可搜索加密的區(qū)塊鏈氣象數(shù)據(jù)保護(hù)研究

鄭智健，鄭 清，杰林釩

(莆田市氣象局，福建 莆田 351100)

0 引言

隨著大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)的流行，氣象信息化的發(fā)展也在不斷加速，氣象事業(yè)的發(fā)展得到進(jìn)一步提升。其中，氣象部門與各行業(yè)之間的數(shù)據(jù)共享，使得氣象數(shù)據(jù)的應(yīng)用早已融入到日常生活?？梢哉f(shuō)氣象數(shù)據(jù)是氣象部門的立業(yè)之基，也是國(guó)家安全重要元素，其安全與穩(wěn)定關(guān)乎經(jīng)濟(jì)社會(huì)的正常運(yùn)行[1]。然而，中心式存儲(chǔ)極易導(dǎo)致數(shù)據(jù)被泄露或被篡改，且因具備融合的特性，在數(shù)據(jù)共享的過(guò)程中一旦出現(xiàn)問(wèn)題，整個(gè)氣象業(yè)務(wù)體系必然遭受影響，進(jìn)而影響氣象服務(wù)保障水平。

區(qū)塊鏈技術(shù)本質(zhì)上是一種去中心化的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，具有可溯源、數(shù)據(jù)防篡改、唯一性等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)不可信節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳遞，預(yù)示其在數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)安全領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[2]。Sim等人[3]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)完整性驗(yàn)證系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)來(lái)自物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)和簽名密鑰進(jìn)行多個(gè)區(qū)塊鏈分組，最大限度地減少數(shù)據(jù)丟失。Kaaniche等人[4]提出基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)使用審計(jì)機(jī)制，依賴部署在區(qū)塊鏈基礎(chǔ)設(shè)施中的可審計(jì)合同，確保數(shù)據(jù)共享的可用性。上述研究雖然在一定程度上緩解了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的不足，但卻沒(méi)有考慮到數(shù)據(jù)隱私性和加密性問(wèn)題。同時(shí)，有實(shí)驗(yàn)研究表明，區(qū)塊鏈的匿名性是一種假名性[5]，不足以完整地保護(hù)用戶數(shù)據(jù)信息。此外，區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)無(wú)法進(jìn)行修改與刪除，當(dāng)有惡意的攻擊者將非法信息寫入鏈上，極易構(gòu)成巨大危險(xiǎn)，使區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)安全受到挑戰(zhàn)。

為此，研究者對(duì)區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)加密保護(hù)能力進(jìn)行深入探索。可搜索加密[6]是區(qū)塊鏈隱私保護(hù)技術(shù)之一，將其與區(qū)塊鏈技術(shù)結(jié)合在一起，解決了第三方可信問(wèn)題，促進(jìn)了數(shù)據(jù)之間協(xié)作共享。鑒于此，本文提出了一種基于可搜索加密的區(qū)塊鏈氣象數(shù)據(jù)保護(hù)方案，引入智能合約[7]作為可信方，既保證了方案的可信度，又提高了可搜索加密的可實(shí)現(xiàn)性。

1 相關(guān)技術(shù)概述

1.1 可搜索加密技術(shù)

可搜索加密是一種為了解決云存儲(chǔ)環(huán)境下加密數(shù)據(jù)檢索困難問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)用戶基于密文關(guān)鍵詞安全搜索的技術(shù)。傳統(tǒng)的明文搜索易被獲取到數(shù)據(jù)信息，而可搜索加密技術(shù)可以通過(guò)密鑰對(duì)加密數(shù)據(jù)的關(guān)鍵詞進(jìn)行搜索，使得用戶無(wú)法通過(guò)關(guān)鍵詞獲取到明文數(shù)據(jù)?？伤阉骷用馨凑占?、解密密鑰的不同，可以分成兩類：對(duì)稱可搜索加密和非對(duì)稱可搜索加密。對(duì)稱可搜索加密使用相同的私鑰密鑰進(jìn)行加密和關(guān)鍵詞搜索，具有算法相對(duì)簡(jiǎn)單、運(yùn)算速度快的優(yōu)勢(shì)。非對(duì)稱可搜索加密則是使用公鑰和私鑰兩種不同密鑰，通常公鑰的擁有者會(huì)對(duì)明文數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，私鑰的擁有者執(zhí)行搜索算法進(jìn)行關(guān)鍵詞檢索。雖然過(guò)程較為復(fù)雜，但是公鑰和私鑰相互分離的特點(diǎn)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)共享具有較高的實(shí)用性。因此，本文采用非對(duì)稱可搜索加密技術(shù)。

1.2 智能合約

1995年，學(xué)者尼克首次提出智能合約的概念，其認(rèn)為智能合約的本質(zhì)是一種能夠自動(dòng)執(zhí)行協(xié)議的計(jì)算機(jī)代碼。智能合約因具有圖靈完備的特性，加之缺乏可信執(zhí)行環(huán)境，未曾受到研究學(xué)者的關(guān)注。直到新興區(qū)塊鏈平臺(tái)的出現(xiàn)，才將智能合約由概念逐步轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用。由于區(qū)塊鏈自身具有可溯源、數(shù)據(jù)防篡改、唯一性等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，避免了智能合約受到偽造和篡改，確保了整個(gè)過(guò)程的透明、高效、不受干預(yù)。同時(shí)，智能合約作為區(qū)塊鏈中的核心要素，當(dāng)滿足一定的預(yù)定規(guī)則時(shí)，區(qū)塊鏈會(huì)自動(dòng)觸發(fā)預(yù)設(shè)協(xié)議完成操作。此外，智能合約通過(guò)加密算法可以設(shè)置兩方或多方之間訪問(wèn)權(quán)限的協(xié)議。雖然目前智能合約仍處在發(fā)展的初級(jí)階段，但是基于智能合約的應(yīng)用提高了信息傳輸效率，降低了管理維護(hù)的成本，使得區(qū)塊鏈技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景。

2 可搜索加密的區(qū)塊鏈氣象數(shù)據(jù)保護(hù)方案

2.1 方案模型

可搜索加密的區(qū)塊鏈氣象數(shù)據(jù)保護(hù)方法是利用可搜索加密技術(shù)對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行加密保護(hù)，并使用區(qū)塊鏈存儲(chǔ)加密后的數(shù)據(jù)，防止氣象數(shù)據(jù)泄露。因此，本文采取層次化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了區(qū)塊鏈中的氣象數(shù)據(jù)保護(hù)模型。如圖1所示，該模型的基本框架劃分為3層：區(qū)塊鏈層、數(shù)據(jù)層和用戶層。

圖1 方案模型

2.1.1 區(qū)塊鏈層

區(qū)塊鏈層主要用于區(qū)塊鏈上氣象數(shù)據(jù)的寫入和讀取，以及氣象數(shù)據(jù)的共享交換。鏈上的智能合約在接收到用戶請(qǐng)求參數(shù)后，執(zhí)行其業(yè)務(wù)邏輯，將氣象數(shù)據(jù)信息存入?yún)^(qū)塊鏈，并將需要記錄數(shù)據(jù)信息的哈希值存放在對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)里，保證了不論發(fā)生任何變化，氣象數(shù)據(jù)都能被區(qū)塊鏈記錄保存。同時(shí)，引入可搜索加密對(duì)關(guān)鍵詞進(jìn)行搜索，可以有效地提高用戶搜索速度，提升檢索效率。

2.1.2 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層主要對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。首先利用可搜索加密算法對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，并構(gòu)建安全索引，然后通過(guò)區(qū)塊鏈上的節(jié)點(diǎn)執(zhí)行共識(shí)算法，最終形成塊數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)。

2.1.3 用戶層

用戶層主要進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)的查找與質(zhì)控。當(dāng)用戶查找氣象數(shù)據(jù)時(shí)，先通過(guò)可搜索加密算法生成密鑰，再發(fā)送給鏈上的共識(shí)節(jié)點(diǎn)提出查找請(qǐng)求，鏈上節(jié)點(diǎn)收到請(qǐng)求后執(zhí)行密文數(shù)據(jù)查找，并返回解密后的明文數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，用戶還可以進(jìn)行哈希運(yùn)算，查驗(yàn)氣象數(shù)據(jù)是否被篡改。

2.2 系統(tǒng)方案步驟

2.2.1 步驟1：密鑰生成

系統(tǒng)初始化，設(shè)定一個(gè)安全參數(shù)為λ，生成公開(kāi)參數(shù)p，其中包括2個(gè)n階G1和G2雙線性群。雙線性映射為G1×G1→G2，g是G1的生成元。選擇一個(gè)哈希函數(shù)：H:{0，1}*→G1。通過(guò)執(zhí)行生成算法KeyGen，輸出公鑰pk和私鑰sk，分別用于氣象數(shù)據(jù)的加密和生成索引。

2.2.2 步驟2：密文加密

首先提取氣象數(shù)據(jù)中的關(guān)鍵詞W進(jìn)行哈希運(yùn)算，同時(shí)使用密鑰對(duì)明文文件加密，得到加密后的密文：Cw=Encrypt(pk，W)，最后將密文上傳到區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

2.2.3 步驟3：陷門生成

用戶根據(jù)密鑰和需要檢索的關(guān)鍵詞W，使用私鑰計(jì)算生成特定關(guān)鍵詞陷門：Tw=Trapdoor(sk，W)，上傳陷門到智能合約，并將信息打包傳送至區(qū)塊鏈里。

2.2.4 步驟4：檢索查找階段

用戶以陷門作為輸入提交查找請(qǐng)求，由區(qū)塊鏈鏈上的節(jié)點(diǎn)執(zhí)行可搜索加密算法進(jìn)行陷門匹配，若匹配成功則使用密鑰進(jìn)行解密，獲取明文文件。

2.3 基本性能

2.3.1 安全性

本文方案中，陷門和索引兩者都是隨機(jī)加密的。在沒(méi)有密鑰的情況下，用戶無(wú)法推測(cè)出關(guān)鍵詞的相關(guān)信息，可以有效地防止數(shù)據(jù)隱私泄露。此外，經(jīng)過(guò)解密計(jì)算獲得的哈希值是不可逆和抗碰撞性的，通過(guò)密鑰將其與服務(wù)器中存儲(chǔ)的哈希值互相驗(yàn)證，若數(shù)值一致，則表明數(shù)據(jù)未發(fā)生篡改，進(jìn)一步保證了方案的安全性。

2.3.2 正確性

用戶與區(qū)塊鏈進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的時(shí)候，鏈上的智能合約狀態(tài)和內(nèi)容是公開(kāi)透明的，結(jié)合節(jié)點(diǎn)上的共識(shí)機(jī)制能夠保證檢索數(shù)據(jù)內(nèi)容的可靠性和真實(shí)性。在執(zhí)行方案時(shí)，智能合約按照事先預(yù)設(shè)的條件進(jìn)行密鑰恢復(fù)以及搜索憑證的生成，確保了用戶檢索得到結(jié)果的正確性。

2.4 實(shí)驗(yàn)性能分析

2.4.1 數(shù)據(jù)加密時(shí)間

關(guān)鍵詞個(gè)數(shù)與數(shù)據(jù)加密時(shí)間的關(guān)系如圖2所示。數(shù)據(jù)加密的時(shí)間開(kāi)銷取決于索引的關(guān)鍵詞個(gè)數(shù)，數(shù)據(jù)加密時(shí)間隨著關(guān)鍵詞個(gè)數(shù)的增加呈線性增長(zhǎng)?？傮w上該部分的時(shí)間開(kāi)銷較小，這是因?yàn)槊總€(gè)索引的生成時(shí)間成本是固定的，并且只需要進(jìn)行一次指數(shù)運(yùn)算，節(jié)省了時(shí)間開(kāi)銷。

圖2 數(shù)據(jù)加密時(shí)間

2.4.2 關(guān)鍵詞檢索時(shí)間

關(guān)鍵詞個(gè)數(shù)與檢索時(shí)間的關(guān)系如圖3所示。本文實(shí)驗(yàn)先對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的關(guān)鍵詞進(jìn)行查找檢索?？梢钥闯霎?dāng)文檔個(gè)數(shù)是500的時(shí)候，用戶檢索關(guān)鍵詞的時(shí)間為4.66 s；當(dāng)文檔個(gè)數(shù)是600的時(shí)候，檢索所需的時(shí)間為4.87 s；由圖可以更直觀地看出，檢索生成時(shí)間并不會(huì)隨著關(guān)鍵詞個(gè)數(shù)的大幅增加而劇烈變化。這是由于數(shù)據(jù)集中的文檔個(gè)數(shù)決定了查詢所需時(shí)間，而且查詢中的關(guān)鍵詞個(gè)數(shù)對(duì)查詢時(shí)間的影響很小。

圖3 關(guān)鍵詞檢索時(shí)間

2.4.3 陷門生成時(shí)間

關(guān)鍵詞個(gè)數(shù)與陷門生成時(shí)間的關(guān)系如圖4所示。在陷門的生成階段，隨著關(guān)鍵詞個(gè)數(shù)的逐漸增加，陷門生成的時(shí)間也隨之增加，二者呈現(xiàn)出線性增長(zhǎng)的關(guān)系。當(dāng)關(guān)鍵詞的個(gè)數(shù)增加到一定程度的時(shí)候，陷門生成所需時(shí)間僅略微增加，表明方案具有較高的生成效率。

圖4 陷門生成時(shí)間

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)和可搜索加密技術(shù)，提出并設(shè)計(jì)了基于可搜索加密的區(qū)塊鏈氣象數(shù)據(jù)保護(hù)方案。結(jié)果表明：利用智能合約作為可信方，有效地解決單一授權(quán)導(dǎo)致的第三方可信問(wèn)題，保證了方案的可信度，又提高了可搜索加密的可實(shí)現(xiàn)性。同時(shí)，對(duì)關(guān)鍵詞搜索能夠在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)加密數(shù)據(jù)結(jié)果查找，充分發(fā)揮出兩者相結(jié)合的優(yōu)勢(shì)，保護(hù)了氣象數(shù)據(jù)的安全，為氣象決策和防災(zāi)減災(zāi)提供精準(zhǔn)的氣象數(shù)據(jù)。此外，對(duì)安全性和性能的分析驗(yàn)證了該方案具有較高的效率。