CN110730074A - 一种嵌套式可溯源数字孪生体的实现方法及数据结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种嵌套式可溯源数字孪生体的实现方法，对各个节点产生的电子数据执行签名步骤、初始嵌套步骤和循环嵌套步骤，将上一个节点的嵌套文件嵌入当前节点的记录文件并进行签名验证得到新的嵌套文件，得到一种嵌套式可溯源数字孪生体的数据结构，数据结构的层数对应产生数据的节点数，每个节点的数据记录文件中包含上一个节点的数据记录文件及本节点的电子签名，每个节点的电子签名对应区块链中的一个区块结构。本发明是一种溯本追源的技术，他记录了原始数据在整个生命周期内（从产生、传播到消亡）的演变信息和演变处理内容，在数据源产生过程通过可信时间戳和KSI签名后，利用嵌套式docket数据结构记录数据，形成电子数据可溯源链的过程。

Description

一种嵌套式可溯源数字孪生体的实现方法及数据结构

技术领域

本发明涉及区块链技术领域，具体是一种利用区块链技术实现嵌套式数字孪生体的方法。

背景技术

工业互联网的基础模型和技术依托于数字孪生体（Digital Twin），虽然这个概念产生于军事领域，但很快得到了领先工业企业的认同，并投入大量资源做研究。数字孪生，有时候也用来指代将一个工厂的厂房及产线，在没有建造之前，就完成数字化模型。从而在虚拟的赛博空间中对工厂进行仿真和模拟，并将真实参数传给实际的工厂建设。而工房和产线建成之后，在日常的运维中二者继续进行信息交互。

在当代信息化设施正以势如破竹的速度普及着，数字化时代给用户、企业、政务带来种种便利的同时弊端也在一一凸显，各种网络欺诈行为也越来越多发生，例如：黑客入侵系统破坏数据或内部工作人员恶意篡改数据库数据。使得人们越来越担心数据的安全，越来越怀疑数据的真伪，数据的完整性、真实性也显得越来越宝贵。因此，关注数据的传播和演化过程也显得尤为重要，数据保护技术也应当尽快保持同步，而数据溯源是判断数据真实性的一种有效途径之一。

区块链技术可以证明数据在其生命周期内的原始性、完整性，且证明过程不依赖任何第三方的信任关系。但是如果将现有的区块链技术用于产品的生产或销售过程的数据真实性证明时，存在一个问题，就是验证者只能验证其所在节点的区块，例如产品完成生产-仓储-销售这个过程后，生产者或销售者能验证自己的生产数据或销售数据，而无法验证完整的生产-仓储-销售数据，而在数据重要性越来越重要的今天，这种仅能把控局部数据的情况是无法满足需求的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：针对目前无法把控产品从生产到流通全过程数据的问题，提供了一种电子数据防伪溯源的方法，通过与业务系统的无缝对接，且经过可信时间戳和KSI区块链签名的数据可有效防篡改，在此基础上，将系统数据记录在嵌套式docket数据结构中，实现原始且可验证的数据完整溯源。

本发明采用下述技术方案：

一种嵌套式可溯源数字孪生体的实现方法，包括在各个节点产生的电子数据，包括：

签名步骤：每个节点产生电子数据后进行签名验证，得到数据的电子标签，并将二者合成为一个记录文件；

初始嵌套步骤：将第一个节点的记录文件嵌入第二个节点的记录文件并进行签名验证得到嵌套文件；

循环嵌套步骤：将上一个节点的嵌套文件嵌入当前节点的记录文件并进行签名验证得到新的嵌套文件。

根据权利要求1所述嵌套式可溯源数字孪生体的实现方法，其特征在于：在第1个节点执行签名步骤；在第2个节点执行签名步骤和初始嵌套步骤；在第i个节点执行循环嵌套步骤，将第i-1个节点的嵌套文件嵌入第i个节点的记录文件得到第i个节点的嵌套文件；从任何一个节点都可以获取最后一个节点的嵌套文件。

所述签名验证为区块链签名。

所述嵌套文件和记录文件均为XML文件，电子数据包含节点所产生的数据、属性和输入策略。

按照产品的流转过程设立顺序节点，将每个节点的数据层层嵌套为可溯源的数字孪生体。

采用KSI无钥签名方法对数据进行签名验证。

数据结构的层数对应产生数据的节点数，每个节点的数据记录文件中包含上一个节点的数据记录文件及本节点的电子签名，每个节点的电子签名对应区块链中的一个区块结构。

数据记录文件为XML文件，XML文件中包含的的电子签名为KSI无钥签名，每个XML文件嵌套上一个节点的XML文件后进行KSI签名。

所述的KSI无钥签名，签名步骤包括：

1）客户端将签名请求发送给选取的核心服务；其中，该签名请求中包含待签名的数字记录的数字组合值；

2) 网关服务器将收到的签名请求中的哈希值作为聚合计算的底层节点，对设定周期内的底层节点哈希值两两聚合得到底层节点的父节点哈希值；再对父节点哈希值逐层进行两两聚合，最终得到该网关服务器的网关哈希根值并将其发送给聚合服务器；

3) 聚合服务器将收到的网关哈希根值逐层两两聚合，最终得到聚合服务器哈希根值并将其发送给与该聚合服务器连接的核心服务器；

4) 核心服务器对聚合服务器哈希根值进行数据完整性验证，验证通过后核心服务器根据聚合服务器哈希根值定期生成该核心服务器的哈希根值并对该哈希根值及其生成时间进行签名；

5) 核心服务器将签名数据、核心服务器的哈希值聚合路径以及自己的服务标识返回给聚合服务器；

6) 聚合服务器在该哈希值聚合路径中加入该聚合服务器哈希值聚合路径，然后将该签名数据、更新后的哈希值聚合路径和服务标识返回给网关服务器；

7) 网关服务器在步骤6) 更新后的哈希值聚合路径中加入该网关的哈希值聚合路径，然后将该签名数据、更新后的哈希值聚合路径和服务标识返回给该客户端；该客户端保存与签名时选择的核心服务的服务标识相对应的签名结果。

KSI无钥签名区块链技术的技术原理：

无钥签名区块链技术是基于哈希函数计算出的密码，哈希函数是一个计算过程，它接受任意一段数据并返回一个固定长度的概要，称为哈希值或原始数据块的摘要。

哈希函数具有几个重要的特点，首先，哈希运算是单向不可逆的，这就表明从运算输出的结果是无法推算出原始数据的，这就保证了输入数据的私密性。其次，任何对输入数据的修改都会导致不同的输出结果，这就保证了输出哈希值的唯一性。最后，由两个不同数据通过运算得到相同的哈希值是不可能的，这种碰撞属性再次说明由一个数据经过运算只能产生唯一的哈希值。

本发明的有益效果：

本发明提出数据结构称为KSI Docket，是一种基于XDAL语言的构造，该语言包含XML文件和KSI签名，它是一种溯本追源的技术，他记录了原始数据在整个生命周期内（从产生、传播到消亡）的演变信息和演变处理内容，在数据源产生过程通过可信时间戳和KSI签名后，利用嵌套式docket数据结构记录数据，形成电子数据可溯源链的过程。

首先，业务节点产生的数据记录在XDAL文件里，利用KSI签名保护其原始性、完整性和时间证明，并生成一个docket。下一个节点产生数据后，同样方法生成新的docket，并将新的docket嵌套在上一个docket（类似俄罗斯套娃模式，如图1），最终形成一个可追溯链。

在获得完整的上链数据后，以业务节点为docket的数据单元，即一个业务节点为一层docket，以时间为顺序，不断进行docket数据嵌套，最终形成一个完整、可追溯的嵌套式docket数据结构。数据按业务逻辑、时间顺序记录在docket，以供不同需求方对任何业务节点流程产生的数据进行完整性查验、追溯，从而实现对不同业务数据进行防伪溯源。

KSI Docket提供了一个由无钥签名区块链技术支持的标准化结构，这些构造基于无钥签名区块链的数据归集方式，用于机器可读输入到验证端点。

附图说明

图1为本发明的数据结构示意图。

图2是本发明的一个实例图。

图3是KSI无钥签名技术示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进一步详细说明。

本发明基于KSI无钥签名技术和XDAL语言， XDAL是一种用于实现互操作性和模式分析的可扩展性语言，XDAL就是由guradtime定义的一种XML文件的格式，这个XML文件里存一个一些特定格式的数据。KSI签名是电子数据的标签，提供可信时间戳和防数据被篡改功能。本实施例中的KSI无钥签名技术见中国专利CN201510641207-一种多核心基础设施的数字化记录签名、验证方法。KSI签名通过锚定在无钥签名区块链基础结构中的分布式信任提供标识、真实性和时间。

本发明数字孪生体的实现方法包括对产品在各个节点所产生的数据进行下列步骤处理：

签名步骤：每个节点产生电子数据后进行签名验证，得到数据的电子标签，并将二者合成为一个记录文件；

初始嵌套步骤：将第一个节点的记录文件嵌入第二个节点的记录文件并进行签名验证得到嵌套文件；

循环嵌套步骤：将上一个节点的嵌套文件嵌入当前节点的记录文件并进行签名验证得到新的嵌套文件。

所述节点包括产品在整个生命周期内（从产生、传播到消亡）的各个业节点，例如一个产品从生产到流通到销售到消费者使用的全部环节，在第1个节点执行签名步骤；在第2个节点执行签名步骤和初始嵌套步骤；在第i个节点执行循环嵌套步骤，将第i-1个节点的嵌套文件嵌入第i个节点的记录文件得到第i个节点的嵌套文件；从任何一个节点都可以获取最后一个节点的嵌套文件。

更具体的:首先，业务节点产生的数据记录在XDAL文件里，XDAL文件中包含数据、属性及输入方式等信息，利用KSI签名保护其原始性、完整性和时间证明，并生成一个docket，docket是一种基于XDAL语言的构造，包含XML文件和KSI签名。下一个节点产生数据后，同样方法生成新的docket，并将新的docket嵌套在上一个docket（类似俄罗斯套娃模式，如图1），最终形成一个可追溯的嵌套链。实际上本发明是实现了两个链结构，一个是基于KSI的区块链结构，一个是基于业务节点顺序的文件嵌套链结构。

本发明提出的嵌套式docket实现数据溯源流程步骤如下：

1、首先，第一个业务节点产生的数据，通过KSI签名验证，保障数据是原始的、完整且可信时间戳，得到数据的电子指纹标签；

2、经过KSI签名后的数据，由客户端传给docket后台生成一个XML文件；XML文件经过KSI签名，并把KSI签名加入该XML文件，生成新的XML文件称之为docket；

4、第二个业务节点产生的数据，重复1、2步骤后，得到新的XML文件；然后旧的docket嵌入新的XML文件里，再经过KSI签名，并把KSI签名加入该XML文件，生成新的XML文件成为第二个docket；

5、重复循环以上步骤，不断生成新的docket，直到业务流程的结束。

通过以上步骤可以发现，新生成的docket记录了新节点产生的数据和包含了前面所有节点的docket数据，也就是数据通过这种不断嵌套的逻辑关系，最终形成的嵌套式的链，完整记录了数据在整个生命周期内的演变过程，达到数据溯源的效果。但是利用Docket的嵌套数据结构记录数据，当嵌套Docket数据层级过于庞大时，若读取所有Docket里的数据，则会因Docket数据结构和性能限制，读取数据的耗时会有所增加，对于实时性要求高的交易业务，则不太适用。

如图1和图2是本发明的数字孪生体数据结构，它是由一个一个的KSI Docket嵌套而成，每个KSI Docket是一个XML文件，XML文件中包含本节点的XDAL文件、KSI签名以及上一个节点的XML文件（KSI Docket）。XDAL提供了一种独特的，用于护操作性和验证的语言，XDAL文件中记录了数据、属性和输入策略。

KSI签名通过锚定在无钥签名区块链基础结构中的分布式信任提供标识、真实性和时间，KSI区块链中真实的签名证明提供了跨界验证方式和信任机制。 KSI签名除了可以使用前面提到的技术，还可以使用其他厂商提供的，例如guradtime提供的KSI签名技术。

Claims (9)

1.一种嵌套式可溯源数字孪生体的实现方法，包括在各个节点产生的电子数据，其特征在于包括：

签名步骤：每个节点产生电子数据后进行签名验证，得到数据的电子标签，并将二者合成为一个记录文件；

初始嵌套步骤：将第一个节点的记录文件嵌入第二个节点的记录文件并进行签名验证得到嵌套文件；

循环嵌套步骤：将上一个节点的嵌套文件嵌入当前节点的记录文件并进行签名验证得到新的嵌套文件。

2.根据权利要求1所述嵌套式可溯源数字孪生体的实现方法，其特征在于：在第1个节点执行签名步骤；在第2个节点执行签名步骤和初始嵌套步骤；在第i个节点执行循环嵌套步骤，将第i-1个节点的嵌套文件嵌入第i个节点的记录文件得到第i个节点的嵌套文件；从任何一个节点都可以获取最后一个节点的嵌套文件。

3.根据权利要求2所述嵌套式可溯源数字孪生体的实现方法，其特征在于：所述签名验证为区块链签名。

4.根据权利要求2所述嵌套式可溯源数字孪生体的实现方法，其特征在于：所述嵌套文件和记录文件均为XML文件，电子数据包含节点所产生的数据、属性和输入策略。

5.根据权利要求2所述嵌套式可溯源数字孪生体的实现方法，其特征在于：按照产品的流转过程设立顺序节点，将每个节点的数据层层嵌套为可溯源的数字孪生体。

6.根据权利要求3所述嵌套式可溯源数字孪生体的实现方法，其特征在于：采用KSI无钥签名方法对数据进行签名验证。

7.一种嵌套式可溯源数字孪生体的数据结构，特征在于：数据结构的层数对应产生数据的节点数，每个节点的数据记录文件中包含上一个节点的数据记录文件及本节点的电子签名，每个节点的电子签名对应区块链中的一个区块结构。

8.根据权利要求7所述嵌套式可溯源数字孪生体的数据结构，其特征在于：数据记录文件为XML文件，XML文件中包含的的电子签名为KSI无钥签名，每个XML文件嵌套上一个节点的XML文件后进行KSI签名。

9.根据权利要求6或8所述的KSI无钥签名，其特征在于签名步骤包括：

1）客户端将签名请求发送给选取的核心服务；其中，该签名请求中包含待签名的数字记录的数字组合值；

2) 网关服务器将收到的签名请求中的哈希值作为聚合计算的底层节点，对设定周期内的底层节点哈希值两两聚合得到底层节点的父节点哈希值；再对父节点哈希值逐层进行两两聚合，最终得到该网关服务器的网关哈希根值并将其发送给聚合服务器；

3) 聚合服务器将收到的网关哈希根值逐层两两聚合，最终得到聚合服务器哈希根值并将其发送给与该聚合服务器连接的核心服务器；

4) 核心服务器对聚合服务器哈希根值进行数据完整性验证，验证通过后核心服务器根据聚合服务器哈希根值定期生成该核心服务器的哈希根值并对该哈希根值及其生成时间进行签名；

5) 核心服务器将签名数据、核心服务器的哈希值聚合路径以及自己的服务标识返回给聚合服务器；

6) 聚合服务器在该哈希值聚合路径中加入该聚合服务器哈希值聚合路径，然后将该签名数据、更新后的哈希值聚合路径和服务标识返回给网关服务器；

7) 网关服务器在步骤6) 更新后的哈希值聚合路径中加入该网关的哈希值聚合路径，然后将该签名数据、更新后的哈希值聚合路径和服务标识返回给该客户端；该客户端保存与签名时选择的核心服务的服务标识相对应的签名结果。

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