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    基于區(qū)塊鏈技術(shù)的異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)安全管理研究

    2022-11-25 12:01:25林明香曲強
    檔案管理 2022年6期
    關(guān)鍵詞:區(qū)塊鏈技術(shù)安全管理

    林明香 曲強

    摘 ?要:早期的檔案數(shù)據(jù)量有限,數(shù)據(jù)類型單一,安全問題較為簡單。隨著大數(shù)據(jù)盛行,檔案數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級增長,其安全管理問題日益復(fù)雜且緊迫。本文分析了現(xiàn)有的異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)現(xiàn)狀及存在的問題,分析了區(qū)塊鏈技術(shù)在異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)中的應(yīng)用,構(gòu)建異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)安全存儲模型及說明其實現(xiàn)路徑,并詳細分析區(qū)塊鏈技術(shù)對異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)場景應(yīng)用。

    關(guān)鍵詞:區(qū)塊鏈技術(shù); 異構(gòu)檔案數(shù)據(jù); 安全管理

    Abstract: The amount of archival data in the early days was limited, the data type was single, and the security problem was relatively simple. With the prevalence of big data, the volume of archival data has grown exponentially, and its security management issues have become increasingly complex and urgent. This paper analyzes the present situation and problems of existing heterogeneous archival data and the application of blockchain technology in heterogeneous archival data, constructs heterogeneous archive data security storage model and explains its implementation path, and finally illustrates the application of block chain technology to heterogeneous archive data in detail.

    Keywords: Blockchain technology; Heterogeneous archive data; Security management

    1 引言

    1.1 異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)的特點對安全管理的要求。對于檔案數(shù)據(jù)的概念,是仁者見仁智者見智。2021年,夏天、錢毅將檔案數(shù)據(jù)表述為“檔案數(shù)據(jù)指檔案機構(gòu)收集保存的各種數(shù)據(jù)形式的記錄,既包括電子檔案的內(nèi)容數(shù)據(jù)、傳統(tǒng)載體檔案的數(shù)字化副本,也包括管理和利用過程中產(chǎn)生的各類元數(shù)據(jù)”。[1]異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)是指由來自不同渠道、具有不同存儲格式、具有獨特數(shù)據(jù)特征的信息資源構(gòu)成的數(shù)據(jù)集合。[2]異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)包含五個方面的特點:第一,其計算機組成的異構(gòu)性。每臺計算機不同的物理特性決定了其不同的存儲體系架構(gòu)。第二,其操作系統(tǒng)的異構(gòu)性。操作系統(tǒng)如ios、Windows、MacOS X等,系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)來源多樣性,存在如何將其數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理的問題。第三,其數(shù)據(jù)格式的異構(gòu)性。不同的工具軟件和信息存儲平臺包含不同的數(shù)據(jù)格式,包括二維表格存儲數(shù)據(jù)、TXT、CXV、XLS等。第四,其數(shù)據(jù)存儲地點的異構(gòu)性。許多“三跨”科研項目或大集團的檔案數(shù)據(jù)來自全國甚至全世界分散保存和管理。第五,其數(shù)據(jù)邏輯模型的異構(gòu)性。目前各單位(企業(yè))的底層邏輯都大不相同,導(dǎo)致信息集成時的數(shù)據(jù)不一致等問題。

    1.2 當(dāng)前異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)安全管理現(xiàn)狀。關(guān)于異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)的安全管理研究,國內(nèi)外都有不同程度的研究,我們國內(nèi)尚處于探索階段,現(xiàn)有的研究主要集中在異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫整合、安全共享等方面。王雪萍(2012)從檔案異構(gòu)數(shù)據(jù)庫出發(fā),分析檔案異構(gòu)數(shù)據(jù)庫的特點、檔案異構(gòu)數(shù)據(jù)庫整合和服務(wù)集成的基本原則,其實現(xiàn)技術(shù)包含元搜索引擎技術(shù)、數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)。[3]王蘭成(2009)提到異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)異構(gòu)性、數(shù)據(jù)平臺的異構(gòu)性和語義的異構(gòu)性,并通過XML等技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成。[4]龍飛斐(2017)從多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的質(zhì)量角度展開探索,提出建立囊括系統(tǒng)開發(fā)、數(shù)據(jù)檢測、過程管理、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男畔⒓夹g(shù)保證體系。[5]以上三個共同點是均未提到運用區(qū)塊鏈技術(shù)。國外對區(qū)塊鏈技術(shù)在檔案領(lǐng)域的研究相對早一點,如加拿大學(xué)者Victoria Lemieux(2016)認為區(qū)塊鏈技術(shù)是一種文件檔案管理技術(shù),并分析了區(qū)塊鏈在電子文件準確性、可靠性、長期保存方面的作用,提出了將區(qū)塊鏈技術(shù)作為可信檔案保存的理論評估框架。[6-9]2016年英國政府發(fā)布了一份名為《分布式賬本技術(shù):超越區(qū)塊鏈》的報告,將區(qū)塊鏈列入英國國家戰(zhàn)略并分析將區(qū)塊鏈應(yīng)用到知識產(chǎn)權(quán)、金融等領(lǐng)域。[10]Lemieux(2017)等提出了一種新的數(shù)據(jù)模型,通過利用web原理和技術(shù)來記錄事務(wù)處理的過程,為日后判定數(shù)字檔案存取記錄真實性提供了便利性。[11]但國外對區(qū)塊鏈技術(shù)在異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)中的應(yīng)用也暫未體現(xiàn)。

    1.3 異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)安全管理存在的問題。異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)安全管理存在的問題主要表現(xiàn)在以下幾個方面:一是異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)庫缺乏安全風(fēng)險管控和等級管控;二是異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)信息孤島。三是異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)申請和共享利用等關(guān)鍵行為的可靠存證問題。四是異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)具有重要的憑證價值和參考價值,如何保證異構(gòu)數(shù)據(jù)存儲的唯一性和完整性。由于當(dāng)前檔案管理技術(shù)不完善,這對數(shù)字檔案管理的機密性提出了很高要求。

    2 區(qū)塊鏈技術(shù)在異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)管理中的適用性分析

    區(qū)塊鏈技術(shù)包含哈希運算、數(shù)字簽名、共識算法、智能合約、P2P網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)技術(shù)。這些技術(shù)相對成熟,具體應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

    2.1 區(qū)塊鏈用于異構(gòu)用戶身份和數(shù)據(jù)驗證。區(qū)塊鏈中的數(shù)字簽名技術(shù)能夠保證異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)的真實性、完整性和保密性驗證。在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的每個節(jié)點中都有公鑰和私鑰兩個不同的密碼。節(jié)點在發(fā)送交易時,首先利用私鑰對交易內(nèi)容進行簽名,在節(jié)點收到廣播后,先對交易中附加的數(shù)字簽名進行完整性校驗和消息發(fā)送者身份合法性校驗。[12]

    2.2 區(qū)塊鏈用于異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)的唯一性和備份管理。檔案數(shù)據(jù)形成者通過匯交節(jié)點電腦發(fā)出數(shù)據(jù)上鏈存證請求,系統(tǒng)依據(jù)共識算法,產(chǎn)生唯一的審核節(jié)點。審核節(jié)點將檔案數(shù)據(jù)運算成哈希數(shù)值,并連同時間戳、數(shù)字簽名打包成區(qū)塊廣播到全網(wǎng)絡(luò),為后臺機器運算提供基礎(chǔ),排除人工干預(yù),且存儲量小,方便成本控制。

    2.3 區(qū)塊鏈用于異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)的分布式存儲和防篡改。哈希算法是區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)技術(shù)之一,它能夠從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)層面保證區(qū)塊鏈上的檔案數(shù)據(jù)具有不可篡改特性。對異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)形成各個區(qū)塊,再通過哈希算法得到一個個哈希數(shù)值,這些哈希數(shù)值能唯一標識對應(yīng)的區(qū)塊,且哈希數(shù)值無法反推原來的內(nèi)容。如果要確認區(qū)塊是否被篡改,利用哈希算法重新計算一遍,對比哈希數(shù)值即可得出答案。這項技術(shù)的實現(xiàn),能夠清晰記錄每條數(shù)據(jù)產(chǎn)生、流通、保存、使用等全過程,有效保證了異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)的可追溯性、唯一性和完整性。

    2.4 區(qū)塊鏈加速異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)共享利用。區(qū)塊鏈中的信任機制主要通過智能合約相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)。智能合約是以數(shù)字形式定義的承諾,包括合約參與方可以在上面執(zhí)行這些承諾的協(xié)議。[13]通過區(qū)塊鏈和智能合約的有效配合,可以實現(xiàn)異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)有償使用及順暢交易。

    在區(qū)塊鏈中的P2P網(wǎng)絡(luò)中,所有交易及區(qū)塊的傳播并不要求發(fā)送者將消息發(fā)送給所有異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)節(jié)點,而是發(fā)給異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)附近節(jié)點,這些附近節(jié)點收到消息后會按照一定規(guī)則轉(zhuǎn)發(fā)到其附近節(jié)點,通過一傳十、十傳百的方式,將消息發(fā)送給所有節(jié)點。

    3 異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)安全存儲模型的建立

    3.1 異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)存儲方案。異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)存儲在一定的數(shù)據(jù)庫中,而事務(wù)日志是記錄操作人操作的日志,是數(shù)據(jù)庫的重要組件。通過抽取檔案數(shù)據(jù)庫事務(wù)日志及電子文件,針對不同的檔案數(shù)據(jù)尺寸設(shè)計數(shù)據(jù)粒度感知的安全存儲模型,并提出聯(lián)盟鏈、私有鏈和IPFS(InterPlanetary File System,星際網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng))集群相協(xié)同的數(shù)據(jù)存儲方案,實現(xiàn)異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)的安全存儲。

    互聯(lián)網(wǎng)建立在HTTP協(xié)議上,但HTTP是中心化管理,速度慢,效率低,成本高。因此出現(xiàn)了IPFS(星際網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)),它是一個分布式的web,點到點超媒體協(xié)議,目標在于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的永久存儲、清除網(wǎng)絡(luò)上的重復(fù)數(shù)據(jù),并獲取存儲在網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點上的數(shù)據(jù)地址。當(dāng)用戶上傳一份檔案數(shù)據(jù)到IPFS網(wǎng)絡(luò)時,會得到一個基于檔案數(shù)據(jù)內(nèi)容計算的哈希數(shù)值,若檔案數(shù)據(jù)內(nèi)容被修改,同時會改變檔案數(shù)據(jù)的哈希數(shù)值,因此哈希數(shù)值是檔案數(shù)據(jù)真實完整的重要保障。當(dāng)用戶從IPFS上下載檔案數(shù)據(jù)時,只需要提供檔案數(shù)據(jù)的哈希數(shù)值,IPFS會根據(jù)檔案數(shù)據(jù)的哈希數(shù)值從分布式哈希表中找到檔案數(shù)據(jù)存儲節(jié)點,并從該節(jié)點取回檔案數(shù)據(jù)且驗證后提供給用戶。

    3.2 異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)安全存儲模型的技術(shù)路徑。第一步,檔案數(shù)據(jù)的抽取。例如不同檔案館或同一個科研機構(gòu)會會設(shè)置多個外溢機構(gòu),孵化機構(gòu)。每個機構(gòu)都有各自獨立的檔案數(shù)據(jù)庫。在檔案數(shù)據(jù)庫完成內(nèi)容更新等操作后,新增的內(nèi)容會詳細地記錄到日志表或日志文件中。通過區(qū)塊鏈中間件在本地開啟監(jiān)聽程序,并與檔案數(shù)據(jù)庫建立客戶端連接,解析事務(wù)日志并抽取檔案數(shù)據(jù)。抽取的檔案數(shù)據(jù)包含兩個屬性:一是整體屬性即包含標題、標識、上傳用戶、所屬單位;二是原始文件屬性即版本、類型、哈希數(shù)值、存儲地址、原始數(shù)據(jù)解密密鑰、描述、更新時間。

    第二步,檔案數(shù)據(jù)加密及存儲。區(qū)塊鏈中間件使用密鑰對檔案數(shù)據(jù)庫操作日志進行非對稱加密,并將加密后的檔案數(shù)據(jù)存儲到私有區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)。對于新增檔案數(shù)據(jù)的操作,可以通過抽取解析日志中的存儲路徑,然后獲取檔案數(shù)據(jù)并存儲至IPFS網(wǎng)絡(luò)。

    第三步,檔案數(shù)據(jù)分布式存儲。按照尺寸和容量大小,將檔案數(shù)據(jù)分為大小粒度。將小粒度的檔案數(shù)據(jù)直接存儲至聯(lián)盟區(qū)塊鏈上,將大粒度的檔案數(shù)據(jù)分布式存儲至IPFS網(wǎng)絡(luò)。對于檔案數(shù)據(jù)尺寸和容量的考量,美國國家能源研究科學(xué)計算中心和太平洋西北國家實驗室分別做了一些研究,結(jié)果表明有一半左右的檔案數(shù)據(jù)小于64KB。

    模型由數(shù)據(jù)抽取模塊、事務(wù)日志存儲模塊和檔案數(shù)據(jù)存儲模塊組成,模型整體框架圖如圖1所示。

    圖1 三種類型區(qū)塊鏈實現(xiàn)路徑

    4 異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)安全管理應(yīng)用場景分析

    中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院(簡稱“深圳先進院”)是中國科學(xué)院、深圳市人民政府及香港中文大學(xué)三方共建的科研機構(gòu),同時下設(shè)多個外溢機構(gòu)和孵化機構(gòu)。深圳先進院主要產(chǎn)生以科研檔案為主的各類檔案,包含圖表、圖片、音視頻、仿真模型、科研數(shù)據(jù)等內(nèi)容。2016年,深圳先進院就開始探索應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)解決檔案數(shù)據(jù)共享難、追溯難及協(xié)同難等問題,并先后獲得了中國科學(xué)院檔案館、廣東省檔案局、國家檔案局等項目支持。深圳先進院試行以64KB為分界點,64KB以上存儲到聯(lián)盟區(qū)塊鏈上,64KB以下存儲至IPFS網(wǎng)絡(luò)中。

    4.1 用戶安全管理,是異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)安全管理的前提

    用戶安全管理包括用戶注冊、用戶信息審核、用戶信息修改、用戶信息存儲及注銷用戶。[14]異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)的用戶身份和權(quán)限設(shè)置,是開展異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)集成、協(xié)同共享等工作的前提。例如深圳先進院將本單位用戶的身份信息通過哈希生成唯一的加密后的數(shù)據(jù)存入?yún)^(qū)塊鏈中,外溢機構(gòu)不需要深圳先進院共享實際的用戶檔案數(shù)據(jù),只需要與其有關(guān)聯(lián)的用戶基本信息,通過哈希計算和區(qū)塊鏈查詢兩個步驟即可身份確認,由此建立快速的可信數(shù)字身份體系。用戶登錄過程中,需在系統(tǒng)輸入用戶ID和系統(tǒng)密鑰,客戶端立即比對輸入信息與區(qū)塊鏈中存儲信息的一致性,若是信息不匹配則顯示登錄失敗,進一步強化檔案數(shù)據(jù)安全。

    4.2 區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)共享平臺,是異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)安全管理的底層架構(gòu)。建設(shè)異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)共享平臺,把各機構(gòu)中結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的檔案數(shù)據(jù)集成一個大型數(shù)據(jù)庫。區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)共享平臺包括中間件客戶端、后臺服務(wù)、區(qū)塊鏈系統(tǒng)及IPFS星際文件系統(tǒng)。中間件客戶端面向檔案管理員,提供可視化的操作界面;后臺服務(wù)則用于支撐客戶端操作的反饋,同時對接本地數(shù)據(jù)庫、區(qū)塊鏈和IPFS系統(tǒng),是三者數(shù)據(jù)流通的樞紐;區(qū)塊鏈系統(tǒng)安全存儲檔案數(shù)據(jù);IPFS系統(tǒng)分布式存儲檔案數(shù)據(jù)。[15]

    4.3 檔案數(shù)據(jù)安全采集,是異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)安全管理的基礎(chǔ)??蒲腥藛T的科研過程分為四個階段,每個階段都產(chǎn)生相應(yīng)的檔案數(shù)據(jù)。尤其是“跨學(xué)科、跨領(lǐng)域、跨專業(yè)”項目資料多且來源主體多元。在檔案數(shù)據(jù)采集、存儲及利用過程中,需要采用數(shù)據(jù)溯源安全方式即在檔案數(shù)據(jù)中添加參數(shù)如加密密鑰、時間戳、校驗等控制權(quán)限,維護檔案數(shù)據(jù)主體權(quán)益并包含檔案數(shù)據(jù)安全。[16]另外,可通過反向查詢和標注的方式,多維度溯源檔案數(shù)據(jù)的真實性和有效性。例如在科研準備及立項階段,科研申請及批復(fù)時會產(chǎn)生申請書、可行性報告、課題調(diào)研、分析報告、開題報告及論證文件等。區(qū)塊鏈技術(shù)可以提供一整套追溯科研檔案數(shù)據(jù)來源的解決方案,從而實現(xiàn)科研數(shù)據(jù)的真實性認證。同時,區(qū)塊鏈技術(shù)可參與構(gòu)建一個分布式科研數(shù)據(jù)庫,建立科研數(shù)據(jù)審核機制,解決科研數(shù)據(jù)移交審核中的主觀性強,版本多樣性等問題。

    4.4 檔案數(shù)據(jù)分享和獲取,是異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)安全管理的目的。利用區(qū)塊鏈加密技術(shù)實現(xiàn)異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)分析和獲取,實現(xiàn)檔案數(shù)據(jù)的鏈上授權(quán),用戶無須借助其他渠道將授權(quán)信息發(fā)送給接收者,一定程度上保護了檔案數(shù)據(jù)授權(quán)安全,避免授權(quán)信息泄露,同時,檔案數(shù)據(jù)的分享和獲取操作行為在區(qū)塊鏈上有永久痕跡,區(qū)塊鏈的所有節(jié)點都是該數(shù)據(jù)的記錄者,記錄不可篡改,便于追溯。

    區(qū)塊鏈技術(shù)利用區(qū)塊形成哈希指針鏈存儲檔案數(shù)據(jù),[17]利用密碼學(xué)原理保障數(shù)據(jù)存儲及傳輸安全,利用共識算法及加密算法避免數(shù)據(jù)偽造或篡改,這些安全特點對異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)意義重大。主要體現(xiàn)在以下幾個方面:首先,區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用打破了異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象,提高了數(shù)據(jù)的流通效率;其次,其所有信息都是經(jīng)過多方共識、可信的、不可篡改的,簡化了傳統(tǒng)檔案數(shù)據(jù)利用中冗長的數(shù)據(jù)審查、確認等工作,使得檔案數(shù)據(jù)利用成本大幅減少。區(qū)塊鏈的應(yīng)用也在一定程度上優(yōu)化業(yè)務(wù)工作流程,減少操作步驟和人員投入,提高工作效率。最后,通過智能合約可實現(xiàn)對異構(gòu)檔案數(shù)據(jù)共享的監(jiān)管,交易記錄透明監(jiān)管,能實時查看交易合規(guī)檢查和真實性甄別。

    雖然區(qū)塊鏈技術(shù)備受人們青睞,但是并不意味著區(qū)塊鏈技術(shù)無所不能,例如區(qū)塊鏈技術(shù)與異構(gòu)的源頭數(shù)據(jù)的真實性和準確性無關(guān),對于同一個內(nèi)容的數(shù)據(jù),誰第一次上傳到鏈上,系統(tǒng)/平臺就會判定版權(quán)屬于誰,[18]其邏輯是否清晰、內(nèi)容是否屬實,系統(tǒng)/平臺是否可靠等方面存在局限性,需要我們足夠重視。

    *本文系國家檔案局科技項目“面向檔案系統(tǒng)的區(qū)塊鏈中間件構(gòu)建研究”(編號:2020-X-10)的科研成果之一。

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    (作者單位:林明香 中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院;曲強 中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院,華為云區(qū)塊鏈實驗室華為技術(shù)有限公司 來稿日期:2022-08-03)

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