基于分布式區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)安全保障技術(shù)研究

趙欽，蔡杰杰，蔡耀君，周飛，彭新永

（廣西壯族自治區(qū)信息中心，廣西 南寧 530200）

近年來，區(qū)塊鏈技術(shù)因其較高的安全性與不可篡改的特性，逐漸得到越來越多的重視及應(yīng)用[1-3]。該技術(shù)由比特幣的概念衍生而來，比特幣是由中本聰于2008 年所提出的，最初被用作基于點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)支撐的數(shù)字貨幣。在比特幣流行的過程中，逐步融合了分布式存儲、P2P 架構(gòu)（Peer-To-Peer）和共識算法的區(qū)塊鏈技術(shù)成為各國政府與企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)之一，并將其應(yīng)用于其他領(lǐng)域中[4-9]。自2016 年起，在大數(shù)據(jù)時代背景下，我國中央機(jī)構(gòu)便多次強(qiáng)調(diào)信息整合的重要性，尤其是加強(qiáng)數(shù)據(jù)安全共享管理[10-11]。傳統(tǒng)保障數(shù)據(jù)共享安全的方法為線下傳輸數(shù)據(jù)，但隨著數(shù)據(jù)量的迅速增長，該方式已無法滿足實(shí)時分享的要求，且容易因人為失誤而造成數(shù)據(jù)的丟失。更嚴(yán)重的是，其難以對數(shù)據(jù)傳輸過程進(jìn)行全程監(jiān)管，數(shù)據(jù)的流向則更不易被追蹤。針對上述問題，由于區(qū)塊鏈技術(shù)具有去中心化、防篡改與可審計的特點(diǎn)，越來越多的學(xué)者開始將其應(yīng)用于數(shù)據(jù)共享研究中。2020 年，國家發(fā)展和改革委員會將區(qū)塊鏈技術(shù)納入新基建范疇，這意味著該技術(shù)成為新一輪數(shù)字經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要基石[12-13]。

該文針對數(shù)據(jù)共享過程中的安全性與“信息孤島”問題，基于分布式區(qū)塊鏈技術(shù)提出了一種數(shù)據(jù)安全保障技術(shù)。該技術(shù)通過對數(shù)據(jù)安全管理及對請求用戶的訪問進(jìn)行控制，從而提高了數(shù)據(jù)共享過程中的安全性。

1 框架設(shè)計

現(xiàn)階段基于區(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)據(jù)安全保障技術(shù)已取得諸多重要成果，然而在進(jìn)行數(shù)據(jù)共享時，仍存在較多問題：

1）區(qū)塊鏈存儲數(shù)據(jù)的容量有限，無法滿足日益增長的海量數(shù)據(jù)儲存；

2）集中式存儲由于形態(tài)固定、抗災(zāi)能力弱及維護(hù)成本較高等弊端，無法作為補(bǔ)充儲存方式；

3）在進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)充時，缺乏對數(shù)據(jù)本身機(jī)密性的安全保護(hù)措施；

4）在數(shù)據(jù)共享時，數(shù)據(jù)分享者需保持較高的系統(tǒng)檢查頻率來滿足共享請求的及時響應(yīng)，由此造成了較高的成本。

針對上述問題，該文展開了基于分布式區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)安全保障技術(shù)研究，形成分布式數(shù)據(jù)安全的共享方案[14-16]。數(shù)據(jù)安全保障技術(shù)可分為兩個部分：分布式數(shù)據(jù)安全存儲模型與分散管理細(xì)粒度動態(tài)訪問控制模型。在分布式數(shù)據(jù)安全存儲模型中，區(qū)塊鏈補(bǔ)充數(shù)據(jù)存儲在具有分布式特點(diǎn)的IPFS（Inter Planetary File System）中，其通過哈希尋址的方式來進(jìn)行查詢，并利用對稱加密（Symmetric-key Algorithm）的方式避免數(shù)據(jù)泄露。在此過程中，為了增強(qiáng)數(shù)據(jù)加密對稱密匙與數(shù)據(jù)存儲地址的安全性，該文采用了分散式密文策略屬性基加密，來阻擋由于用戶身份以及屬性管理權(quán)限過度集中所引起的數(shù)據(jù)安全隱患。

該文所提出的基于分布式區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)安全保證技術(shù)框架如圖1 所示，根據(jù)功能其可分為分布式數(shù)據(jù)管理和訪問控制兩個部分。其中，數(shù)據(jù)存儲層用于用戶數(shù)據(jù)的存儲，其為共享數(shù)據(jù)提供安全的存儲空間?？紤]到數(shù)據(jù)共享時的安全性，使用IPFS 星際文件系統(tǒng)存儲用戶的分布式數(shù)據(jù)。而區(qū)塊鏈引擎層為用戶接入層與數(shù)據(jù)存儲層二者間的連接，其是用戶各類重要信息存儲、操作及審計的執(zhí)行者。用戶接入層則提供了該模型主要的功能接口，主要有訪問控制和數(shù)據(jù)管理兩個模塊。

圖1 數(shù)據(jù)安全保障技術(shù)框架

該文用于數(shù)據(jù)安全保障技術(shù)的分布式區(qū)塊鏈基本單元為區(qū)塊，其由區(qū)塊頭及區(qū)塊體組成，具體如圖2 所示。

2 數(shù)據(jù)安全保障技術(shù)

2.1 分布式數(shù)據(jù)安全存儲管理

在進(jìn)行數(shù)據(jù)共享時，參與主體主要有兩類：數(shù)據(jù)提供者與數(shù)據(jù)請求者。該次使用區(qū)塊鏈、智能合約及IPFS 技術(shù)來實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈鏈上數(shù)據(jù)及鏈下數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，及保障整個共享過程的安全性。

IPFS 是星際文件系統(tǒng)的簡稱，與HTTP 協(xié)議不同的是，其是分布式、點(diǎn)對點(diǎn)的超媒體協(xié)議。IPFS 基于內(nèi)容尋址的存儲方式，使得相同內(nèi)容的信息不會被重復(fù)存儲；其去中心化的內(nèi)容分布，使得用戶能夠在分散的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)下獲得數(shù)據(jù)，避免了較多網(wǎng)絡(luò)訪問引發(fā)的網(wǎng)絡(luò)擁堵。IPFS 的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 IPFS結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)共享過程主要分為兩步：數(shù)據(jù)提供者上傳相關(guān)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)請求者下發(fā)請求，具體步驟如下：

1）數(shù)據(jù)提供者利用對稱密匙將數(shù)據(jù)加密處理；

2）數(shù)據(jù)提供者將待共享的數(shù)據(jù)存儲在IPFS 中，并保存該存儲地址；

3）數(shù)據(jù)提供者利用訪問控制單元為對稱密匙加密；

4）數(shù)據(jù)提供者通過數(shù)據(jù)管理合約，并將數(shù)據(jù)儲存的相關(guān)信息保存至鏈狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中；

5）數(shù)據(jù)請求者通過調(diào)用數(shù)據(jù)列表，在所有數(shù)據(jù)中定位所需數(shù)據(jù)的位置；

6）數(shù)據(jù)請求者向訪問控制單元發(fā)出申請，經(jīng)審核后得到相關(guān)數(shù)據(jù)存儲地址及解密密匙；

7）數(shù)據(jù)請求者下載相關(guān)數(shù)據(jù)，并利用解密后的對稱密匙對數(shù)據(jù)進(jìn)行解密。

在上述過程中，對原始數(shù)據(jù)的加密可用下式表示：

其中，D代表原始數(shù)據(jù)；K為對稱密匙；Dc為經(jīng)過對稱密匙加密后的數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)提供者通過構(gòu)建策略樹T，并利用屬性權(quán)限公匙PK和全局參數(shù)GP將對稱密匙K加密，得到加密后的對稱密匙CI。在數(shù)據(jù)管理合約注冊后，數(shù)據(jù)才能被存儲在區(qū)塊鏈中。注冊需要元信息數(shù)據(jù)名稱Ndata，數(shù)據(jù)關(guān)鍵詞KW，密文請求訪問策略req，加密后的對稱密匙CI，這些信息構(gòu)成了元信息集合MI，如下所示：

數(shù)據(jù)請求者通過在數(shù)據(jù)管理合約中查找所需數(shù)據(jù)的元信息，來確定目標(biāo)數(shù)據(jù)是否存在。同時獲取加密的對稱密匙CI，并向?qū)傩詸C(jī)構(gòu)請求用戶模式UK，再將二者與GP結(jié)合便可得到數(shù)據(jù)的對稱密匙K，具體過程如下：

2.2 基于區(qū)塊鏈的分布式細(xì)粒度訪問控制

上文對分布式數(shù)據(jù)共享管理進(jìn)行了探究，為了加強(qiáng)對稱密匙與數(shù)據(jù)信息在共享時的安全性，該文使用智能合約來實(shí)現(xiàn)基于屬性的細(xì)粒度訪問控制。同時，增加數(shù)據(jù)提供者的訪問控制動態(tài)權(quán)限許可判斷能力。基于屬性的細(xì)粒度動態(tài)訪問控制機(jī)制流程如圖4 所示。

圖4 細(xì)粒度動態(tài)訪問控制機(jī)制流程

該文提出的基于屬性的細(xì)粒度動態(tài)訪問控制機(jī)制主要涉及四個階段：屬性集初始化階段、密文發(fā)布階段、數(shù)據(jù)請求階段及數(shù)據(jù)解密階段。其中，在屬性集初始化階段，屬性授權(quán)機(jī)構(gòu)給屬性集中的每一個屬性i兩個隨機(jī)指數(shù)a、b，并將全局參數(shù)GP與屬性空間U結(jié)合，得到權(quán)限密匙SK及權(quán)限公匙PK，具體如下所示：

在密文發(fā)布階段，策略制定者通過策略樹得到權(quán)限矩陣、全局參數(shù)GP和權(quán)限公匙，由此對目標(biāo)信息進(jìn)行加密。

在受控請求階段，數(shù)據(jù)請求者在查詢、定位到目標(biāo)數(shù)據(jù)后，通過向數(shù)據(jù)管理合約發(fā)出請求來獲取加密信息CT；數(shù)據(jù)請求合約調(diào)用動態(tài)訪問策略DP對數(shù)據(jù)請求者部分動態(tài)屬性進(jìn)行權(quán)限判定。ATT為所有請求者的屬性集合；而att為某一時刻數(shù)據(jù)請求者當(dāng)下的動態(tài)屬性，二者間的聯(lián)系可表示為：

若動態(tài)屬性的判定結(jié)果為can-pass，即通過了密文請求檢驗(yàn)，則數(shù)據(jù)請求合約向數(shù)據(jù)請求者發(fā)放系統(tǒng)密文CT。然后，數(shù)據(jù)請求者可向?qū)傩詸C(jī)構(gòu)申請用戶密匙與相關(guān)信息，并用于密文的解密。

3 測試與驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述方案的可行性及有效性，進(jìn)行了性能測試。該測試涉及區(qū)塊鏈查詢、屬性加解密與IPFS 上傳下載功能，分別就消耗時間與傳輸速率進(jìn)行性能評估。

在硬件環(huán)境配置上，使用了四臺服務(wù)器作為區(qū)塊鏈引擎，均為64 位16 GB 內(nèi)存、雙核Intel Core i7的處理器和1 TB 機(jī)械硬盤，開發(fā)語言環(huán)境為Golang 1.11。另使用兩臺筆記本電腦作為用戶端，且電腦配置相同：內(nèi)存容量為16 GB，操作系統(tǒng)為Windows7 64 位。處理器為Intel Core i7-8550U，開發(fā)語言環(huán)境為Java 1.8。

性能測試使用的數(shù)據(jù)來自Centers for Disease Control and Prevention 的數(shù)據(jù)集。在進(jìn)行加解密實(shí)驗(yàn)時，測試信息的長度均為168 B。通過調(diào)整屬性加密策略中屬性機(jī)構(gòu)的數(shù)量來評估加解密模塊的性能，每個屬性機(jī)構(gòu)選取用戶的三個屬性進(jìn)行訪問控制策略的驗(yàn)證。每種屬性機(jī)構(gòu)數(shù)量各測試10 次，測試結(jié)果如圖5 所示。從圖中可以看出，隨著屬性機(jī)構(gòu)數(shù)量的增多，加密、解密時間均呈線性增長的趨勢，且加密時間顯著多于解密時間。

圖5 加解密消耗時間對比

在進(jìn)行IPFS 儲存單元的數(shù)據(jù)上傳、下載性能測試時，考慮到不同容量大小數(shù)據(jù)包對測試的影響，分別創(chuàng)建了容量大小為20 MB、40 MB、60 MB、80 MB、100 MB、120 MB 和140 MB 的數(shù)據(jù)包。在公網(wǎng)及局域網(wǎng)進(jìn)行寫入與讀取時間測試，測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 訪問控制后的IPFS消耗時間

從圖中可以看出，隨著數(shù)據(jù)包容量的增大，在進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入時，無論是公網(wǎng)還是局域網(wǎng)，消耗時間均在增加。但公網(wǎng)環(huán)境下，消耗時間點(diǎn)的增速逐漸增大，而局域網(wǎng)環(huán)境下的增速相對較小。且100 MB 容量的數(shù)據(jù)包，在公網(wǎng)環(huán)境的寫入時間為68 s，而在局域網(wǎng)環(huán)境下寫入時間僅為36 s。在進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取測試時，公網(wǎng)和局域網(wǎng)環(huán)境下消耗時間的變化趨勢與寫入時間相同，100 MB 容量的數(shù)據(jù)包，在公網(wǎng)環(huán)境的讀取時間為88 s，在局域網(wǎng)環(huán)境下讀取時間為24 s。此外，公網(wǎng)環(huán)境下，讀取數(shù)據(jù)的時間增長速度也顯著增大。

4 結(jié)束語

該文通過分析傳統(tǒng)數(shù)據(jù)共享模式時，影響數(shù)據(jù)安全的因素，在分布式區(qū)塊鏈技術(shù)的基礎(chǔ)上深入研究了一套數(shù)據(jù)安全保障技術(shù)方案。該方案將分布式區(qū)塊鏈與IPFS 相融合，有效提升了數(shù)據(jù)存儲的安全性；同時采用基于屬性的細(xì)粒度訪問控制技術(shù)，進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)共享與傳輸過程的安全性。測試結(jié)果驗(yàn)證，該文所述方案具有良好的有效性及可行性。