CN108063752B - 基于区块链与代理重加密的可信基因检测及数据共享方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于区块链与代理重加密技术的可信基因检测及数据共享方法，应用在基于依次连接的应用管理层、区块链层以及分布式数据存储层的应用系统。该方法建立基于区块链技术的检测机构和医院的信誉度管理方案，解决第三方机构随意给出检测结果的问题。同时，基于公钥加密方案，保护个人用户的隐私数据，使得个人对自己的基因数据有完全的控制权和所有权。最后，在区块链智能合约中实现一种可撤销的代理重加密方案，保证科研机构在得到个人用户授权之后获取基因组数据。

Description

基于区块链与代理重加密的可信基因检测及数据共享方法
技术领域
本发明涉及网络空间安全技术领域，具体涉及一种基于区块链与代理重加密技术的可信基因检测及数据共享方法。
背景技术
2015年1月，国家公布了产前筛查与诊断高通量测序试点单位，4月公布了肿瘤诊断与治疗高通量基因测序试点单位，表明了政府推动精准医疗发展的决心。基因测序是精准医疗计划的核心手段。基因检测可以对疾病的易感基因及对应位点进行检测，实现肿瘤，心血管疾病，免疫代谢疾病的风险评估。对于疾病的预防与治疗有重要意义。但是，基因测序的价格之前一直久高不下，在10多年前，基因测序成本约为几十亿美金。直到最近，才逐渐将成本控制到人们可以接受的价格。2017年1月在美国旧金山召开的JP Morgan会议，全球最大的测序仪制造商illumina宣布NovaSeq，目标是将测序成本降到100美金，折合人民币只有不到1000块。“旧时王谢堂前燕，飞入寻常百姓家”，如此低廉的价格，让越来越多的普通民众也开始关注基因检测。
实际上，基因检测有三种方式，第一种是测基因组上的某些区域(与特定疾病相关)，用来预测与判别某种特定的疾病。此时，主流方法是经目标区域富集之后测序，该方法的测序量很小，成本价格在1000块以内。第二种方法是，用基因芯片检测对多个位点(与特定疾病相关)进行检测，价格在数千元不等。第三种方法是全基因组测序。能获得更完整的基因组序列信息，提高对疾病风险估计的准确性，但是这种方法的成本最高，最少也需要数万元。实际上，目前市场上存在着管理乱象，标准不统一等众多问题。有的无良商家甚至混淆几种检测的概念，知道看基因检测报告需要丰富的先验知识，而这些知识不是普通民众能掌握的，竟用简单目标基因测序冒充全基因检测，欺骗消费者。
如果基因检测公司自身可以提供可靠的服务，加大监管力度，保证其提供的每一次检测结果都是可靠可信的，那么，也就不会出现基因检测市场乱象的情况了。为此，我们引入区块链技术，设计基于区块链可信基因检测及数据共享方法，来保证其提供的每一次检测结果的可靠性。同时，为了保证基因数据的隐私性，我们引入了可撤销的代理重加密来实现对用户分发出的基因数据的保密性控制。
区块链简介：区块链技术是当今一项十分具有影响力的技术。被誉为颠覆世界的下一代互联网新技术。区块链通过将数据以区块的形式组织起来，分布于网络中的各个节点，由于每个节点的地位平等，没有客户端和服务器的概念，就从根本上实现了去中心化。又由于在每一次记录的过程中，数字签名、哈希指纹等密码学手段保证了其每一块数据的不可篡改性。所以，基于区块链的应用具有不可篡改性和去中心化的性质。
代理重加密技术简介：代理重加密是近年来密码学领域的一个热点研究话题，它在数字版权保护、加密电子邮件转发和云计算等场合有着广泛的应用。在代理重加密中，代理者在获得由授权人产生的针对被授权人的转换钥后，就能将原本针对授权人的密文转换为针对被授权人的密文。然后被授权人只需利用其私钥就可以解密该转换后的密文。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于区块链与代理重加密技术的可信基因检测及数据共享方法，该方法通过建立第三方检测机构的信誉度管理机制，将个人基因组数据的检测、保存、共享等过程通过公钥加密方案，以智能合约的形式在区块链中进行操作，用户无需依赖第三方来存储其基因组数据，数据的保存及使用都依赖于用户本人，解决当前基因检测市场混乱，随意给出检测结果以及个人基因数据隐私泄露等问题。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于区块链与代理重加密技术的可信基因检测及数据共享方法，应用在基于依次连接的应用管理层、区块链层以及分布式数据存储层的应用系统，所述的应用管理层包括基因数据管理模块、用户可信注册模块、智能合约管理模块、数据代理重加密模块，其中，用户可信注册模块用于基因检测及医疗单位的第三方机构的信誉度管理；所述的区块链层包括若干相互连接的区块，其中，区块包括智能合约，智能合约根据智能合约模板的内容，用于编辑和录入第三方机构、个人用户的信息；所述的分布式数据存储层用于存储加密的基因原数据信息，其中，基因数据信息的哈希值由所述的区块链层进行保存，确保数据的完整性及不可追溯性；所述的可信基因检测及数据共享方法包括下列步骤：
S1、第三方检测机构、个人用户通过用户可信注册模块注册账户信息，基因数据管理模块为其分配公私钥、地址、初始信誉值信息，其中公私钥或由个人用户自身产生后上传，初始信誉值为最大值；
S2、个人用户与第三方检测机构达成交易智能合约，第三方检测机构对个人用户的基因数据进行检测，并利用用户公布的公钥信息，结合公钥加密方案，将检测的基因数据加密上传至基因数据管理模块中；其中，公钥信息被记录在区块链层上，以保证信息的不可篡改性；
S3、个人用户将自身的基因数据用自身的公钥进行加密，存储在云端，将密文的哈希值存储在区块链层上，另外，个人用户利用自身的公钥查询到自身的基因组数据，同时查看该基因数据状态为已录入、已加密状态以及该数据的检测机构；如果用户在另外一个第三方检测机构进行检测时发现，所检测基因数据的哈希值与前检测机构所检测结果不一致，可进行申述检测，对得到有效判别的依据的结果后，智能合约依据该结果自动对相应检测机构的信誉值减少；
S4、医疗科研院所对某个人的基因组数据进行访问需要首先与本人达成相应的智能合约协议，在得到个人用户授权的情况下，用户将密文的基因组数据利用代理重加密方案转换为相应科研机构的密文数据，保证用户在不需要泄露个人私钥的情况下进行数据共享。
进一步地，所述的步骤S4具体包括下列子步骤：
S401、建立算法，给定安全参数，该算法生成全局参数，用以调节与设计加解密的基本安全性要求；
S402、代理重加密密钥生成，授权人利用自身的私钥以及被授权人的公钥，生成代理重加密密钥，同时，授权人将重加密密钥发送给被授权人；
S403、被授权人接收到重加密密钥之后，下载存储在云端的密文数据，通过区块链校验数据的合法性及确保数据没有被篡改后，通过重加密密钥对密文进行转换，将密文转化为用被授权人公钥加密的新密文；
S404、被授权人利用自身的私钥，对新生成的密文进行解密，恢复出要检测的基因数据。
进一步地，所述的智能合约模板用于用户基因数据的录入、查询、共享操作。
进一步地，所述的区块链层属于不受第三方控制的去中心化平台，采用基于公有链模型的共识机制。
进一步地，利用区块链层的所述的交易智能合约，个人用户在私钥泄露条件下可对存储的公钥进行更改。
进一步地，所述的用户可信注册模块用身份证和营业执照信息对用户进行标识，用以保证参与各方电子身份与真实身份严格对应。
进一步地，所述的分布式数据存储层封装若干区块链接口，包括基因数据管理模块、用户可信注册模块、智能合约管理模块、数据代理重加密模块的接口，所述的分布式数据存储层通过区块链接口与所述的区块链层连接。
进一步地，所述的可信基因检测及数据共享方法还包括建立基于区块链的第三方机构信誉度管理方案，信誉值的变更在智能合约中进行处理，智能合约只有检测到双方约定的有效输入才能触发信誉值更新函数执行。
进一步地，所述的可信基因检测及数据共享方法还包括建立可撤销的代理重加密方案，基因组数据只有用户本人通过私钥解密后可查看，其它第三方需要访问明文数据需要与用户达成合约，合约中约定基因组数据的使用时间，超过该时间以后用户个人密文数据无法被检测机构解密使用。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、该发明建立基于区块链技术的检测机构和医院的信誉度管理方案，解决第三方机构随意给出检测结果的问题。
2、同时，基于安全公钥加密方案，保护个人用户的隐私数据，使得个人对自己的基因数据有完全的控制权。
3、另外，在区块链智能合约中实现一种可撤销的代理重加密方案，保证科研机构在得到个人用户授权之后获取基因组数据。
4、最后，检测机构对个人基因数据的检测结果被记录在区块链中，无法篡改，并且可进行有效追溯，使得第三方检测机构不能随意给出或捏造检测结果，构建了一个可信的价值传输网络。
附图说明
图1是本发明公开的基于区块链与代理重加密技术的可信基因检测及数据共享方法应用系统框架图；
图2是本发明公开的基于区块链与代理重加密技术的可信基因检测及数据共享方法流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
实施例
基因检测技术作为精准医疗的核心和基础，面临以下几大问题：1)基因检测是检测人体基因是否存在缺陷、筛查病变基因的重要手段，由于基因检测结果只能表明具有较高风险的患病概率，并非确定性诊断，因此很多第三方基因检测机构存在随意给出检测结果，且不用为此承担责任；2)个人基因数据作为个人隐私数据中非常重要的部分，需要得到有效地保护，而现有的检测机构将个人基因数据检测出来后存在一般的数据中心，存在数据泄露以及被恶意黑客攻击的风险；3)基因数据作为医疗科学研究的重要资源，需要在授权的前提下进行数据共享，然而现有的方案都需要依赖于第三方中心机构来完成。
针对上述存在的问题，本实施例提出了一种基于区块链与代理重加密技术的可信基因检测及数据共享的方案，如附图1中基于区块链与代理重加密技术的可信基因检测及数据共享方法应用系统框架图所示，该方法的应用系统包括依次连接的应用管理层、区块链层以及分布式数据存储层，所述的应用管理层包括基因数据管理模块、用户可信注册模块、智能合约管理模块、数据代理重加密模块，所述的用户可信注册模块用于基因检测及医疗单位等第三方机构的信誉度管理；所述的区块链层包括若干相互连接的区块，所述的区块包括智能合约，智能合约根据智能合约模板的内容，用于编辑和录入第三方机构、个人用户的信息；所述的智能合约模板用于用户基因数据的录入、查询、共享操作；所述的分布式数据存储层用于存储加密的基因原数据信息；所述的基因数据信息的哈希值由所述区块链层进行保存，确保数据的完整性及不可追溯性；所述的区块链层属于不受第三方控制的去中心化平台，采用基于公有链模型的共识机制。
其中应用管理层的基因数据管理模块、用户可信注册模块、智能合约管理模块、数据代理重加密模块首先完成个人基因检测数据的录入、查询、共享等客户端操作，包括下述步骤：
S1、第三方检测机构、个人用户通过用户可信注册模块注册账户信息，基因数据管理模块为其分配公私钥、地址、初始信誉值等信息，其中公私钥也可由用户自己产生后上传，初始信誉值为最大值；为保证参与各方电子身份与真实身份严格对应，可用身份证、营业执照等唯一信息，对用户进行标识。
S2、个人用户与第三方检测机构达成交易智能合约，第三方检测机构对个人用户的基因数据进行检测，并利用用户公布的公钥信息，结合公钥加密方案，将检测的基因数据加密上传至基因数据管理模块中；其中，公钥信息被记录在区块链层上，可以保证信息的不可篡改性。同时，利用区块链层的智能合约，用户可以对存储的公钥进行一定条件(如私钥泄露)下的更改。
S3、个人用户将自身的基因数据用自身的公钥进行加密，存储在云端，将密文的哈希(Hash)值存储在区块链层上。这样做的目的有两个，第一个是基于安全性考虑，如果将数据直接存储在区块链层上，一旦将来自身的私钥发生泄漏，由于区块链本身具有不可篡改性，这些私密的基因数据将永远暴露在网络上。第二个是基于存储考虑，由于基因数据本身占用的空间较大，区块链层本身又是一个全复制的分布式存储系统，如果将基因数据直接存储在区块链层，会导致区块链层的体积增长非常迅速，进而造成交易延迟等问题，限制区块链层自身的稳定性。另外，个人用户利用自身的公钥查询到自身的基因组数据，同时查看该基因数据状态为已录入、已加密等状态以及该数据的检测机构；如果用户在另外一个第三方检测机构进行检测时发现，所检测基因数据的哈希值与前检测机构所检测结果不一致，可进行申诉检测，对得到有效判别的依据的结果后，智能合约依据该结果自动对相应检测机构的信誉值减少；
S4、医疗科研院所对某个人的基因组数据进行访问需要首先与本人达成相应的智能合约协议，在得到个人用户授权的情况下，用户将密文的基因组数据利用代理重加密方案转换为相应科研机构的密文数据，保证用户在不需要泄露个人私钥的情况下进行数据共享；具体来说，可以简化为以下步骤：
S401、建立算法，给定安全参数，该算法生成全局参数，用以调节与设计加解密的基本安全性要求。
S402、密钥生成算法，授权人(上文中的用户)利用自身的私钥，以及被授权人(上文中的科研机构等需要使用用户基因组数据的相关机构)的公钥，生成重加密密钥。同时，授权人将重加密密钥发送给被授权人。
S403、被授权人(上文中的科研机构等需要使用用户基因组数据的相关机构)接收到重加密密钥之后，下载存储在云端的密文数据，通过区块链校验数据的合法性及确保数据没有被篡改后，通过重加密密钥对密文进行转换，将密文转化为用被授权人公钥加密的新密文。
S404、被授权人利用自身的私钥，对新生成的密文进行解密，恢复出要检测的基因数据。
本方案使用可撤销的代理重加密方案，基因组数据只有用户本人通过私钥解密后可查看，其它第三方需要访问明文数据需要与用户达成合约，合约中约定基因组数据的使用时间，超过该时间以后用户个人密文数据无法被检测机构解密使用。
另外，所述的分布式数据存储层封装若干区块链接口，包括基因数据管理模块、用户可信注册模块、智能合约管理模块、数据代理重加密模块的接口，所述的分布式数据存储层通过区块链接口与所述的区块链层连接。而建立基于区块链的第三方机构信誉度管理方案，信誉值的变更在智能合约中进行处理，智能合约只有检测到双方约定的有效输入才能触发信誉值更新函数执行。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于区块链与代理重加密技术的可信基因检测及数据共享方法，应用在基于依次连接的应用管理层、区块链层以及分布式数据存储层的应用系统，所述的应用管理层包括基因数据管理模块、用户可信注册模块、智能合约管理模块、代理重加密模块，其中，用户可信注册模块用于基因检测及医疗单位的第三方机构的信誉度管理；所述的区块链层包括若干相互连接的区块，其中，区块包括智能合约，智能合约根据智能合约模板的内容，用于编辑和录入第三方机构、个人用户的信息；所述的分布式数据存储层用于存储加密后的基因原数据信息，其中，基因数据信息的哈希值由所述的区块链层进行保存，确保数据的完整性及不可追溯性；其特征在于，所述的可信基因检测及数据共享方法包括下列步骤：
S1、第三方检测机构、个人用户通过用户可信注册模块注册账户信息，基因数据管理模块为其分配公私钥、地址、初始信誉值等信息，其中公私钥或由个人用户自身产生后上传，初始信誉值为最大值；
S2、个人用户与第三方检测机构达成交易智能合约，第三方检测机构对个人用户的基因数据进行检测，系统利用用户公布的公钥信息，结合公钥加密方案，将检测的基因数据加密后上传至基因数据管理模块中；其中，基因数据的哈希信息、所有者、时间戳记录在区块链层上，以保证信息的不可篡改性；
S3、个人用户将自身的基因数据用自身的公钥进行加密，存储在云端，将密文的哈希值存储在区块链层上，另外，个人用户利用公钥查询到自身的基因组数据，同时查看该基因数据状态为已录入、已加密等状态，以及该数据对应的检测机构；如果用户在另外一个第三方检测机构进行检测时发现，所检测基因数据的哈希值与前检测机构所检测结果不一致，可进行申诉检测，对得到有效判别的依据的结果后，智能合约依据该结果自动将相应检测机构的信誉值减少；
S4、医疗科研院所对某个人的基因组数据进行访问，需要与本人达成相应的智能合约协议，用户对数据请求进行授权，用私钥在该数据请求智能合约上做数字签名，同时用户将密文的基因组数据利用代理重加密方案转换为相应科研机构的密文数据，保证用户在不需要泄露个人私钥的情况下进行数据共享。
2.根据权利要求1所述的一种基于区块链与代理重加密技术的可信基因检测及数据共享方法，其特征在于，所述的步骤S4具体包括下列子步骤：
S401、建立算法，给定安全参数，该算法生成全局参数，用以调节与设计加解密的基本安全性要求；
S402、代理重加密密钥生成，授权人利用自身的私钥以及被授权人的公钥，生成代理重加密密钥，同时，授权人将重加密密钥发送给被授权人；
S403、被授权人接收到重加密密钥之后，下载存储在云端的密文数据，通过区块链校验数据的合法性及确保数据没有被篡改后，通过重加密密钥对密文进行转换，将密文转化为用被授权人公钥加密的新密文；
S404、被授权人利用自身的私钥，对新生成的密文进行解密，恢复出要检测的基因数据。
3.根据权利要求1所述的一种基于区块链与代理重加密技术的可信基因检测及数据共享方法，其特征在于，所述的智能合约模板用于用户基因数据的录入、查询、共享操作。
4.根据权利要求1所述的一种基于区块链与代理重加密技术的可信基因检测及数据共享方法，其特征在于，所述的区块链层属于不受第三方控制的去中心化平台，采用基于公有链模型的共识机制。
5.根据权利要求1所述的一种基于区块链与代理重加密技术的可信基因检测及数据共享方法，其特征在于，利用区块链层的所述的交易智能合约，个人用户在私钥泄露条件下可对存储的公钥进行更改。
6.根据权利要求1所述的一种基于区块链与代理重加密技术的可信基因检测及数据共享方法，其特征在于，所述的用户可信注册模块用身份证和营业执照信息对用户进行标识，用以保证参与各方数字身份与真实身份严格对应。
7.根据权利要求1所述的一种基于区块链与代理重加密技术的可信基因检测及数据共享方法，其特征在于，所述的分布式数据存储层封装若干区块链接口，包括基因数据管理模块、用户可信注册模块、智能合约管理模块、数据代理重加密模块的接口，所述的分布式数据存储层通过区块链接口与所述的区块链层连接。
8.根据权利要求1所述的一种基于区块链与代理重加密技术的可信基因检测及数据共享方法，其特征在于，所述的可信基因检测及数据共享方法还包括建立基于区块链的第三方机构信誉度管理方案，信誉值的变更在智能合约中进行处理，智能合约只有检测到双方约定的有效输入才能触发信誉值更新函数执行。
9.根据权利要求1所述的一种基于区块链与代理重加密技术的可信基因检测及数据共享方法，其特征在于，所述的可信基因检测及数据共享方法还包括建立可撤销的代理重加密方案，基因组数据只有用户本人通过私钥解密后可查看，其它第三方需要访问明文数据需要与用户达成合约，合约中约定基因组数据的使用时间，超过该时间以后用户个人密文数据无法被检测机构解密使用。
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