CN109768987B - 一种基于区块链的数据文件安全隐私存储和分享方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及计算机领域和数据存储，尤其涉及一种基于区块链的数据文件安全隐私存储和分享方法，包括包括用户层、区块链层和数据存储层，其中用户层用于用户加密上传数据、加密分享数据以及接收其他用户分享的数据；区块链层用于公开存储经过双重加密的密文数据和云端存储数据的哈希校验码，用户之间通过交易id分享文件；数据存储层用于密文数据的存储和下载；本发明有效的保证了云端存储数据的可用性和完整性，用户可以便捷的验证访问权限，实现了数据的多用户共享，减少了用户对密钥的存储开销和管理开销，提高了数据所有者对数据的控制力，实现了数据的密文共享，提高了存储系统的安全性和隐私性。

Description

一种基于区块链的数据文件安全隐私存储和分享方法

技术领域

本发明涉及计算机领域和数据存储，尤其涉及一种基于区块链的数据文件安全隐私存储和分享方法。

背景技术

随着互联网技术的飞速发展，云存储已成为我们日常生活中重要的商业模式。它为个人和企业提供了不同类型的数据存储服务，使用户可以随时随地访问互联网资源和共享数据，为我们的生活带来了极大的便利。这样的云存储系统非常成功，并且越来越被人们接受。随着互联网技术的发展，存储文件的安全性和数据分享的隐私性开始越来越受到人们的重视，数据存储在第三方服务器，数据的存储和分享不可避免的带来了一些安全性和隐私性问题。

在现有的云存储服务中，数据的存储和分享一般都采用加密的方式处理，但是随着存储文件的增多，加密的密钥越来越多，密钥的管理越来越难，如果采用单一的密钥加密，密钥一旦泄露将可能泄露所有的数据；如果存储的数据要分享给很多的用户，需要用这些人的公钥一一加密分发，系统的算力资源和通信资源消耗较大，并且分享密钥的分发通过信道直接传输给用户，存在一定的安全风险，所以需要一种更稳妥的办法来实现密钥的传递。

目前，现有的云存储系统中，如果用户想要秘密共享存储在第三方云服务器中的数据，则需要一种技术来实现对只能由特定用户访问和解密的数据的访问控制。在这种需求的推动下，基于属性的加密机制(ABE)被提出并迅速发展。通过这种机制，数据拥有者可以根据用户的身份和属性指定数据访问策略，以实现对数据的细粒度访问控制。几乎所有ABE加密方案都需要可信私钥生成器(PKG)来作为系统的设置，并为用户分配相应的密钥，这种系统存在很多问题。首先，实际上很难找到完全值得信赖的PKG。其次，这样的系统可能存在密钥滥用的问题，用户数据的所有权不是由他们自己完全控制的。PKG能够解密服务器中的所有数据，并且PKG可能由于某些兴趣或政治审查等原因泄露用户数据。一旦数据所有者丢失其自己的密钥，他甚至无法解密他自己的数据，但是PKG仍然可以解密用户数据。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于区块链的数据文件安全隐私存储和分享方法，包括以下步骤：

S1、根据子密钥将明文文件采用对称加密算法加密得到密文文件，该密文文件的子密钥存储于数据拥有者的终端，并将该子密钥加密后存储于区块链中；

S2、将密文文件存储于存储服务器，将密文文件在存储服务器的位置信息存储在数据拥有者的终端，并将密文文件在存储服务器的位置信息采用基于属性的加密算法加密后存储于区块链中；

S3、将存储文件的校验信息存储于区块链上，同时采用基于属性的加密算法对密文文件的解密密钥进行加密，并制定访问策略，以密文的形式存放在区块链上；

S4、在数据拥有者将密文文件上传到存储服务器之后，T时间内区块链产生新的区块链，数据拥有者获得并存储交易id；

S5、数据请求者向数据拥有者请求加密文件的相关密钥及交易id，数据请求者利用加密文件的相关密钥及交易id获取并解密该加密文件。

进一步的，密文文件的子密钥根据框架的主密钥key_mas以及明文文件F_i的索引号seq_i构建，通过对称加密算法对明文文件F_i进行加密。

S12、将明文文件F_i进行加密，形成密文，并将密文文件上传至云服务器。

进一步的，所述步骤S11包括：使用摘要函数对主密钥以及文件id进行操作，表示为key_seq＝(key_mas||seq)；其中key_seq表示。

进一步的，将密文数据存储于存储服务器前还包括：将密文文件进行哈希值计算得到密文文件的哈希值，并将密文文件的哈希值存放于区块链上。

进一步的，所述步骤S2包括：

S21、获得密文文件存储在存储服务器中的的位置信息之后，采用对称加密算法对该位置信息进行加密处理；

S22、将加密后的位置信息存储于区块链上；

S23、拥有该密文文件的用户存储一份该密文文件在存储服务器中的位置信息该用户的终端上。

进一步的，步骤S22还包括：将加密后的位置信息存储在区块链上的位置信息采用属性加密算法进行再次加密。

进一步的，采用基于属性的加密算法对密文文件的解密密钥和密文文件在存储服务器的位置信息进行加密后的信息，采用新的对称加密密钥通过对称加密算法进行加密，将此次加密的密钥存储于数据拥有者的终端，并将此次加密的密文公开存储于区块链上。

进一步的，数据请求者向数据拥有者请求加密文件的相关密钥及交易id包括：

S51、数据请求者对数据拥有者发出文件分享的请求，该请求包括数据请求者的身份id；

S52、数据拥有者接收数据请求者的分享请求，并根据数据请求者的身份id生成访问策略；

S53、数据拥有者将自己的交易id和加密访问策略密文的解密密钥发送给数据请求者。

进一步的，当向数据拥有者请求分享数据的数据请求者数量小于n时，对数据拥有者的交易id和嵌有访问策略的密文进行再次加密时，选择利用数据请求者的公钥进行加密；否则，对数据拥有者的交易id和嵌有访问策略的密文进行再次加密时，选择利用数据请求者的属性进行加密。

进一步的，数据请求者利用加密文件的相关密钥及交易id获取并解密该加密文件包括：

S54、数据请求者根据交易id查找在区域链中寻找对应的区块，并使用解密密钥解密该区块的密文；

S55、数据请求者根据自己的身份id解密访问策略，获得请求的密文文件所有相关解密密钥和该密文文件在存储服务器的位置信息的密文；

S56、解密密文文件在存储服务器的位置信息的密文，并通过该位置信息从存储服务器下载并解密密文文件。

本发明可以实现用户对自己存储数据的完全控制，以密文的形式安全存储在云端，将加密的密钥存储于区块链，实现了对密钥的安全管理。采用属性加密的方法，可以使本方案实现对数据的精细化分享。利用区块链技术的公开性和防篡改的特性，存储数据的哈希值，有效的保证了云端存储数据的可用性和完整性。区块链账本上添加访问策略，使得用户可以便捷的验证访问权限，很好的实现了数据的多用户共享。将文件的加密密钥和加密的位置信息存储于区块链账本，减少了用户对密钥的存储开销和管理开销，提高了数据所有者对数据的控制力，实现了数据的密文共享，提高了存储系统的安全性和隐私性。

附图说明

图1是本发明的系统构架示意图；

图2是本发明的系统流程示意图；

图3是本发明的文件存储示意图；

图4是本发明的文件分享示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出一种基于区块链的数据文件安全隐私存储和分享方法，如图1，可以将本发明方法按照功能分为3层结构，分别是用户层、区块链层和数据存储层，其中用户层用于用户加密上传数据、加密分享数据以及接收其他用户分享的数据；区块链层用于公开存储经过双重加密的密文数据和云端存储数据的哈希校验码，用户之间通过交易id分享文件；数据存储层用于密文数据的存储和下载；如图2，对数据文件的存储和分享过程具体包括：

S1、根据子密钥将明文文件采用对称加密算法加密得到密文文件，该密文文件的子密钥存储于数据拥有者的终端，并将该子密钥加密后存储于区块链中；

S2、将密文文件存储于存储服务器，将密文文件在存储服务器的位置信息存储在数据拥有者的终端，并将密文文件在存储服务器的位置信息采用基于属性的加密算法加密后存储于区块链中；

S3、将存储文件的校验信息存储于区块链上，同时采用基于属性的加密算法对密文文件的解密密钥进行加密，并制定访问策略，以密文的形式存放在区块链上；

S4、在数据拥有者将密文文件上传到存储服务器之后，T时间内区块链产生新的区块链，数据拥有者获得并存储交易id；

S5、数据请求者向数据拥有者请求加密文件的相关密钥及交易id，数据请求者利用加密文件的相关密钥及交易id获取并解密该加密文件。

实施例1

如图1所示，在本实施例中，用户层主要是有存储需求和分享需求的数据拥有者使用对称加密算法加密自己的数据，并上传至数据存储层的存储服务器，然后数据存储层返回数据存储的位置信息，数据拥有者再根据数据的使用情况对位置信息使用加密算法加密，再根据数据分享的情况再使用加密算法对加密后的位置信息和加密密钥加密，并制定相关的访问策略，以密文的形式存储在区块链层，当区块链层完成对新区块的认证之后，返回交易id给用户层。

如图2所示，在用户加入系统之前，系统首先进行一次初始化，在此阶段，系统验证用户的身份属性，颁发身份证书，生成用户需要的各项参数。身份证书中包含用户属性集Role＝(r₁,r₂,r₃,r₄,...r_n)、用户id、以及公私钥key_pub、私密钥key_priv，公钥全网公开。用户端通过随机数产生器在本地随机生成一个随机数R，将用户私钥和安全随机数作为哈希函数的输入生成主密钥key_mas＝Hash(key_priv||R)，并将其保存在用户端。

在文件加密上传之前，首先要生成文件id、文件的加密密钥。其中，在生成文件id之前用户可以对文件进行分类，判断文件在文件存储结构中所处的位置；文件的加密密钥是根据主密钥以及文件id号生成的，为了保证所有的文件加密密钥的长度是相同的，使用哈希散列函数对主密钥以及文件id号进行操作，key_id＝(key_mas||id)，这种结构使得用户只需要掌握主密钥和文件id就可以计算出文件的密钥，并且文件的id是将存储在区块链结构上，不会出现丢失的情况，方便了用户对密钥的管理。

计算出文件的密钥之后，利用对称加密算法对文件F进行加密，可以采取AES或者国密SM4算法，得到加密后的密文文件W＝AES(key_id,F)，并对文件W进行哈希处理，得到哈希值H；然后将密文文件W上传至云端存储，并返回得到文件的下载地址L。

在本实施例中，当完成对文件的加密上传之后，如图3，提交信息至区块链认证还包括判断文件存储完成前是否有分享请求，若是有分享请求，则获取请求者的属性集，根据属性集合得出其子集，使用基于其子集属性的访问策略加密地址信息，得到加密后的地址密文P；此时再将加密云端文件的密钥K和密文P采用请求者的属性集合制定访问策略进行属性加密形成密文X。

实施例2

本实施例提供一种数据拥有者将数据分享给数据请求者的过程，如图4所示，此时需要判断请求分享的人数是否大于1，或者根据系统的计算能力等资源设置的一个阈值n，判断人数是否大于这个阈值，如果大于这个值，系统将自动从密钥空间随机选取一个密钥K2使用对称加密的方式对密文X进行加密，得到密文Y，此时数据拥有者存储下密钥K2，并将密文Y和之前计算的上传的密文文件的哈希值H一同公开存储至区块链账本中，经区块链记账节点共识之后，获得返回的交易id，将返回的交易id和要K2分发给数据分享的请求者，请求者根据自身属性解密密文，获得文件的存储位置信息，并下载，然后使用密钥K解密密文获得明文文件F，完成数据的存储和分享。如果请求分享的只有一个人或者人数小于系统设置的阈值n，系统将采用请求方的公钥key_pub加密X，得到密文Y1，区块链记录密文Y1和哈希值H，记录交易id，然后完成后续操作之后，发送区块交易的id给请求者，分享请求者只需使用自己的私钥进行解密即可，节约了系统的通信资源。

若没有分享分请求，则使用加密文件F的密钥K对地址信息L进行加密，得到密文P2，然后使用自己的公钥加密密文P2和密钥K，得到密文W，然后将W和文件哈希值H提交区块链节点共识，完成认证之后，存储返回的交易id，完成文件的存储和密钥管理。

在本实施例中，采用的基于属性的加密算法主要流程是，系统初始化时会进行参数初始化，将会选择一个阶为p的双线性群G，g是双线性群G的一个生成元。接着随机产生两个随机的指数a和b，其中a和b都属于Z_p。系统设置有一个密钥生成算法，主要是产生文件所需的密钥和属性加密所需的密钥。在属性加密时，将用户的属性集合Role作为算法的输入，算法将会输出一个绑定了属性集合Role的密钥。密钥生成算法首先将会随机选取一个参数R，其中R属于Z_p，然后为每一个属于属性集合Role的属性j选择R_j∈Z_p。之后进行计算生成密钥SK：

其中，D是没有添加属性集合时的密钥，SK是绑定属性集合后的属性解密密钥。

加密时，输入系统公钥key_pub，被加密的明文F以及一个访问策略树T，明文F是文件的加密密钥和加密后的文件位置信息P，访问策略树上带有一组属性；加密算法会将明文F进行加密并产生密文X，这个密文X只有当用户所拥有的一组属性满足密文中的访问结构时才可以被解密。访问结构是隐含的存在于密文中的。

算法将会根据一个给定的访问策略结构T来对一个明文F进行加密。加密算法首先为树形访问策略结构T中包括叶子节点的每一个节点x选择一个多项式q_x。

这个多项式的选择原则为：从根节点R开始，对树中的每一个节点x，设置多项式q_x的度比节点x的门限值K_x小1，即d_x＝K_x-1。

算法从根节点R开始，随机选择s∈Z_p，并将q_x(0)的值设为s。接着随机选择多项式q_x的其他部分d_R来完全确定这个多项式。对于其他的节点x，算法将q_x(0)的值设为q_parent(x)(index(x))，然后随机选择多项式q_x的其他部分d_R来完全确定这个多项式。

这里设V为树T的叶子节点集合。加密算法将根据输入的树形访问策略结构T通过计算来构造出数据密文X。解密Decrypt(key_pub,X,SK)算法以系统公钥key_pub，包含访问策略T的密文X，以及包含一组属性的密钥SK。当密钥SK中的属性满足X中的访问策略T时，解密算法将会解密密文X并返回明文F。

对于树中的节点，首先定义一个递归的算法来对树中的节点进行解密，该算法的输入为密文X，属性密钥SK以及一个属性组Role还有树T中的一个节点x。当节点x是叶子节点，判断x是否是解密属性组集合中的元素，如果是，则继续递归判断父节点直至完成访问树的访问，当x不属于属性集合时，返回拒绝解密的信息。

当x不是叶子节点时，首先会对节点x的所有孩子节点b进行递归遍历判断是否属于解密属性集合，并输出结果，如果结果满足解密属性集合，则继续遍历父节点，直到最终得到结果，并解密得到明文文件F。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于区块链的数据文件安全隐私存储和分享方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、初始化用户和明文文件，根据子密钥将明文文件采用对称加密算法加密得到密文文件，该密文文件的子密钥存储于数据拥有者的终端，并将该子密钥加密后存储于区块链中；

S2、将密文文件存储于存储服务器，将密文文件在存储服务器的位置信息存储在数据拥有者的终端，并将密文文件在存储服务器的位置信息采用基于属性的加密算法加密后存储于区块链中；

S3、将存储文件的校验信息存储于区块链上，同时采用基于属性的加密算法对密文文件的解密密钥进行加密，并制定访问策略，以密文的形式存放在区块链上；

S4、在数据拥有者将密文文件上传到存储服务器之后，并完成对上链信息的上传操作之后，T时间内区块链达成共识之后并产生新的区块，系统向数据拥有者返回生成区块的id，即交易id，数据拥有者获得并存储交易id；

S5、数据请求者向数据拥有者请求加密文件的相关密钥及交易id，同意分享后通过安全信道交互信息并发送加密文件的相关密钥及交易id，数据请求者查询区块链交易的区块信息获取相关秘钥和存储位置信息，解密该加密文件，即：

S51、数据请求者对数据拥有者发出文件分享的请求，该请求包括数据请求者的身份id；

S52、数据拥有者接收数据请求者的分享请求，并根据数据请求者的身份id生成访问策略；

S53、数据拥有者将自己的交易id和对嵌有访问策略的密文进行再次加密的对称密钥发送给数据请求者；

S54、数据请求者根据交易id查找在区域链中寻找对应的区块，并使用解密密钥解密该区块的密文；

S55、数据请求者根据自己的身份id解密访问策略，获得请求的密文文件所有相关解密密钥和该密文文件在存储服务器的位置信息的密文；

S56、解密密文文件在存储服务器的位置信息的密文，并通过该位置信息从存储服务器下载并解密密文文件，

在分享数据过程中，根据服务器计算能力设置一个阈值n，当数据请求者的数量大于设置的阈值n时，步骤S53中对嵌有访问策略的密文进行再加密时，从密钥空间随机选取一个密钥K2使用对称加密的方式对密文进行加密，得到密文Y，此时数据拥有者存储下密钥K2，并将密文Y和之前计算的上传的密文文件的哈希值H一同公开存储至区块链账本中，经区块链记账节点共识之后，获得返回的交易id，将返回的交易id和密钥K2分发给数据分享的请求者，请求者根据自身属性解密密文，获得文件的存储位置信息，并下载，然后使用密钥解密密文获得明文文件F，完成数据的存储和分享；

当数据请求者的数量不大于设置的阈值n时，采用请求方的公钥key_pub加密嵌有访问策略的密文，得到密文Y1，区块链记录密文Y1和哈希值H，记录交易id，发送区块交易的id给请求者，分享请求者只需使用自己的私钥进行解密。

2.根据权利要求1所述的一种基于区块链的数据文件安全隐私存储和分享方法，其特征在于，初始化用户和明文文件包括：根据用户的身份属性颁发身份证书，该身份证书包括用户属性集、身份id、公密钥key_pub以及私密钥key_priv，公密钥key_pub全网公开；用户端通过随机数产生器在本地随机生成一个随机数R，将用户私钥和安全随机数作为哈希函数的输入生成主密钥key_mas＝Hash(key_priv||R)，并将其保存在用户端；为明文文件提供文件id。

3.根据权利要求2所述的一种基于区块链的数据文件安全隐私存储和分享方法，其特征在于，密文文件的子密钥根据数据拥有者的主密钥key_mas以及客户端对明文文件F_i的生成的索引号seq_i构建，表示为key_seq＝(key_mas||seq_i)；其中key_seq表示对应文件的加解密秘钥。

4.根据权利要求1所述的一种基于区块链的数据文件安全隐私存储和分享方法，其特征在于，将密文数据存储于存储服务器前还包括：将密文文件进行哈希值计算得到密文文件的哈希值，并将密文文件的哈希值存放于区块链上。

5.根据权利要求1所述的一种基于区块链的数据文件安全隐私存储和分享方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

S21、获得密文文件存储在存储服务器中的位置信息之后，采用对称加密算法对该位置信息进行加密处理；

S22、将加密后的位置信息存储于区块链上；

S23、数据拥有者在本地端存储一份该密文文件在存储服务器中的位置信息。

6.根据权利要求5所述的一种基于区块链的数据文件安全隐私存储和分享方法，其特征在于，步骤S22还包括：将加密后的位置信息采用属性加密算法进行再次加密，并将该二次加密后的位置信息及其属性密钥存储于区块链上。

7.根据权利要求1所述的一种基于区块链的数据文件安全隐私存储和分享方法，其特征在于，采用基于属性的加密算法对密文文件的解密密钥和密文文件在存储服务器的位置信息进行加密后的信息，客户端随机生成一个新的对称加密密钥，对属性加密后的密文进行再次加密，并将此次加密的密钥存储于数据拥有者的终端，且此次加密的密文公开存储于区块链上。

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