CN109598616B - 一种引入仲裁机制的区块链数据隐私保护的方法 - Google Patents

一种引入仲裁机制的区块链数据隐私保护的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种引入仲裁机制的区块链数据隐私保护方法，本发明实现了数据的隔离，各节点调用智能合约只能获得与自己节点有关的数据结果。同时本发明对区块链网络中传递的数据和存储在区块链账本中的数据进行了加解密操作，保护数据信息在区块链网络中传递的安全性，防止恶意攻击与篡改。同时也保护了记录在区块链中账本数据的隐私性，不被其他节点获知数据的真实含义。通过引入的仲裁节点实现了交易真实性和有效性的检验，同时仲裁节点可以用于审计和监察。实现了上链交易有效性的检查，保证了上链的交易是真实有效的，并且实现了上链数据的高度私密性，只有数据的拥有者才可以访问和操作真实的数据。

Description

一种引入仲裁机制的区块链数据隐私保护的方法
技术领域
本发明涉及一种隐私数据的保护方法，尤其是涉及引入仲裁机制的区块链数据隐私保护方法，属于区块链数据保护领域。
背景技术
现有的区块链技术中一般都是利用块链式数据结构来验证和存储数据、利用分布式节点共识算法来生成和更新数据、利用密码学的方式保证数据传输和访问的安全、利用由自动化脚本代码组成智能合约来编程和操作数据的一种全新的分布式基础架构与计算方式。
超级账本项目是Linux基金会的区块链项目，该项目致力于发展跨行业的商业区块链平台技术。HyperLedger Fabric是超级账本项目下的一个子项目，是使用Go语言开发的一个底层区块链平台，是一种联盟链的区块链技术实现。HyperLedger Fabric1.0版本中对数据隐私保护提供如下机制：
1、使用Channel(通道)机制在指定的成员节点之间建立通信网络，只有经过身份验证和授权的成员(节点)才可以加入指定通道进行交易。同属一个通道的节点共享一套账本，账本数据不可以跨通道传递。Channel(通道)机制保证了账本数据不被非授权节点访问和使用。实现了账本按通道隔离。
2、Fabric通过智能合约来访问和操作数据，通过指定智能合约(链码)的背书策略，可以控制客户端程序对智能合约的访问权限，限制指定的客户端程序(SDK)访问智能合约。
虽然Fabric提供了以上两方面的数据保护机制，但是对于一些有强隐私性的数据仍然起不到保护的效果。目前Fabric对于交易传递的数据没有做任何的保护，这对于一些隐私数据来说是非常危险的。尤其是在金融领域中，涉及到一些敏感的信息和金额相关的数据，如果直接采用明文的方式传输，是非常不可取的。在Fabric中调用智能合约得到的模拟执行结果是以明文形式在网络中传播的，这样就很容易被网络中的恶意节点窃取信息；另外Fabric中的通道机制只能保护账本数据不被跨通道传播，不被未经授权的节点访问和滥用，但是在同一个通道下，数据还是透明可见的，这对于敏感的数据仍不具有保护作用。
其中现有的Fabric的交易处理流程：
客户端调用SDK发起交易，生成交易提案，SDK使用客户端的私钥对交易提案进行签名，将签名后的交易提案发送给指定的背书节点。交易提案中包含了客户端的签名公钥。背书节点在接收到交易请求后，先验证请求格式和签名是否有效，验证通过后，根据交易提案中的参数调用指定的智能合约以获得模拟执行结果。背书节点使用自己的私钥对包含有模拟执行结果的响应消息进行签名，并将签名后的响应消息返回给客户端。客户端(SDK)在收集到背书节点返回的响应消息后，验证响应消息的有效性，将原始的交易提案和验证通过的签名后的响应消息连同各个节点对响应消息的背书签名封装成消息信封发送给排序服务(Orderer)节点。因为SDK从各个背书节点收到的响应消息中的模拟执行结果都是相同的，因此在封装发送给排序服务节点的消息信封时去掉了重复的模拟执行结果，只保留了一条模拟执行结果。排序服务节点(Orderer)节点负责将从客户端收到的信封内容排序和打包成区块，并把打包好的区块广播给通道网络中的各主记账节点，主节点将区块分发至各自组织内的记账节点。各记账节点解析区块数据为多条交易信息，先对每笔交易进行格式校验，然后使用消息信封中各个节点的背书签名验证响应消息的有效性。签名验证通过后，进一步检查背书的结果是否满足智能合约中的背书策略(例如节点A和节点B同时对交易提案背书，此交易才算是有效的交易)。满足背书策略的交易被标识为valid状态并可以更新state DB中的数据，不满足背书策略的交易被标识为invalid状态，不可以更新stateDB中的数据。
发明内容
本发明提出引入仲裁机制的区块链数据隐私保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：设置参与区块链网络中交易的并负责仲裁交易的合法性的仲裁节点；
S2：设置实现不同节点调用并只能返回部分执行结果的智能合约；
S3：背书节点调用所述智能合约并对所述执行结果使用非对称加密算法加密；
S4：仲裁节点调用所述智能合约并对所述执行结果使用非对称加密算法加密；
S5：客户端调用SDK发起交易，生成交易提案；所述SDK使用客户端的私钥通过数字签名算法对交易提案签名；所述SDK将签名后的提案发送给所述客户端中指定的背书节点和仲裁节点；
S6：所述背书节点和仲裁节点接收交易请求后，根据fabric规定的协议要求检验交易提案信息的格式，通过格式检验后，利用数字签名算法中的验签算法验证提案签名是否有效；若通过验证，则根据所述提案中的参数调用指定的智能合约中的方法以获得模拟执行结果；若未通过验证，则直接返回相应的错误信息给客户端，不再执行调用智能合约的操作；
S7：所述背书节点获得所述执行结果后，使用非对称加密算法对所述执行结果进行加密，分别使用当前节点的公钥和仲裁节点的公钥对所述执行结果进行加密，分别得到加密结果，并将所述加密结果拼接作为当前背书节点加密后的执行结果；
S8：所述仲裁节点获得所述执行结果后，使用非对称加密算法对所述执行结果进行加密，通过步骤S7所述方法对各背书节点的执行结果进行加密，分别得到加密结果，并将所有背书节点加密后的执行结果拼接作为当前仲裁节点加密后的执行结果；
S9：背书节点和仲裁节点将所述交易提案和所述加密后的执行结果封装成响应消息，使用签名算法对响应消息进行签名，签名密钥使用的是所述背书节点和仲裁节点的私钥，所述背书节点和仲裁节点将签名之后的响应消息返回给所述客户端程序；
S10：所述客户端节点接收响应消息后，将响应状态为SUCCESS的背书节点的响应消息和背书签名以及仲裁节点的响应消息和背书签名封装成消息信封发送给排序服务节点；
S11：排序服务节点(Orderer)将按照从所述客户端接收消息信封的时间顺序把消息信封内容排序并打包封装成区块数据，这样区块数据中就包含了按照时间顺序排列的交易信息。排序服务节点将打包好的区块通过Gossip广播协议广播给通道网络中的各记账节点；
S12：所述各记账节点接收所述排序服务节点发送的区块数据后，先解析区块数据为交易信息，然后根据fabric规定逐条检验交易信息的格式，格式校验通过后，对交易的有效性进行检查；如果无效，则直接返回相应的错误信息给客户端，不再执行后续操作；
S13：使用者在客户端请求数据时，经过对应节点的解密获得真实的数据。
进一步的，所述记账节点在验证每笔交易的有效性时：
S1201：对比验证仲裁节点加密后执行结果是否为其他背书节点加密后执行结果的信息总和；
S1202：分别使用各个背书节点的签名验证各自背书节点的响应消息是否有效，使用仲裁节点的签名验证仲裁节点的响应消息是否有效；
S1203：检查签名验证结果是否满足智能合约背书策略的要求(例如仲裁节点X、节点A和节点B同时对交易提案背书，此交易才算是有效的交易)。
S1204：上链的信息为仲裁节点的响应消息，仲裁节点的背书结果中包含了所有参与背书的节点加密后的模拟执行结果。
本发明优点在于：本发明实现了数据的隔离，各节点调用智能合约只能获得与自己节点有关的数据结果。同时本发明对区块链网络中传递的数据和存储在区块链账本中的数据进行了加解密操作，保护数据信息在区块链网络中传递的安全性，防止恶意攻击与篡改。同时也保护了记录在区块链中账本数据的隐私性，不被其他节点获知数据的真实含义。
通过引入的仲裁节点实现了交易真实性和有效性的检验，同时仲裁节点可以用于审计和监察。实现了上链交易有效性的检查，保证了上链的交易是真实有效的，并且实现了上链数据的高度私密性，只有数据的拥有者才可以访问和操作真实的数据。
附图说明
为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明Fabric交易流程示意图。
图2为本发明交易校验整体流程示意图
图3为本发明场景中仲裁节点加密后的模拟执行结果示意图。
具体实施方式
为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面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的描述：
如图1-3所示，为引入仲裁机制的区块链数据隐私保护方法，包括以下步骤：
步骤S1：设置参与区块链网络中交易的并负责仲裁交易的合法性的仲裁节点；
步骤S2：设置实现不同节点调用并只能返回部分执行结果的智能合约；
步骤S3：背书节点调用智能合约并对执行结果使用非对称加密算法加密；
步骤S4：仲裁节点调用智能合约并对执行结果使用非对称加密算法加密；
步骤S5：客户端调用SDK发起交易，生成交易提案；SDK使用客户端的私钥通过数字签名算法对交易提案签名；SDK将签名后的提案发送给客户端中指定的背书节点和仲裁节点；
步骤S6：背书节点和仲裁节点接收交易请求后，根据fabric规定的协议要求检验交易提案信息的格式，通过格式检验后，利用数字签名算法中的验签算法验证提案签名是否有效；若通过验证，则根据提案中的参数调用指定的智能合约中的方法以获得模拟执行结果；若未通过验证，则直接返回相应得错误信息给客户端，不再执行调用智能合约的操作；
步骤S7：背书节点获得执行结果后，使用非对称加密算法对执行结果进行加密，分别使用当前节点的公钥和仲裁节点的公钥对执行结果进行加，分别得到加密结果，并将加密结果拼接作为当前背书节点加密后的执行结果；
S8：所述仲裁节点获得所述执行结果后，使用非对称加密算法对所述执行结果进行加密，通过步骤S7所述方法对各背书节点的执行结果进行加密，分别得到加密结果，并将所有背书节点加密后的执行结果拼接作为当前仲裁节点加密后的执行结果；
步骤S9：背书节点和仲裁节点将交易提案和加密后的执行结果封装成响应消息，使用签名算法对响应消息进行签名，签名密钥使用的是背书节点和仲裁节点的私钥，背书节点和仲裁节点将签名之后的响应消息返回给客户端程序；
步骤S10：客户端节点接收响应消息后，将响应状态为SUCCESS的背书节点的响应消息和背书签名以及仲裁节点的响应消息和背书签名封装成消息信封发送给排序服务节点；
步骤S11：排序服务节点Orderer将按照从客户端接收消息信封的时间顺序把消息信封内容排序并打包封装成区块数据。作为本申请一种优选的实施方式，排序是指按照时间顺序把交易新信息排列好，排序的目的就是为了把交易信息按时间先后排好，排序后，根据fabric中对于区块大小的设置，比如多条交易的数据大小达到了6M就把这些交易信息打包成一个区块。这样区块数据中就包含了按照时间顺序排列的交易信息。排序服务节点将打包好的区块通过Gossip广播协议广播给通道网络中的各记账节点。作为优选的实施方式，广播是指将一个区块数据分发到网络中的各个节点，让每个节点都收到区块数据。
步骤S12：各记账节点接收排序服务节点发送的区块数据后，先解析区块数据为交易信息，然后根据fabric规定逐条检验交易信息的格式，格式校验通过后，对交易的有效性进行检查；如果无效，则直接返回相应的错误信息给客户端，不再执行后续操作；
步骤S13：使用者在客户端请求数据时，经过对应节点的解密获得真实的数据。
作为优选的实施方式，记账节点在验证每笔交易的有效性时：
S1201：对比验证仲裁节点加密后执行结果是否为其他背书节点加密后执行结果的信息总和；
S1202：分别使用各个背书节点的签名验证各自背书节点的响应消息是否有效，使用仲裁节点的签名验证仲裁节点的响应消息是否有效；
S1203：检查签名验证结果是否满足智能合约背书策略的要求(例如仲裁节点X、节点A和节点B同时对交易提案背书，此交易才算是有效的交易)。
S1204：上链的信息为仲裁节点的响应消息，仲裁节点的背书结果中包含了所有参与背书节点及加密后的模拟执行结果。
如图3所示为本申请的一种实施例，客户端调用SDK发起交易，生成交易提案，SDK使用客户端的私钥对交易提案进行签名，将签名后的交易提案发送给指定的背书节点和仲裁节点。交易提案中包含了客户端的签名公钥。背书节点和仲裁节点在接收到交易请求后，先验证请求格式和签名是否有效，验证通过后，根据交易提案中的参数调用指定的智能合约以获得模拟执行结果。每个背书节点的模拟执行结果是不一样的，这是通过设计特殊的智能合约实现的。如图中实施例所示，A节点只能获得此次交易与A节点相关的数据[a,90]，B节点只能获得此次交易与B节点相关的数据[b,110]，X节点可以获得此次交易与A和B节点相关的全部数据[a,90][b,110]。
节点获取模拟执行结果之后，会对模拟执行结果进行加密操作。其中A节点先使用A的公钥对A节点的模拟执行结果加密，再使用X的公钥对A节点的模拟执行结果加密；B节点先使用B的公钥对B节点的模拟执行结果加密，再使用X的公钥对B节点的模拟执行结果加密；X节点先使用A的公钥对A节点的模拟执行结果加密，再使用X的公钥对A节点的模拟执行结果加密，然后X节点使用B的公钥对B节点的模拟执行结果加密，再使用X的公钥对B节点的模拟执行结果加密。
各个背书节点在封装响应消息之前，先使用交易提案中的客户端公钥对交易提案加密，以保证记录在账本中的交易信息是密文的。将加密后的交易提案和各个节点加密后的模拟执行结果封装成响应消息。然后使用背书节点的私钥对响应消息进行签名，将签名之后的响应消息返回给客户端程序。
客户端程序在收到各个背书节点的响应消息后，先验证返回结果的有效性。验证通过后，客户端程序(SDK)会使用客户端公钥对原始的交易提案执行加密操作，这与步骤4)中的背书节点对交易提案加密的操作相同，从而保证后续的校验能够通过。客户端程序将加密后的交易提案和X仲裁节点的响应消息，A节点的响应消息和B节点的响应消息封装成消息信封发送给排序服务节点(Orderer)。响应消息包括加密后的模拟执行结果和背书签名。
排序服务节点(Orderer)节点负责将从客户端收到的信封内容排序和打包成区块，并把打包好的区块广播给通道网络中的各主记账节点，主记账节点将区块分发至各自组织内的记账节点。
各记账节点解析区块数据为多条交易信息，对每笔交易进行格式校验。各个记账节点在验证每笔交易的有效性时的策略是，首先检验仲裁节点的模拟执行结果是否为其他背书节点模拟执行结果的总和，仲裁节点加密后的模拟执行结果＝PeerA节点加密后的模拟执行结果+PeerB节点加密后的模拟执行结果。然后分别使用各个背书节点的签名验证各自背书节点的响应消息。最后根据签名验证结果检验是否符合智能合约的背书策略(例如仲裁节点X、节点A和节点B同时对交易提案背书，此交易才算是有效的交易)。只有这三项校验都通过了的交易才可以被认定为有效的交易，最终上链的信息为仲裁节点加密后的模拟执行结果，仲裁节点的背书结果中包含了所有参与背书的节点(包括仲裁节点、A节点和B节点)加密后的模拟执行结果。
客户端在请求数据时需要经过对应节点的解密才能看到真实的数据。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的实施例仅仅是示意性的。另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (1)

1.一种引入仲裁机制的区块链数据隐私保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：设置参与区块链网络中交易的并负责仲裁交易的合法性的仲裁节点；
S2：设置实现不同节点调用并只能返回部分执行结果的智能合约；
S3：背书节点调用所述智能合约并对所述执行结果使用非对称加密算法加密；
S4：仲裁节点调用所述智能合约并对所述执行结果使用非对称加密算法加密；
S5：客户端调用SDK发起交易，生成交易提案；所述SDK使用客户端的私钥通过数字签名算法对交易提案签名；所述SDK将签名后的提案发送给所述客户端中指定的背书节点和仲裁节点；
S6：所述背书节点和仲裁节点接收交易请求后，根据fabric规定的协议要求检验交易提案信息的格式，通过格式检验后，利用数字签名算法中的验签算法验证提案签名是否有效；若通过验证，则根据所述提案中的参数调用指定的智能合约中的方法以获得模拟执行结果；若未通过验证，则直接返回相应得错误信息给客户端，不再执行调用智能合约的操作；
S7：所述背书节点获得所述执行结果后，使用非对称加密算法对所述执行结果进行加密，分别使用当前节点的公钥和仲裁节点的公钥对所述执行结果进行加密，分别得到加密结果，并将所述加密结果拼接作为当前背书节点加密后的执行结果；
S8：所述仲裁节点获得所述执行结果后，使用非对称加密算法对所述执行结果进行加密，通过步骤S7所述方法对各背书节点的执行结果进行加密，分别得到加密结果，并将所有背书节点加密后的执行结果拼接作为当前仲裁节点加密后的执行结果；
S9：背书节点和仲裁节点将所述交易提案和所述加密后的执行结果封装成响应消息，使用签名算法对响应消息进行签名，签名密钥使用的是所述背书节点和仲裁节点的私钥，所述背书节点和仲裁节点将签名之后的响应消息返回给所述客户端程序；
S10：所述客户端节点接收响应消息后，将响应状态为SUCCESS的背书节点的响应消息和背书签名以及仲裁节点的响应消息和背书签名封装成消息信封发送给排序服务节点；
S11：排序服务节点Orderer将按照从所述客户端接收消息信封的时间顺序把消息信封内容排序并打包封装成区块数据；排序服务节点将所述打包好的区块数据通过Gossip广播协议广播给通道网络中的各记账节点；
S12：所述各记账节点接收所述排序服务节点发送的区块数据后，先解析区块数据为交易信息，然后根据fabric规定逐条检验交易信息的格式，格式校验通过后，对交易的有效性进行检查；如果无效，则直接返回相应的错误信息给客户端，不再执行后续操作；
S13：使用者在客户端请求数据时，经过对应节点的解密获得真实的数据；
所述记账节点在验证每笔交易的有效性时：
S1201：对比验证仲裁节点加密后执行结果是否为其他背书节点加密后执行结果的信息总和；
S1202：分别使用各个背书节点的签名验证各自背书节点的响应消息是否有效，使用仲裁节点的签名验证仲裁节点的响应消息是否有效；
S1203：检查签名验证结果是否满足智能合约背书策略的要求，当仲裁节点X、节点A和节点B同时对交易提案背书，此交易才算是有效的交易；
S1204：上链的信息为仲裁节点的响应消息，仲裁节点的背书结果中包含了所有参与背书的节点加密后的模拟执行结果。
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