘要相對(duì)應(yīng)的消息。

（2）找到產(chǎn)生相同消息摘要的2 個(gè)不同消息。

對(duì)消息的任何更改都極有可能產(chǎn)生不同的消息摘要。其中，SHA-256 算法由于在散列或消息摘要大小期間使用的塊和數(shù)據(jù)字的大小方面有著強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，因此采用SHA-256 算法。

2.2 數(shù)據(jù)隱私方案概述

在本方案中，數(shù)據(jù)發(fā)送者與數(shù)據(jù)接收者均屬于聯(lián)盟鏈成員，數(shù)據(jù)接收者向數(shù)據(jù)發(fā)送者共享一個(gè)一次性密碼的公鑰，數(shù)據(jù)發(fā)送者收到后對(duì)數(shù)據(jù)加密得到密文和摘要，再將摘要發(fā)送給數(shù)據(jù)接收者。這樣就完成了一次安全的數(shù)據(jù)共享。

該方案可以分為4 個(gè)主要階段，依次為：一次性密鑰生成、密鑰獲取及數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收與驗(yàn)證，整個(gè)數(shù)據(jù)隱私方案的設(shè)計(jì)流程如圖1 所示。數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)發(fā)送者到數(shù)據(jù)接收者之間的轉(zhuǎn)移流程擬展開(kāi)研究分述如下。

圖1 數(shù)據(jù)隱私方案流程圖Fig. 1 Flow chart of data privacy scheme

（1）一次性密鑰生成階段：數(shù)據(jù)接收者在本地生成一個(gè)一次性的公私鑰對(duì)，該公私鑰對(duì)由橢圓曲線加密算法生成。橢圓曲線加密算法相比于RSA和DSA 算法速度更快，存儲(chǔ)空間占用小，帶寬要求低，安全性高。通過(guò)這樣一個(gè)一次性的公私鑰對(duì)可以有效提高數(shù)據(jù)的安全性。公鑰可以直接通過(guò)智能合約發(fā)送給數(shù)據(jù)發(fā)送者，無(wú)需做過(guò)多的防護(hù)。

（2）密鑰獲取及數(shù)據(jù)加密階段：數(shù)據(jù)發(fā)送者在接收到公鑰后對(duì)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密得到密文；再將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行哈希計(jì)算得到一個(gè)摘要。

（3）數(shù)據(jù)發(fā)送階段：將（2）中所得的密文和摘要發(fā)送給數(shù)據(jù)接收者。

（4）數(shù)據(jù)接收與驗(yàn)證階段：數(shù)據(jù)接收者在收到密文和摘要后，先用私鑰對(duì)密文進(jìn)行解密，得到明文，再將明文進(jìn)行哈希計(jì)算得到摘要與收到的摘要做對(duì)比，若相等，則證明數(shù)據(jù)完整，安全可信。

3 數(shù)據(jù)隱私保護(hù)方案實(shí)現(xiàn)

3.1 算法實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上文的描述可以得知，數(shù)據(jù)隱私方案主要包含4 個(gè)算法。算法中，secp256k1 曲線的參數(shù)如下：E代表橢圓曲線secp256k1，其有限域?yàn)镕（p）。G是曲線E的循環(huán)子群，生成元是P，其階是n。這里可給出重點(diǎn)論述如下。

（1）一次性密鑰生成算法：數(shù)據(jù)接收者在本地生成一個(gè)一次性的公私鑰對(duì)，該公私鑰對(duì)由secp256k1 曲線生成。在給定的曲線secp256k1 上，隨機(jī)輸入一個(gè)合法私鑰d，d∈[1，n -1]，此時(shí)將輸出：

（2）橢圓曲線加密算法：數(shù)據(jù)發(fā)送者在接收到公鑰K后對(duì)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)M進(jìn)行加密得到密文C；選取隨機(jī)數(shù)r，r∈[1，n -1]，具體可經(jīng)由如下公式進(jìn)行計(jì)算：

則密文C就是(c1，c2) 。

（3）橢圓曲線解密算法：數(shù)據(jù)接收者在收到密文(c1，c2) 后，用私鑰對(duì)密文進(jìn)行解密，得到明文，推得的公式可寫為：

（4）SHA-256 安全哈希函數(shù)算法：數(shù)據(jù)發(fā)送者對(duì)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行哈希計(jì)算；數(shù)據(jù)接收者對(duì)解密后的明文也要進(jìn)行哈希計(jì)算。將數(shù)據(jù)輸入后，經(jīng)過(guò)預(yù)處理和哈希計(jì)算兩個(gè)階段后輸出256 位的消息摘要。

3.2 智能合約的實(shí)現(xiàn)

該方案的實(shí)現(xiàn)需要通過(guò)智能合約來(lái)對(duì)業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行管理。數(shù)據(jù)接收者將公鑰上傳的同時(shí)要包含數(shù)據(jù)發(fā)送者的地址，這樣數(shù)據(jù)發(fā)送者便能根據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送者自己的地址查詢到加密公鑰；同理，數(shù)據(jù)發(fā)送者在上傳數(shù)據(jù)的時(shí)候也要加上數(shù)據(jù)接收者的地址，以便數(shù)據(jù)接收者根據(jù)自己的地址和加密公鑰查詢到數(shù)據(jù)。這都需要智能合約進(jìn)行管理。

合約的目的是管理數(shù)據(jù)共享者與數(shù)據(jù)接收者，該合約針對(duì)不同的主體：數(shù)據(jù)發(fā)送者和數(shù)據(jù)接收者，各有2 個(gè)功能函數(shù)，具體見(jiàn)表1。

表1 數(shù)據(jù)分享合約中函數(shù)功能說(shuō)明表Tab.1 Functions description table in the data sharing contract

其中，addpk，getdatapack是數(shù)據(jù)接收者所調(diào)用的函數(shù)；addatapack，getpk則是數(shù)據(jù)發(fā)送者所調(diào)用的函數(shù)。數(shù)據(jù)發(fā)送者和數(shù)據(jù)接收者指的是在一次數(shù)據(jù)分享中的2 個(gè)用戶之間，而并不是一個(gè)用戶只能是數(shù)據(jù)接收者或只能是數(shù)據(jù)發(fā)送者，二者并不是一成不變的。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

本文的實(shí)驗(yàn)環(huán)境如下：在Windows 10 的操作系統(tǒng)下，在Ubuntu 虛擬機(jī)中使用FISCO BCOS 企業(yè)級(jí)金融聯(lián)盟鏈底層平臺(tái)和微眾銀行開(kāi)源的自研區(qū)塊鏈中間件平臺(tái)WeBASE 平臺(tái)，在本地搭建起一個(gè)聯(lián)盟鏈，通過(guò)solidity 語(yǔ)言來(lái)編寫智能合約，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證方案的可行性。在實(shí)驗(yàn)中將模擬數(shù)據(jù)接收者從生成一次性密鑰直至接收到密文的哈希驗(yàn)證階段，并在最后給出了方案的安全性分析。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將本地聯(lián)盟鏈啟動(dòng)，啟動(dòng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)做好準(zhǔn)備工作，再將數(shù)據(jù)隱私保護(hù)方案所需智能合約進(jìn)行上鏈部署，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分享。在數(shù)據(jù)接收者上傳了公鑰、數(shù)據(jù)發(fā)送者接收了公鑰、并上傳數(shù)據(jù)后，進(jìn)行查詢。對(duì)預(yù)期結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別做出解析概述如下。

（1）預(yù)期結(jié)果：根據(jù)加密公鑰和數(shù)據(jù)接收者地址信息查詢到數(shù)據(jù)。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果：返回?cái)?shù)據(jù)發(fā)送者上傳的數(shù)據(jù)。如圖2 所示。圖2 中顯示的是查詢結(jié)果。根據(jù)圖2中的交易回執(zhí)，message：“Success”說(shuō)明合約正常執(zhí)行，通過(guò)查詢，返回一個(gè)output，可以獲得一個(gè)密文及一個(gè)摘要。其中，content 為加密后的明文，zhaiyao則是明文通過(guò)哈希計(jì)算的值。

圖2 數(shù)據(jù)查詢回執(zhí)Fig. 2 Data query receipt

下一步進(jìn)行密文解密，輸入加密公鑰和與之對(duì)應(yīng)的私鑰、以及密文，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解密。對(duì)得到的明文進(jìn)行哈希計(jì)算，得到摘要，與收到的zhaiyao 相對(duì)比。對(duì)預(yù)期結(jié)果和得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果將分別給出評(píng)析綜述如下。

（1）預(yù)期結(jié)果：密文解密后得到明文，對(duì)明文的哈希計(jì)算結(jié)果與收到的zhaiyao 相同。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果：實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4 所示。哈希值對(duì)比詳見(jiàn)表2。

圖3 密文解密Fig. 3 Decryption of ciphertext

圖4 明文的哈希計(jì)算結(jié)果Fig. 4 Hash calculation result of plaintext

表2 哈希值對(duì)比Tab.2 Hash value comparison

通過(guò)表2 可以發(fā)現(xiàn)，在對(duì)解密后明文進(jìn)行哈希計(jì)算后所得結(jié)果值與收到的摘要相等，說(shuō)明數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)發(fā)送者到數(shù)據(jù)接收者是一樣的，數(shù)據(jù)是完整的。

假設(shè)其他節(jié)點(diǎn)從數(shù)據(jù)發(fā)送者到數(shù)據(jù)接收者之間的通信中收集到加密公鑰P和密文C，然后試圖從密文C中獲得消息M。但是要想解密密文C必須要知道私鑰d，P ＝d*G，這種攻擊是不可能的，因?yàn)楣粽咝枰鎸?duì)橢圓曲線離散對(duì)數(shù)的困難。因此，第三方攻擊并不適用于所提議的方案。

其他節(jié)點(diǎn)雖然在知道公鑰和數(shù)據(jù)接收者地址的情況下也可獲得密文，但因?yàn)椴恢浪借€將無(wú)法解密密文，就不能得知數(shù)據(jù)，防止了數(shù)據(jù)的泄露。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的隱私保護(hù)可以有效提高工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的安全，加快工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，但該方案還是有著較大的局限性，只能用于保護(hù)數(shù)據(jù)的隱私，對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬煞經(jīng)]有進(jìn)行保護(hù)，這在某些情況下也是不安全的。下一步的工作是繼續(xù)深入研究，在確保數(shù)據(jù)隱私安全的情況下保護(hù)用戶身份的隱私。