CN110825810B - 一种基于区块链的群智感知双重隐私保护方法 - Google Patents

Abstract

一种基于区块链的群智感知双重隐私保护方法。其包括任务发布中心发布感知任务，并向区块链网络发送该任务相关的消息；区块链网络通过智能合约生成感知任务通知并广播给所有工人；工人执行感知任务，并将感知数据上传给区块链网络；区块链网络中的节点利用共识算法来竞争记账权，获得记账权的矿工验证感知数据的质量，并根据贡献度量化奖励，然后生成最终区块；当最终区块被记录到区块链上时，奖励也会被分配给相应的工人和矿工等步骤。本发明效果：通过贡献度共识算法达成共识，使用共享区块链保存记录，一方面提供透明的记录，为审计带来便捷，同时可防止不法分子针对共享网络的恶意攻击行为。

Description

一种基于区块链的群智感知双重隐私保护方法

技术领域

本发明属于数据隐私保护技术领域，特别是涉及一种基于区块链的群智感知双重隐私保护方法。

背景技术

群智感知(CS)作为一种全新的收集数据及信息服务模式，能够满足社会、地理、环境等众多领域的复杂需求，因而越来越受到关注。传统的CS中存在用户数量不足和数据质量差等问题，因此出现了面向群智感知的激励机制，不仅提高了用户参与的积极性，而且在一定程度上解决了任务参与者数量不足和感知数据质量差等问题。但是在CS系统的整个任务周期中又出现了相应的隐私问题，一般来说主要包括：中心化风险、身份隐私以及数据隐私。

针对上述的中心化、身份和数据这三种隐私威胁，目前已提出许多解决方案。

去中心化隐私保护主要是为了解决单点故障和中心不可信问题，黄等人提出了一种基于区块链的去中心化模型，通过区块链网络来取代传统的架构，该方案虽然将CS系统变为去中心化的，但其无法保证参与者的身份和数据隐私；杨等人提出一种基于区块链的隐私保护群智感知系统，该系统通过去中心化的方式解决了用户的位置隐私，然而该方案没有考虑到用户的身份隐私；Jin等人设计了一种有效的CS激励方案，即Thanos，该方案采用反向组合拍卖的模型来降低计算成本，保证计算效率，但Thanos的整个过程需要使用基于中心化结构的云平台，无法规避中心化隐私问题。

感知身份在CS系统中尤为重要，常用的方法包括匿名认证、基于属性的身份认证等。在匿名认证中，用户通过信标接收任务，而无需向系统透露其身份，如Kapadia等人提出的匿名感知系统，数据中心会定期发布任务，当参与者位于一些不敏感的公共场所时才会参与其中。对于每次通信连接，参与者利用基于直接匿名证明的组签名来匿名身份验证，然而，该系统无法保证参与者的数据隐私，而且与之通信的服务器是中心化的，且由于无法预测用户的宏观信息，无法进行良好的数据分析。基于属性的身份认证，用户仅显示其属性便可向系统进行身份验证，无需显示用户身份。其主要思想是使用加密元来证明它们属于某个群体。但这些机制的性能受到群体规模的限制，而且它是一种中心化的系统，虽然从外部保护了用户隐私，但对于内部的恶意节点，该方案是无效的。

在CS系统中，数据隐私保护主要目的在于有效保护参与者在数据采集和上传过程以及任务中心在数据聚合和分析过程中的隐私不被泄漏。Dürr等人将用户的位置数据分成不同的精度，并通过一组位置服务器来进行模糊共享，从而保护用户的位置数据隐私，然而该方案借助的位置服务器是中心化的，而且此方案由于需要移动设备在每次共享过程中与不同的服务器交互，大大增加了系统的传输开销。另一种数据隐私保护是基于数据扰动的方案，此方案建议从已知分布中提取随机噪声来修改原始数据集。如，高斯分布可用于更改用户的实际位置。而对任务中心而言，可以利用基于贝叶斯定理的迭代算法来对数据分布进行重建。李等人构建了一个基于区块链的去中心化CS框架，其中任务发布可以由彼此平等的工人而不是任何可信第三方进行。然而该框架没有解释矿工的身份，这可能导致模拟攻击。为保护数据隐私，吴等人提出了一种基于动态信任关系模型的感知数据隐私保护机制，称为DTRPP。DTRPP将密钥分发与信任管理相结合，实现了节点的动态管理，并估计了公钥的信任度。但是，DTRPP中的信任管理方案忽略了节点的身份隐私问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于区块链的群智感知双重隐私保护机制，以缓解现有技术中存在的对CS系统中数据隐私保护的运维成本高、系统设计复杂、现实身份和虚拟身份关联性较强以及不诚实节点作恶导致系统瘫痪等技术问题。

为了达到上述目的，本发明提供的基于区块链的群智感知双重隐私保护方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)：任务发布中心发布感知任务，并向区块链网络发送该任务相关的消息；

2)：区块链网络接收到上述消息后通过智能合约生成感知任务通知并广播给所有工人；

3)：工人接收到上述感知任务通知后执行感知任务，并将感知数据上传给区块链网络；

4)：区块链网络中的节点利用共识算法来竞争记账权，获得记账权的矿工验证感知数据的质量，并根据贡献度量化奖励，然后生成最终区块；

5)：当最终区块被记录到区块链上时，奖励也会被分配给相应的工人和矿工。

如图2所示，在步骤1)中，所述的任务发布中心发布感知任务，并向区块链网络发送该任务相关的消息的方法包括以下步骤：

101)：根据质量评级表QGT_task给出的具体质量评估和奖励标准，任务发布中心计算出某一感知任务的预计总薪酬并作为支付押金M；

102)：任务发布中心根据上述质量评级表QGT_task和支付押金M生成感知任务Task；

103)：任务发布中心根据公式

并结合上述感知任务生成与该任务相关的信息并发送给区块链网络，其中h(Task)表示该感知任务的单向散列值，/>

表示对散列之后的感知任务使用任务发布中心的私钥SK_TRC进行的数据签名。

如图2所示，在步骤2)中，所述的区块链网络接收到上述消息后通过智能合约生成感知任务通知并广播给所有工人的方法包括下列步骤：

201)：当区块链网络收到任务发布中心发送消息后，首先验证数据签名

是否正确；

202)：验证感知任务的单向散列值h(Task)是否正确；

203)：判断时间窗口是否在已设置的时间范围内；

204)：如果判断结果为时间窗口在已设置的时间范围内，将当前感知任务生成感知任务通知，并将此感知任务通知广播给所有工人。

如图3所示，在步骤3)中，所述的工人接收到上述感知任务通知后执行感知任务，并将感知数据上传给区块链网络的方法包括以下步骤：

301)：在收到广播的感知任务通知后，所有工人都将依据自己的能力和兴趣判断感知任务的内容和要求，并进行成本评估，从而获得成本评估值CE；

302)：根据上述成本评估值CE初步筛选出γ个任务参与者；

303)：每个任务参与者根据感知任务通知中的感知任务要求分别采集感知数据

(i＝1，2，...，γ)，每个采集的感知数据中都包含一个时间参数，该时间参数通过下式获得：

其中，t_end表示感知任务结束时间，t_start表示感知任务开始时间，t_trans表示感知数据传输时间，α是一个常量，可根据当前网络条件进行动态调整；

304)：任务参与者分别对采集到的感知数据进行加密而获得加密感知数据

并生成签名/>

305)：当γ≤21时，区块链网络利用首席工人选择算法选择出首席工人

否则区块链网络先利用核心工人选择算法再用首席工人算法选择出首席工人/>

306)：首席工人

将上述所有任务参与者的加密感知数据进行汇总而获得加密感知汇总数据/>

并对所有任务参与者的签名进行聚合生成聚合签名ε；

307)：首席工人

将由上述加密感知汇总数据和聚合签名构成的信息(C，ε)发送到区块链网络。

在步骤305)中，所述的区块链网络利用首席工人选择算法选择出首席工人

的方法包括下列步骤：

A.参数初始化：fellow←w_i，

N_v＝0，其中(i∈1，2，...，γ|γ＞3f+1)，f表示不可信工人的数量，/>

表示工人w_i的任期编号，N_v表示初始数值；

B.设定随机结束时间T_out，并开启计数器；

C.当时间窗口在随机结束时间T_out范围内时，重复执行以下所有步骤；

D.将该工人标记为候选者，令TN+1；

E.重新开启计数器，令N_v+1；

F.将投票请求发送到所有其他节点并等待回复投票；

G.当收到回复投票时，重新计算初始数值N_v，如果

则将该候选者选为首席工人/>

当收到首席工人/>

确认时，将候选者标记为工人，否则循环执行步骤F、G而进入下一轮选择。

在步骤305)中，所述的区块链网络先利用核心工人选择算法再用首席工人算法选择出首席工人

的方法包括下列步骤：

A1.工人w_i将SV发送给若干其他工人，不包括自己，其中SV表示每个工人w_i的初始投票额度；

B1.每个工人各自计算所收到的票数N_i；

C1.将所有工人的票数进行排序，选择前21名，并生成核心工人列表L；

D1.对核心工人列表L执行乱序排序；

E1.从剩下的γ-21个工人中选择b个工人作为预备核心工人bl_i，其中10＜b＜γ-21；

F1.如果出现失效的工人，则从预备核心工人bl_i中随机选择新的工人并加入到核心工人列表L中，并对核心工人列表L再次执行乱序排序；

G1.核心工人列表L中的核心工人再继续按照首席工人选择算法选出首席工人

如图4所示，在步骤4)中，所述的区块链网络中的节点利用共识算法来竞争记账权，获得记账权的矿工验证感知数据的质量的方法包括下列步骤：

401)：区块链网络中的矿工使用PoW共识算法来竞争此次感知任务通知的记账权，矿工通过不断执行哈希运算来寻找符合系统设定的一组目标数值，具体表示如下：

SHA256(SHA256(block+nonce))＜traget

402)：获得记账权的矿工m_φ对聚合签名ε进行验证；

403)：聚合签名验证通过后，获得记账权的矿工m_φ生成非对称密钥对

并将其中的公钥l发送给γ个任务参与者；

404)：γ个任务参与者用公钥l加密数据

并将加密后的密文发送给获得记账权的矿工m_φ；

405)：获得记账权的矿工m_φ收到密文后，用下式进行解密：

接着，获得记账权的矿工m_φ解密加密感知汇总数据

并利用数据/>

计算感知加密数据/>

从而获得记账权的矿工m_φ得到感知数据集：

406)：获得记账权的矿工m_φ对上述感知数据集中感知数据的质量进行初步评估，并筛选出不符合要求的感知数据；

407)：获得记账权的矿工m_φ对筛选后的感知数据集D_ac进一步进行评估，首先计算工人w_j的数据时间参数

的数学期望值/>

j＝1，2，...，s，其中s表示筛选后的感知数据个数；

408)：获得记账权的矿工m_φ依据感知数据的质量，按每个工人的数据时间参数

的数学期望值/>

对筛选后的感知数据集D_ac进行分类。

如图5所示，在步骤4)中，所述的根据贡献度量化奖励的方法包括以下步骤：

4001)：对筛选后的感知数据集D_ac中的每个感知数据都设定一个奖励评估值，并计算s个工人的总奖励收入f(D_ac)；

4002)：计算工人w_j的奖励值

4003)：按下式计算获得记账权的矿工m_φ的奖励值：

其中Δ_system表示区块生成的系统奖励。

在步骤5)中，所述的当最终区块被记录到区块链上时，奖励也会被分配给相应的工人和矿工的方法是：所有矿工都将被大多数工人共识过的最终区块记录在最长的那条区块链上，同时也会将在步骤4)中计算好的奖励值分配给工人和自己。

本发明提供的基于区块链的群智感知双重隐私保护方法具有以下有益效果：

1、本发明使用区块链技术，当所有实体参与感知任务后，对发出的数据无法进行否认，同时无法在其并未发出任何消息时声称已发送了某数据；

2、本发明在首席工人的选择上设计了首席工人选择算法和核心工人选择算法，以满足不同的用户规模需求，同时能支持新的感知用户的加入，保证系统性能不会因为网络规模的扩大而下降；

3、本发明在矿工验证数据质量时需要在相应的时间范围内完成，确保任务响应的及时性；

4、本发明在发送数据时，利用现代密码学加密技术，确保原始数据只对数据提供者可见，同时保证加密后的密文能被第三方利用而不泄露数据提供者的隐私信息，在分配奖励时将用户的公钥作为付款地址，从而降低虚拟身份和现实身份的关联性；

5、本发明通过贡献度共识算法达成共识，使用共享区块链保存记录，一方面提供透明的记录，为审计带来便捷，同时可防止不法分子针对共享网络的恶意攻击行为。

附图说明

图1为本发明提供的基于区块链的群智感知双重隐私保护方法流程图；

图2为本发明提供的基于区块链的群智感知双重隐私保护方法中感知任务发布流程图；

图3为本发明提供的基于区块链的群智感知双重隐私保护方法中感知数据上传流程图；

图4为本发明提供的基于区块链的群智感知双重隐私保护方法中数据质量验证流程图；

图5为本发明提供的基于区块链的群智感知双重隐私保护方法中奖励量化流程图、

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的基于区块链的群智感知双重隐私保护方法进行详细说明。

如图1所示，本发明提供的基于区块链的群智感知双重隐私保护方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)：任务发布中心发布感知任务，并向区块链网络发送该任务相关的消息；

2)：区块链网络接收到上述消息后通过智能合约生成感知任务通知并广播给所有工人；

3)：工人接收到上述感知任务通知后执行感知任务，并将感知数据上传给区块链网络；

4)：区块链网络中的节点利用共识算法来竞争记账权，获得记账权的矿工验证感知数据的质量，并根据贡献度量化奖励，然后生成最终区块；

5)：当最终区块被记录到区块链上时，奖励也会被分配给相应的工人和矿工。

如图2所示，在步骤1)中，所述的任务发布中心发布感知任务，并向区块链网络发送该任务相关的消息的方法包括以下步骤：

101)：根据质量评级表QGT_task给出的具体质量评估和奖励标准，任务发布中心计算出某一感知任务的预计总薪酬并作为支付押金M；

102)：任务发布中心根据上述质量评级表QGT_task和支付押金M生成感知任务Task；

103)：任务发布中心根据公式

并结合上述感知任务生成与该任务相关的信息并发送给区块链网络，其中h(Task)表示该感知任务的单向散列值，/>

表示对散列之后的感知任务使用任务发布中心的私钥SK_TRC进行的数据签名。

如图2所示，在步骤2)中，所述的区块链网络接收到上述消息后通过智能合约生成感知任务通知并广播给所有工人的方法包括下列步骤：

201)：当区块链网络收到任务发布中心发送消息后，首先验证数据签名

是否正确；

202)：验证感知任务的单向散列值h(Task)是否正确；

203)：判断时间窗口是否在已设置的时间范围内；

204)：如果判断结果为时间窗口在已设置的时间范围内，将当前感知任务生成感知任务通知，并将此感知任务通知广播给所有工人。

如图3所示，在步骤3)中，所述的工人接收到上述感知任务通知后执行感知任务，并将感知数据上传给区块链网络的方法包括以下步骤：

301)：在收到广播的感知任务通知后，所有工人都将依据自己的能力和兴趣判断感知任务的内容和要求，并进行成本评估，从而获得成本评估值CE；

302)：根据上述成本评估值CE初步筛选出γ个任务参与者；

303)：每个任务参与者根据感知任务通知中的感知任务要求分别采集感知数据

(i＝1，2，...，γ)，每个采集的感知数据中都包含一个时间参数，该时间参数通过下式获得：

其中，t_end表示感知任务结束时间，t_start表示感知任务开始时间，t_trans表示感知数据传输时间，α是一个常量，可根据当前网络条件进行动态调整；

304)：任务参与者分别对采集到的感知数据进行加密而获得加密感知数据

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306)：首席工人

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并对所有任务参与者的签名进行聚合生成聚合签名ε：

307)：首席工人

将由上述加密感知汇总数据和聚合签名构成的信息(C，ε)发送到区块链网络。

在步骤305)中，所述的区块链网络利用首席工人选择算法选择出首席工人

的方法包括下列步骤：

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C.当时间窗口在随机结束时间T_out范围内时，重复执行以下所有步骤；

D.将该工人标记为候选者，令TN+1；

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的方法包括下列步骤：

A1.工人w_i将SV发送给若干其他工人，不包括自己，其中SV表示每个工人w_i的初始投票额度；

B1.每个工人各自计算所收到的票数N_i；

C1.将所有工人的票数进行排序，选择前21名，并生成核心工人列表L；

D1.对核心工人列表L执行乱序排序；

E1.从剩下的γ-21个工人中选择b个工人作为预备核心工人bl_i，其中10＜b＜γ-21；

F1.如果出现失效的工人，则从预备核心工人bl_i中随机选择新的工人并加入到核心工人列表L中，并对核心工人列表L再次执行乱序排序；

G1.核心工人列表L中的核心工人再继续按照首席工人选择算法选出首席工人

如图4所示，在步骤4)中，所述的区块链网络中的节点利用共识算法来竞争记账权，获得记账权的矿工验证感知数据的质量的方法包括下列步骤：

401)：区块链网络中的矿工使用PoW共识算法来竞争此次感知任务通知的记账权，矿工通过不断执行哈希运算来寻找符合系统设定的一组目标数值，具体表示如下：

SHA256(SHA256(b1ock+nonce))＜traget

402)：获得记账权的矿工m_φ对聚合签名ε进行验证；

403)：聚合签名验证通过后，获得记账权的矿工m_φ生成非对称密钥对

并将其中的公钥l发送给γ个任务参与者；

404)：γ个任务参与者用公钥l加密数据

并将加密后的密文发送给获得记账权的矿工m_φ；

405)：获得记账权的矿工m_φ收到密文后，用下式进行解密：

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从而获得记账权的矿工m_φ得到感知数据集：

406)：获得记账权的矿工m_φ对上述感知数据集中感知数据的质量进行初步评估，并筛选出不符合要求的感知数据；

407)：获得记账权的矿工m_φ对筛选后的感知数据集D_ac进一步进行评估，首先计算工人w_j的数据时间参数

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对筛选后的感知数据集D_ac进行分类。

如图5所示，在步骤4)中，所述的根据贡献度量化奖励的方法包括以下步骤：

4001)：对筛选后的感知数据集D_ac中的每个感知数据都设定一个奖励评估值，并计算s个工人的总奖励收入f(D_ac)；

4002)：计算工人w_j的奖励值

4003)：按下式计算获得记账权的矿工m_φ的奖励值：

其中Δ_system表示区块生成的系统奖励。

在步骤5)中，所述的当最终区块被记录到区块链上时，奖励也会被分配给相应的工人和矿工的方法是：所有矿工都将被大多数工人共识过的最终区块记录在最长的那条区块链上，同时也会将在步骤4)中计算好的奖励值分配给工人和自己。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种基于区块链的群智感知双重隐私保护方法，所述的基于区块链的群智感知双重隐私保护方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)：任务发布中心发布感知任务，并向区块链网络发送该任务相关的消息；

2)：区块链网络接收到上述消息后通过智能合约生成感知任务通知并广播给所有工人；

3)：工人接收到上述感知任务通知后执行感知任务，并将感知数据上传给区块链网络；

4)：区块链网络中的节点利用共识算法来竞争记账权，获得记账权的矿工验证感知数据的质量，并根据贡献度量化奖励，然后生成最终区块；

5)：当最终区块被记录到区块链上时，奖励也会被分配给相应的工人和矿工；

在步骤3)中，所述的工人接收到上述感知任务通知后执行感知任务，并将感知数据上传给区块链网络的方法包括以下步骤：

301)：在收到广播的感知任务通知后，所有工人都将依据自己的能力和兴趣判断感知任务的内容和要求，并进行成本评估，从而获得成本评估值CE；

302)：根据上述成本评估值CE初步筛选出γ个任务参与者；

303)：每个任务参与者根据感知任务通知中的感知任务要求分别采集感知数据

每个采集的感知数据中都包含一个时间参数/>

该时间参数通过下式获得：

其中，t_end表示感知任务结束时间，t_start表示感知任务开始时间，t_trans表示感知数据传输时间，α是一个常量，可根据当前网络条件进行动态调整；

304)：任务参与者分别对采集到的感知数据进行加密而获得加密感知数据

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305)：当γ≤21时，区块链网络利用首席工人选择算法选择出首席工人

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306)：首席工人

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并对所有任务参与者的签名进行聚合生成聚合签名ε；

307)：首席工人

将由上述加密感知汇总数据和聚合签名构成的信息(C,ε)发送到区块链网络；

在步骤305)中，所述的区块链网络利用首席工人选择算法选择出首席工人

的方法包括下列步骤：

A.参数初始化：fellow←w_i，

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表示工人w_i的任期编号，N_v表示初始数值；

B.设定随机结束时间T_out，并开启计数器；

C.当时间窗口在随机结束时间T_out范围内时，重复执行以下所有步骤；

D.将该工人标记为候选者，令TN+1；

E.重新开启计数器，令N_v+1；

F.将投票请求发送到所有其他节点并等待回复投票；

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在步骤305)中，所述的区块链网络先利用核心工人选择算法再用首席工人算法选择出首席工人

的方法包括下列步骤：

A1.工人w_i将SV发送给若干其他工人，不包括自己，其中SV表示每个工人w_i的初始投票额度；

B1.每个工人各自计算所收到的票数N_i；

C1.将所有工人的票数进行排序，选择前21名，并生成核心工人列表L；

D1.对核心工人列表L执行乱序排序；

E1.从剩下的γ-21个工人中选择b个工人作为预备核心工人bl_i，其中10<b<γ-21；

F1.如果出现失效的工人，则从预备核心工人bl_i中随机选择新的工人并加入到核心工人列表L中，并对核心工人列表L再次执行乱序排序；

G1.核心工人列表L中的核心工人再继续按照首席工人选择算法选出首席工人

2.根据权利要求1所述的基于区块链的群智感知双重隐私保护方法，其特征在于：在步骤4)中，所述的区块链网络中的节点利用共识算法来竞争记账权，获得记账权的矿工验证感知数据的质量的方法包括下列步骤：

401)：区块链网络中的矿工使用PoW共识算法来竞争此次感知任务通知的记账权，矿工通过不断执行哈希运算来寻找符合系统设定的一组目标数值，具体表示如下：

SHA256(SHA256(block+nonce))＜traget

402)：获得记账权的矿工m_φ对聚合签名ε进行验证；

403)：聚合签名验证通过后，获得记账权的矿工m_φ生成非对称密钥对

并将其中的公钥l发送给γ个任务参与者；

404)：γ个任务参与者用公钥l加密数据

并将加密后的密文发送给获得记账权的矿工m_φ；

405)：获得记账权的矿工m_φ收到密文后，用下式进行解密：

接着，获得记账权的矿工m_φ解密加密感知汇总数据

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从而获得记账权的矿工m_φ得到感知数据集：

406)：获得记账权的矿工m_φ对上述感知数据集中感知数据的质量进行初步评估，并筛选出不符合要求的感知数据；

407)：获得记账权的矿工m_φ对筛选后的感知数据集D_ac进一步进行评估，首先计算工人w_j的数据时间参数

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