CN109299217A - 一种基于区块链的安全存储和检索方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于区块链的安全存储和检索方法，属于计算机软件技术领域，包括公钥和私钥初始化、数据文档写入、数据检索和数据评分四个步骤，可以在提供数据交易服务的同时，使用了多项技术提高安全和可用。采用安全隧道传输技术，保障传输过程信息安全。利用区块链技术和分布式系统保证系统稳定可靠和安全可用，使用区块链技术使用信息安全技术保证系统信息安全、公开、可用以及高性能。

Description

一种基于区块链的安全存储和检索方法
技术领域
本发明属于计算机软件技术领域，具体涉及一种基于区块链的安全存储和检索方法。
背景技术
在“互联网+”的大背景下，传统数据存储系统建设面临的交易成本高昂、信息安全和中心化服务瓶颈等问题。中心化系统的可靠性依赖中心存储和中心数据库的稳定性。在中心化系统中，服务的性能瓶颈或单点故障，都会严重影响整个系统可用性。传统数据交易系统的信息安全建设依靠服务商自己建设，无公开透明的技术保证，其信息安全技术没有公信力，因此信息安全事故频发，致使用户对系统的信心下降。现有安全存储方案中，对数据进行了加密，对大量的密文数据无法有效利用和管理。现有存储型区块链中保存的文档，任何人都可以随意访问，数据无安全性保护机制，无法保护数据拥有者的隐私。
因此我们需要一种区块链安全存储和检索方法，使用区块链、分布式数据库和分布式存储技术解决中心化数据交易系统的工作瓶颈；使用了同态加密、安全传输隧道和代理重加密等信息安全技术，保证数据的信息安全、时序性和可信度，降低了数据被篡改、泄露和DOS攻击的风险；对明文和密文分别建立索引，使用倒排索引和基于TF-IDF的权重计算对数据进行明文检索，利用同态加密机制，分析密文，建立基于密文的倒排索引和基于TF-IDF算法的密文索引。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述现有存储型区块链中保存的文档，任何人都可以随意访问，数据无安全性保护机制，无法保护数据拥有者的隐私的问题，提出一种基于区块链的安全存储和检索方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于区块链的安全存储和检索方法，其特征在于,该方法包括如下步骤：
步骤1：数据终端节点为新用户创建公钥和私钥；
步骤2：使用步骤1所创建的公钥或私钥对数据文档签名，再对数据文档进行加密处理，然后通过数据安全传输通道进行分析并存储，最后建立索引再将数据交易上传到交易型区块链；
步骤3：用户通过数据终端节点发送关键字到数据服务节点，数据终端节点解析命令并将结果发给数据服务节点，数据服务节点根据解析结果多数据文档进行检索，然后发送给用户；
步骤4：数据使用者收到数据后，可对使用过的数据进行评分，数据服务节点将用户评分记入数据服务节点的分布式数据库。
本发明所提供的方法参与角色为数据提供者和数据需求者，系统包括数据终端代理节点、数据服务节点、存储型区块链和交易型区块链。对用户存储的所有数据都可以选择明文和密文两种方式存储，对用户需要公开的数据，如对外提供关键字、摘要信息和数据类型等，可以选择采用明文方式存储；对用户需要完全保密的数据，不对外显示任何明文信息的数据，提供基于完全同态加密算法的加密方式。用户的可以根据自己的需要选择明文或密文的存储方式。对明文存储数据都建立明文倒排索引，对完全同态加密的密文数据建立密文倒排索引，方便用户检索和利用。在数据传输方式上，对密文使用代理重加密技术和安全隧道进行传输，整个过程无明文出现，保证了信息安全，。
优选地，所述步骤2中数据文档的存储可由用户选择明文存储或密文存储，如果选择明文存储则系统采用明文方式保存，校验用户名和签名信息，若签名信息为明文，则校验签名信息；如果选择密文存储，系统采用全同态加密的方式进行加密，并存储加密后的密文，采用全同态加密的方法对数据文档进行加密，安全性更高。
优选地，所述全同态加密是指如果给定密钥k，M是明文集合，C是密文集合，则加密函数E()对于，，有，根据运算符的不同，可以分为加同态和乘法同态算法，满足所有同态性质的算法称为全同态加密算法。
优选地，所述步骤2中的数据安全传输通道由数据终端节点和数据服务节点通过各自的公钥和私钥进行协商，协商出传输过程使用的对称加密方式和密码，通过对称加密方式对传输数据进行加密，并使用滑动窗口、随机数和签名机制对传输数据进行保护，防止数据被监听、重放攻击和否认。
优选地，所述步骤2中的数据分析为数据服务节点从存储命令解析出各种类型数据，包括：数据的内容、数据摘要信息、关键字、区块链用户地址、元数据以及元数据签名。
优选地，所述步骤2中的索引为根据用户的数据文档存储方式建立的倒排索引，对完全明文的数据使用数据文档和关键字生成倒排索引，对半加密的数据使用数据摘要信息和关键字建立快速倒排索引，完全加密的密文倒排由用户在检索时被动生成。
优选地，所述步骤2中数据交易上传交易型区块链时，数据服务节点在确认数据录入存储系统和检索系统后，将元数据签名与信息提供者ID上传交易区块链，通过智能合约交易，区块链存储的所述用户的数据信息并且信息将无法篡改，但一份数据，可以指定多次价格，生成多次合约。
优选地，所述步骤3中的检索包括如下步骤：
步骤3.1：数据终端节点解析用户的命令并将其发送给数据服务节点，数据服务节点根据解析结果进行检索；
步骤3.2：将步骤3.1的检索结果按照匹配度排序，将最匹配的文档列表返回给检索用户；
步骤3.3：用户从步骤3.2返回的文档列表中选择需要查看的文档，如果文档需要数据拥有者用户授权，那么向数据拥有者发起授权申请；
步骤3.4：对于完全加密的密文数据，数据拥有者通过检索者的公钥，通过代理加密技术，生成数据检索者可以解密的密文。数据检索者用户收到密文后用自己的私钥解密；对于明文数据，数据服务节点与检索者通过安全通道进行传输。
优选地，所述步骤3.1中的检索包括明文检索和密文检索，明文检索时根据用户关键字和各个关键字权重，通过TD-IDF算法，返回最匹配的文档列表；密文检索时使用已经保存的用户公钥加密关键字，生成关键字密文，用关键字密文与已有的关键字密文比较，如果同一个用户对应的关键字密文相同，那么该关键字对应的密文倒排索引已经存在，如果关键字对应的倒排索引不存在，那么生成新的密文倒排索引，以及对用密文关键字，通过TD-IDF算法，返回最匹配文档列表。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明中，利用区块链技术和分布式系统保证系统稳定可靠和安全可用，使用区块链技术使用信息安全技术保证系统信息安全、公开、可用以及高性能。
2、本发明中，采用安全隧道传输技术，由数据终端节点和数据服务节点通过各自的公钥和私钥进行协商，协商出传输过程使用的对称加密方式和密码，通过对称加密方式对传输数据进行加密，保障传输过程信息安全。
3、本发明中，采用TD-IDF算法对数据文档进行检索，通过加密后的关键字进行检索，安全性高，并且检索时候使用倒排索引，效率得到大幅度提高。
附图说明
图1是基于区块链的分布式交易系统总体架构示意图；
图2是区块链结构示意图；
图3是数据服务节点结构示意图；
图4是数据的安全传输示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，“基于区块链的分布式交易系统”的整体架构，系统分为终端代理节点、数据服务节点、存储型区块链、交易型区块链。系统采用双链结构，存储型区块链和交易型区块链。数据服务节点负责交易处理、建立安全传输通道、监控区块链等功能。终端代理节点在用户终端部署，负责用户信息录入、生成同态加密的公钥和私钥，以及私钥对应密钥空间的单位密文、私钥加密运算支持函数、公钥加密支持函数。用户私钥采用加密存储在用户本地。建立安全传输隧道和用户购买等功能。
如图2所示，存储型区块链存储加密后的数据、摘要信息、关键字、用户ID和出版者等信息。交易型区块链存储数据文档的签名信息和用户ID。
如图3所示，数据服务节点包括了交易处理模块、安全传输模块、分布式数据库和倒排索引。交易处理系统负责交易的分析、存入存储区块链、存入交易区块、存储分布式数据库、存入倒排索引、从倒排索引检索数据、从分布式数据库检索数据。区块链监控模块负责监控区块链的交易情况：监控交易区块链、监控存储区块链、从区块链恢复数据到分布式数据库和分布式索引等功能。分布式数据库：主要分布式数据库存储记录用户ID信息、摘要信息、关键字、用户评分和其它用户录入的信息信息。分布式倒排索引，通过用户提供的摘要信息和关键字信息为数据来源，建立倒排索引。
如图4所示，本发明中各个节点采用安全传输隧道进行通信，保护数据服务节点之间的通信、用户终端代理和数据服务节点的通信、用户终端代理之间的通信。用户终端代理之间无法直接建立安全隧道时，由数据服务节点协助建立。如：在购买者用户购买数据后，卖家用户（信息卖出者）与购买者用户直接通过安全隧道进行传输，如果买家用户与卖家用户无法直接建立安全隧道，那么数据服务节点协助建立安全隧道，由买家用户和卖家用户的证书自己协商传输使用的加密密码，数据服务节点透明无法获取密码，只是透明转发数据，保障了数据的机密性。
基于上述结构实现本发明所提出的一种基于区块链的安全存储和检索方法，数据购买者和数据提供者通过不同的终端代理节点提供数和用户信息据或对数据的需求，数据服务节点从终端代理节点获取用户的指令，完成对指令的解析和加密以及生成数据摘要、签名等工作，然后通过存储区块链对加密后的数据、数据摘要、用户信息、关键字、元数据的用户签名以及数据的其他信息进行存储；通过交易型区块链存储数据文档的签名信息和用户ID信息。整个过程中，需要存储的密文都通过全同态加密算法进行加密，然后建立倒排索引供检索时候使用倒排索引对于明文和密文有所不同：对于明文数据，使用数据文档和关键字生成倒排索引，半加密的数据使用数据摘要信息和关键字建立快速倒排索引；而对于完全加密的密文，倒排索引由用户在检索时被动生成，用户在终端节点输入关键字，数据服务节点收到关键字后，使用密文用户的公钥，将关键字进行加密，服务器对使用关键字密文匹配用户密文文档，并进行统计词频。生成密文倒排索引，存入数据库，同时存储加密后的关键字密文数组。检索时候，明文的倒排索引，在数据录入时已经建立完毕，保存在数据服务节点，在检索时根据用户关键字和各个关键字权重，通过TD-IDF算法，返回最匹配的文档列表；数据服务节点收到关键字后，使用已经保存的用户公钥加密关键字，生成关键字密文。用关键字密文与已有的关键字密文比较，如果同一个用户对应的关键字密文相同，那么该关键字对应的密文倒排索引已经存在。如果关键字对应的倒排索引不存在，生成新的密文倒排索引，以及对用密文关键字。密文倒排索引生成后，通过TD-IDF算法，返回最匹配文档列表，通过明文和密文的检索，将两个检索结果合并，合并后按照匹配度排序，将最匹配的文档列表返回给检索用户，最终数据使用者收到数据后，可对使用过的数据进行评分，使用者的每个文档评分，将影响数据拥有者的评分，数据服务节点将用户评分记入数据服务节点的分布式数据库。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于区块链的安全存储和检索方法，其特征在于,该方法包括如下步骤：
步骤1：数据终端节点为新用户创建公钥和私钥；
步骤2：使用步骤1所创建的公钥或私钥对数据文档签名，再对数据文档进行加密处理，然后通过数据安全传输通道进行分析并存储，最后建立索引再将数据交易上传到交易型区块链；
步骤3：用户通过数据终端节点发送关键字到数据服务节点，数据终端节点解析命令并将结果发给数据服务节点，数据服务节点根据解析结果多数据文档进行检索，然后发送给用户；
步骤4：数据使用者收到数据后，可对使用过的数据进行评分，数据服务节点将用户评分记入数据服务节点的分布式数据库。
2.根据权利要求1所述的基于区块链的安全存储和检索方法，其特征在于，所述步骤2中数据文档的存储可由用户选择明文存储或密文存储，如果选择明文存储则系统采用明文方式保存，校验用户名和签名信息，若签名信息为明文，则校验签名信息；如果选择密文存储，系统采用全同态加密的方式进行加密，并存储加密后的密文。
3.根据权利要求2所述的基于区块链的安全存储和检索方法，其特征在于，所述全同态加密是指如果给定密钥k，M是明文集合，C是密文集合，则加密函数E()对于有根据运算符的不同，可以分为加同态和乘法同态算法，满足所有同态性质的算法称为全同态加密算法。
4.根据根据权利要求1所述的基于区块链的安全存储和检索方法，其特征在于，所述步骤2中的数据安全传输通道由数据终端节点和数据服务节点通过各自的公钥和私钥进行协商，协商出传输过程使用的对称加密方式和密码，通过对称加密方式对传输数据进行加密，并使用滑动窗口、随机数和签名机制对传输数据进行保护，防止数据被监听、重放攻击和否认。
5.根据根据权利要求1所述的基于区块链的安全存储和检索方法，其特征在于，所述步骤2中的数据分析为数据服务节点从存储命令解析出各种类型数据，包括：数据的内容、数据摘要信息、关键字、区块链用户地址、元数据以及元数据签名。
6.根据根据权利要求1所述的基于区块链的安全存储和检索方法，其特征在于，所述步骤2中的索引为根据用户的数据文档存储方式建立的倒排索引，对完全明文的数据使用数据文档和关键字生成倒排索引，对半加密的数据使用数据摘要信息和关键字建立快速倒排索引，完全加密的密文倒排由用户在检索时被动生成。
7.根据根据权利要求1所述的基于区块链的安全存储和检索方法，其特征在于，所述步骤2中数据交易上传交易型区块链时，数据服务节点在确认数据录入存储系统和检索系统后，将元数据签名与信息提供者I D上传交易区块链，通过智能合约交易，区块链存储的所述用户的数据信息并且信息将无法篡改，但一份数据，可以指定多次价格，生成多次合约。
8.根据根据权利要求1所述的基于区块链的安全存储和检索方法，其特征在于，所述步骤3中的检索包括如下步骤：
步骤3.1：数据终端节点解析用户的命令并将其发送给数据服务节点，数据服务节点根据解析结果进行检索；
步骤3.2：将步骤3.1的检索结果按照匹配度排序，将最匹配的文档列表返回给检索用户；
步骤3.3：用户从步骤3.2返回的文档列表中选择需要查看的文档，如果文档需要数据拥有者用户授权，那么向数据拥有者发起授权申请；
步骤3.4：对于完全加密的密文数据，数据拥有者通过检索者的公钥，通过代理加密技术，生成数据检索者可以解密的密文。数据检索者用户收到密文后用自己的私钥解密；对于明文数据，数据服务节点与检索者通过安全通道进行传输。
9.根据根据权利要求8所述的基于区块链的安全存储和检索方法，其特征在于，所述步骤3.1中的检索包括明文检索和密文检索，明文检索时根据用户关键字和各个关键字权重，通过TD-I DF算法，返回最匹配的文档列表；密文检索时使用已经保存的用户公钥加密关键字，生成关键字密文，用关键字密文与已有的关键字密文比较，如果同一个用户对应的关键字密文相同，那么该关键字对应的密文倒排索引已经存在，如果关键字对应的倒排索引不存在，那么生成新的密文倒排索引，以及对用密文关键字，通过TD-I DF算法，返回最匹配文档列表。
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