CN109670331A - 一种基于区块链的对称可搜索加密方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于区块链的对称可搜索加密方法，属于计算机密码学技术领域。本发明包括密文数据存储在区块链上，密文索引存储在云服务器上的数据存储方案，高效的对称可搜索加密算法，用以加密数据、密文索引和查询令牌的生成，以及基于区块链的密文数据的查询方案。本发明通过将用户数据存储在区块链上，保证用户数据的不可篡改性，索引文件存储在云服务器上，利用与服务器强大的计算能力进行计算，查找密文数据，并且用户查询需要发起交易并提交押金，使用奖励机制和惩罚机制保证用户和云服务器的诚实，防止云服务器和用户相互欺骗。

Description

一种基于区块链的对称可搜索加密方法
技术领域
本发明属于计算机密码学技术领域，具体涉及一种基于区块链的对称可搜索加密方法。
背景技术
随着科学技术的不断发展，信息技术早己融入到人们生活中的方方面面，尤其是进入21世纪以来，互联网、移动互联网技术日趋成熟，以物联网、人工智能、大数据和云计算等为代表的新一代信息技术的蓬勃发展，加速了信息产业变革和社会进步，为构建完善的“互联网+”服务体系奠定了基础。
云计算技术作为下一代信息技术的核心应用之一，它是并行计算和分布式计算的延伸，可依据用户业务需求动态灵活地进行资源配置，为用户提供计算和存储能力等服务。云存储服务是云计算的基本服务和应用之一，云服务提供商通过采用云计算技术搭建云存储服务平台向用户提供数据存储服务，用户只需将产生的数据存储在平台中，无需购买和使用本地存储设备，并且可以随时随地通过网络来访问数据。
然而，正是由于云计算模式本身的特性，使得用户在享受云计算提供的便利服务和低廉IT资源时，也承担了该模式所带来的诸多安全方面的挑战，如隐私保护、数据加密安全、完整性保护、第三方监管和审计、虚拟机安全等，而数据完整性验证和隐私保护是实现云存储环境下数据安全存储的主要安全目标。为了确保用户的隐私，云存储系统采用了客户端加密的方案，尽管有前途，但加密存储平台目前不支持安全关键字搜索功能，用户只能使用文件识别器从服务中检索文件。而部分云存储系统为了节省存储空间，会将用户数据进行压缩存储，破坏了用户数据的完整性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于区块链的对称可搜索加密方法，本发明可以实现在密文数据域上的相似度查询，并且能够在此基础上，保证用户数据不会被云服务器私自篡改以及云服务器和用户的诚实。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于区块链的对称可搜索加密方法，包括如下步骤：
步骤一、用户文件加密上传至区块链系统；密文文件采用对称加密算法加密，并对密文文件建立树形存储结构保存至区块链；
步骤二、用户对文件建立索引上传至云服务器；首先对文件提取关键词建立关键词字典，生成关键词向量，之后进行加密处理生成索引文件上传至云服务器；
步骤三、用户从云服务器查询文件相关信息；用户首先对查询关键词根据关键词字典生成查询向量，之后加密生成查询陷门上传云服务器，云服务器查询匹配返回符合文件信息；
步骤四、用户从区块链中查询文件；用户收到云服务器返回的文件信息后，到区块链中指定的区块内查找相应的文件下载并解密，得到文件。
所述步骤一中存储结构为区块链中的merkle树为原型，叶子节点包含的数据为上传的密文文件，依次向上计算哈希值直到根节点。
所述步骤二中生成的关键词向量采用矩阵盲化技术对向量进行计算，生成密文向量。
所述步骤四中区块链查询文件需要提交区块号和文件哈希值，过程如下：
步骤4.1、在区块链系统中输入文件的存储区块号以及文件哈希值；
步骤4.2、获取区块链当前区块的区块号；
步骤4.3、判断是否与输入号码相同，相同则进入步骤4.4，不同则步骤4.5；
步骤4.4、遍历该区块内所有文件信息，找到符合要求的文件，输出返回；
步骤4.5、查找上一区块，获取上一区块的区块号，进入步骤4.3。
本发明有益效果在于：本发明通过将用户数据存储在区块链上，保证用户数据的不可篡改性，索引文件存储在云服务器上，利用与服务器强大的计算能力进行计算，查找密文数据，并且用户查询需要发起交易并提交押金，使用奖励机制和惩罚机制保证用户和云服务器的诚实，防止云服务器和用户相互欺骗。
附图说明
图1为本发明一种基于区块链的对称可搜索加密方法的总体流程示意图；
图2为本发明一种基于区块链的对称可搜索加密方法的区块链结构图；
图3为本发明一种基于区块链的对称可搜索加密方法的区块链数据存储结构示意图；
图4为本发明一种基于区块链的对称可搜索加密方案的密文文件存储流程示意图；
图5为本发明一种基于区块链的对称可搜索加密方案的密文索引生成流程示意图；
图6为本发明一种基于区块链的对称可搜索加密方案的查询流程示意图；
图7为本发明一种基于区块链的对称可搜索加密方案的区块链文件信息查询流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步描述。
图1是本发明一种基于区块链的对称可搜索加密方案的总体结构图。如图1所示，本发明的基于区块链的对称可搜索加密方案大概流程为：首先，数据拥有者根据文件的关键词设置关键词字典，字典中包含所有文件的关键词，之后数据拥有者为文件集合中的每篇文件选择关键词生成关键词集合，并为关键词集合建立可以检索的密文索引；然后采用传统对称加密算法对文件集合中的文件进行加密生成密文文件；将密文文件保存在区块链中，密文索引上传至云服务器。当需要查询时，数据使用者根据数据拥有者共享的密钥将查询语句生成安全陷门发送给云服务器，云服务器接收到安全陷门后，将安全陷门与密文索引进行相似度计算，查找相似文件，并返回相关的文件名称和存储的区块号至数据使用者。数据使用者根据区块号到指定区块上查找符合文件名称的文件下载并解密。
图2是本发明一种基于区块链的对称可搜索加密方案的区块链结构图。如图2所示，区块链框架一般分为5层：数据层、网络层、共识层、激励层和智能合约层。数据层主要实现了2个功能，一个是相关数据的存储，另一个是账户和交易的实现与安全。数据储存基于merkle数，通过区块的方式和链式结构实现。账户和交易基于数字签名等多种密码学算法和技术，保证了交易在去中心化的情况下安全的进行。网络层主要实现网络节点的连接和通信。共识层是区块链的核心，所谓共识就是全网的节点对交易数据达成一致，保证交易和数据安全。激励层主要实现区块链代币的发行和分配机制。智能合约赋予账本可编程的特性，智能合约层通过虚拟机的方式运行代码实现智能合约的功能，同时通过在智能合约上添加与用户交互的界面，形成去中心化应用。
图3是本发明一种基于区块链的对称可搜索加密方案的区块链数据存储结构示意图。存储结构为区块链中的merkle树为原型，为一种二叉树，由一组叶子节点、一组中间节点和一个根节点构成，如图3。在树的最底部，File1、File2、File3和File4是叶子节点包含的数据，即密文文件。向上，N0、N1、N2和N3是叶子节点，是将存储的数据进行hash运算后得到的hash值。继续向上，N4和N5是中间节点，它们各是N0和N1经过hash运算得到的哈希值以及N2和N3经过hash运算得到的哈希值，注意，它们是把相邻的两个叶子结点合并成一个字符串，然后运算这个字符串的哈希。最上面是根节点ROOT，是N4和N5经过hash运算后得到的哈希值。
图4是本发明一种基于区块链的对称可搜索加密方案的密文文件存储流程示意图。具体步骤如下：
步骤一，用户对需要上传的文件进行对称加密，生成密文文件。
步骤二，用户发起交易，用于将密文文件存储在区块链上，通过加密算法对发起的交易进行签名，并通过P2P网络传播。
步骤三，区块链系统整合一段时间交易，构造新的区块。
步骤四，根据用户上传的密文文件构造存储数据的merkle树结构。
步骤五，将新构造的区块链接到区块链上。
步骤六，返回密文文件存储的相关信息，构造完成。
图5是本发明一种基于区块链的对称可搜索加密方案的密文索引生成流程示意图。对于用户需要上传的文件集合，用户首先需要对文件提取出关键词，根据文件提取出的关键词设置关键词字典，字典中包含所有文件的关键词信息，之后对集合中的每篇文件根据关键词字典生成文件向量Q，Q是一个n维二进制向量，n代表关键词字典中关键词的个数，向量Q中，如果字典中的关键词是该篇文件的关键词，则在对应的位置设置为1，否则为0。之后对于文件的关键词向量，采用矩阵盲化技术对向量进行计算，生成密文向量，并将向量发送至云服务器存储。
图6是本发明一种基于区块链的对称可搜索加密方案的查询流程示意图。如图6所示，用户输入需要查询文件的关键词集合，并根据之前设定的关键词字典生成查询向量，方法与索引建立过程中的索引向量生成方法相同，之后使用索引生成方法中的加密矩阵的逆矩阵对查询向量进行加密，即进行矩阵乘积运算生成查询令牌，并将查询令牌上传服务器。云服务器收到查询令牌后，与存储的索引文件进行相似度计算，即矩阵乘积运算，得到令牌与索引的相似的值，并返回排名前k个文件的存储信息至用户客户端。
图7是本发明一种基于区块链的对称可搜索加密方案的区块链文件信息查询流程示意图。如图7所示，数据使用者接收到云服务器发送的文件信息后，进行如下步骤：
步骤一、在区块链系统中输入文件的存储区块号以及文件哈希值；
步骤二、获取区块链当前区块区块号；
步骤三、判断是否与输入号码相同，相同则进入步骤四，不同则步骤五；
步骤四、遍历该区块内所有文件信息，找到符合要求的文件，输出返回；
步骤五、查找上一区块，获取上一区块的区块号，进入步骤三。

Claims (4)

1.一种基于区块链的对称可搜索加密方法，其特征在于，包括：
(1)用户文件加密上传至区块链系统；密文文件采用对称加密算法加密，并对密文文件建立树形存储结构保存至区块链；
(2)用户对文件建立索引上传至云服务器；首先对文件提取关键词建立关键词字典，生成关键词向量，之后进行加密处理生成索引文件上传至云服务器；
(3)用户从云服务器查询文件相关信息；用户首先对查询关键词根据关键词字典生成查询向量，之后加密生成查询陷门上传云服务器，云服务器查询匹配返回符合文件信息；
(4)用户从区块链中查询文件；用户收到云服务器返回的文件信息后，到区块链中指定的区块内查找相应的文件下载并解密，得到文件。
2.根据权利要求1所述的一种基于区块链的对称可搜索加密方法，其特征在于：所述步骤(1)中存储结构为区块链中的merkle树为原型，叶子节点包含的数据为上传的密文文件，依次向上计算哈希值直到根节点。
3.根据权利要求1所述的一种基于区块链的对称可搜索加密方法，其特征在于：所述步骤(2)中生成的关键词向量采用矩阵盲化技术对向量进行计算，生成密文向量。
4.根据权利要求1所述的一种基于区块链的对称可搜索加密方法，其特征在于：所述步骤(4)中区块链查询文件需要提交区块号和文件哈希值，过程为
(4.1)在区块链系统中输入文件的存储区块号以及文件哈希值；
(4.2)获取区块链当前区块的区块号；
(4.3)判断是否与输入号码相同，相同则进入步骤(4.4)，不同则步骤(4.5)；
(4.4)遍历该区块内所有文件信息，找到符合要求的文件，输出返回；
(4.5)查找上一区块，获取上一区块的区块号，进入步骤(4.3)。
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