CN109889522B - 一种基于区块链的物联网信息安全保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种基于区块链的物联网信息安全保护方法，包括步骤：a.将物联网信息安全保护系统进行划分的步骤；b.将接受到的物联网数据信息进行数据切分；c.对切分后的数据建立数据块的索引；d.将数据存储在IPFS系统返回的哈希值进行加密，将加密后的密文存储在区块链上。本发明可有效的对海量的物联网数据信息进行存储，能够对非法用户进行违规追踪，可对物联网数据隐私进行保护。

Description

一种基于区块链的物联网信息安全保护方法

技术领域

本发明属于信息安全保护技术、区块链技术与物联网技术领域，尤其涉及一种基于区块链的物联网信息安全保护方法及系统。

背景技术

物联网指通过信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。

物联网的应用非常广泛，可以应用到军事、工业、农业、电网和水网、交通、物流、节能、环保、医疗卫生和智能家居等各个领域。但是物联网在为人们提供更多应用的同时，也面临着许多安全威胁。物联网的很多应用都和人们的日常生活密切相关，其应用过程中需要收集人们的日常生活信息，如个人的水电消费记录，旅游路线信息，购买习惯信息等，而这些信息一般都属于个人的隐私信息。如何保证这些隐私信息在物联网应用过程中不被泄露是物联网得到广泛应用的必要条件之一。

现在的物联网信息安全保护主要有两种保护方案：集中式管理和分布式管理。集中式系统对物联网设备采集的数据信息进行集中化管理。然而随着物联网的迅速发展，物联网设备种类和数量会迅速的增加，中心化的系统的管理和维护压力巨大。

分布式管理的优势是系统的可靠性，这也可解决中心化系统的单点信任问题，由于分布式系统中的节点是对等节点，因此不存在某个节点出现故障或者被攻击而导致整个系统瘫痪。另一方面由于节点之间是对等的，他们之间有着相互的冗余备份，因此不会出现某个节点被攻击而导致整个系统信息都陷入危险的情况发生，即分布式系统有一个良好的容忍入侵性能。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种可有效的对海量的物联网数据信息进行存储，能够对非法用户进行违规追踪，可对物联网数据隐私进行保护的基于区块链的物联网信息安全保护方法。本发明的技术方案如下：

一种基于区块链的物联网信息安全保护方法，其包括以下步骤：

a.将物联网信息安全保护系统进行划分的步骤，具体划分为：感知层，用于物联网设备信息采集；网络层，用于物联网设备采集的信息网络传输；数据加密层，将物联网设备采集的原始信息进行加密，用户数据信息保护；区块链层，用于加密后的密文进行存储与物联网信息查询；应用层，根据物联网设备采集的数据信息进行各个行业的广泛智能化；

b.将感知层接收到的物联网信息根据内存进行切片，切片信息经过网络层传输到数据加密层；

c.数据加密层将接收到的物联网信息存储到星际文件系统(IPFS)并将IPFS返回的哈希值进行加密；

d.将加密后的密文上传到区块链层，用户访问数据时结合智能合约对用户进行授权判定，拥有授权的用户可以访问物联网采集的数据，未拥有授权的判定为非法用户。

进一步的，所述步骤b加密层处理之前，先对原始数据信息进行预处理。将原始数据信息根据内存大小进行切片分组M＝m₁m₂m₃…m_i，内存大小可根据采集的数据信息类型进行划分。

进一步的，所述步骤c数据加密层将IPFS返回的哈希值进行同态加密，并将加密后的密文上传到区块链层。

进一步的，即所述步骤c进行同态加密的步骤包括：

c11.将各个切片哈希值进行加密；

c12.对各个加密后的密文建立索引；

c13.将加密后的密文上传到区块链层。

进一步的，所述c11中加密算法为同态加密算法，信息对应的哈希值同态加密

加密过程包括：

选取随机产生的两个安全大素数P和Q；

计算乘积N＝P×Q，并且生成一个随机数R₁；

把消息M分组为若干长度L的消息分组M＝m₁ m₂ m₃ … m_i；L的长度小于P；

使用加密算法，计算出密文C＝c₁ c₂ c₃ … c_i。

进一步的，使用加密算法，计算出密文C具体包括：

设E_k与D_k分别为加密函数和解密函数，明文的集合为M＝{m₁,m₂,…,m_n},α与β代表运算，即同态加密算法为：

D_k[α[E_k(m₁),E_k(m₂),…,E_k(m_n)]]＝β(m₁,m₂,…,m_n)

c112.各个切片加密后密文为：C_i＝(M_i+P×R_i)modN，其中P为密钥，且P与Q均为安全大素数，R_i为随机数，N＝P×Q。

c113.各个切片密文解密为：C_imodP＝M_i。

进一步的，信息对应的哈希值同态解密具体包括：

将接收到的密文分组，依次采用解密算法对分组密文进行解密，得到分组明文，然后将分组明文合并得到解密后的明文，具体为：

c21.接收方收到密文C并把密文C分组得到C＝c₁c₂c₃…c_t；

c22.使用密钥P和解密算法计算m_t；

c23.得到明文消息M＝m₁ m₂ m₃ … m_i。

进一步的，同态加密后的明文用于原始内容的索引，拥有授权的用户可以得到索引值，通过索引值能够访问原始数据信息；是否拥有访问物联网设备采集的数据信息的权利，根据是否拥有授权进行判断，拥有用户的授权便可访问数据，没有取得用户的授权便不可访问数据信息；信息访问的授权可通过智能合约获得，一个用户若要访问另一个用户的物联网设备采集的数据信息需要向其访问对象申请，获得批准后即得到授权；用户取得授权后便可从区块链上分布式存储的密文进行解密，得到文件哈希值。

进一步的，当获得授权后，根据取得物联网数据信息的索引值从IPFS查询原始的物联网信息的文件。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明利用分布式存储系统存储物联网海量数据，并结合区块链链技术与加密技术保护物联网数据信息的安全。物联网设备采集的数据信息记录存储在IPFS系统，并采用非对称加密技术对物联网原始信息哈希值，在本发明实施例中作为索引值进行加密后作为一个区块信息，然后根据时间顺序将区块通过哈希值与前一区块相连，保证数据的不可篡改。另本发明将智能合约与用户访问授权相结合，只有拥有授权用户可以访问物联网数据信息保证物联数据的安全。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例的系统构架示意图。

图2是本发明的系统流程示意图。

图3是本发明的系统架构图。

图4是物联网用户访问数据流程图。

图5是数据信息加密流程图。

具体实施方式

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、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

图1是本发明的系统构架示意图，图2是本发明的系统流程示意图，图3是本发明的系统架构图，图4是物联网用户访问数据流程图，图5是数据信息加密流程图。

本实施例中的一种基于区块的物联网信息安全保护方法及系统，包括

a.将物联网信息安全保护系统划分为：

感知层，用于物联网设备信息采集，

网络层，用于物联网设备采集的信息网络传输，

数据加密层，将物联网设备采集的原始信息进行加密，用户数据信息保护，

区块链层，用于加密后的密文进行存储与物联网信息查询，

应用层，根据物联网设备采集的数据信息进行各个行业的广泛智能化。

b.将接收到的物联网信息根据内存进行切片，将切片信息进行IPFS上传；

c.将IPFS系统返回的哈希值进行加密；

d.将加密后的密文上传到区块链系统，用户访问数据时结合智能合约对用户进行授权判定，拥有授权的用户可以访问物联网采集的数据，未拥有授权的判定为非法用户。

如图1所示，在本实施例中，物联网感知层，用于物联网设备信息采集，通过各种传感器节点获取各类数据，利用传感器网络或射频阅读器等网络和设备实现数据在感知层的汇聚和传输；网络层，用于物联网设备采集的信息网络传输，网络层的功能主要通过网络基础设施实现信息传输，如移动通信网、卫星网、互联网等；数据加密层，将物联网设备采集的原始信息进行加密，用户数据信息保护，区块链层，用于加密后的密文进行存储与物联网信息查询；应用层根据用户的需求，利用智能处理后的信息，建立相应的业务模型，运行相应的应用系统。

如图2所示，所述步骤b包括

b1.将物联网设备采集的数据信息经过网络层传输到数据加密层。加密层处理之前，先对原始数据信息进行预处理。将原始数据信息根据内存大小进行切片分组M＝m₁m₂m₃…m_i(内存大小可根据采集的数据信息类型进行划分，如文本类型的数据可使用1MB，音频类型5MB层，视频类型10MB)。

b2.IPFS(星际文件系统)是一个对等分配的文件系统，它试图将所有计算设备与同一文件系统连接起来。IPFS提供了一个通过内容寻址块存储模型，具有内容寻址超链接。IPFS组合了一个分布式散列表。一个受激励的块交换，以及一个自我认证的命名空间，IPFS没有单点故障，节点之间不需要相互信任。文件上传到IPFS系统，IPFS系统会返回文件的哈希值，通过哈希值进行内容查找。

将处理好的各个切片分组信息上传至IPFS系统，IPFS系统将会返回各个切片的哈希值Hash(M)＝Hash(m₁m₂m₃…m_i)＝h₁h₂h₃…h_i，将信息对应的哈希值进行同态加密，如图5所示，所述步骤包括

信息对应的哈希值同态加密：

c11.选取随机产生的两个安全大素数P和Q；

c12.计算乘积N＝P×Q，并且生成一个随机数R₁；

c13.把消息M分组为若干长度L(L的长度应该小于P)的消息分组M＝m₁ m₂ m₃ …m_i；

c14.使用加密算法，计算出密文C＝c₁ c₂ c₃ … c_i。

信息对应的哈希值同态解密：

将接收到的密文分组，依次采用解密算法对分组密文进行解密，得到分组明文，然后将分组明文合并得到解密后的明文。

c21.接收方收到密文C并把密文C分组得到C＝c₁c₂c₃…c_t；

c22.使用密钥P和解密算法计算m_t；

c23.得到明文消息M＝m₁ m₂ m₃ … m_i。

在本实施例中，将加密后的密文上传到区块链系统，用户访问数据时结合智能合约对用户进行授权判定。智能合约作为一种嵌入式程序化合约，封装了预定义的若干状态及转换规则、触发合约执行的情景。用户访问物联网数据信息时满足智能合约的触发合约执行条件即拥有授权的用户可以访问物联网采集的数据，未拥有授权的判定为非法用户。如图4所示，所述的步骤包括

d1.对物联网设备的访问控制权限进行细粒度的划分，并设定物联网设备的响应规则；

d2.将物联网设备的访问控制权限和响应规则编写成智能合约，将智能合约部署到区块链中，实现分布式存储；

d3.用户访问物联网资源时，资源提供者调用智能合约验证用户是否合法，合法用户得到授权并获得资源，非法用户无法获得资源。

每次访问数据都要先验证合法性及条件满足情况，符合后才执行操作。提高了物联网的效率，同时为信息安全保护提供依据。用户访问物联网数据时，需要经过授权判定，拥有授权的用户可以得到密钥，从而对哈希值进行解密，拥有了信息数据的哈希值便可从IPFS系统中获取到原始的物联网数据，未经授权的用户。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (3)

1.一种基于区块链的物联网信息安全保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.将物联网信息安全保护系统进行划分的步骤，具体划分为：感知层，用于物联网设备信息采集；网络层，用于物联网设备采集的信息网络传输；数据加密层，将物联网设备采集的原始信息进行加密，用户数据信息保护；区块链层，用于加密后的密文进行存储与物联网信息查询；应用层，根据物联网设备采集的数据信息进行各个行业的广泛智能化；

b.将感知层接收到的物联网信息根据内存进行切片，切片信息经过网络层传输到数据加密层；

c.数据加密层将接收到的物联网信息存储在星际文件系统IPFS并将IPFS返回的哈希值进行加密；

d.将加密后的密文上传到区块链层，用户访问数据时结合智能合约对用户进行授权判定，拥有授权的用户可以访问物联网采集的数据，未拥有授权的判定为非法用户；

即所述步骤c进行同态加密的步骤包括：

c11.将各个切片哈希值进行加密；

c12.对各个加密后的密文建立索引；

c13.将加密后的密文上传到区块链层；

所述c11中加密算法为同态加密算法，信息对应的哈希值同态加密加密过程包括：

选取随机产生的两个安全大素数P和Q；

计算乘积N＝P×Q，并且生成一个随机数R₁；

把消息M分组为若干长度L的消息分组M＝m₁ m₂ m₃…m_i；L的长度小于P；

使用加密算法，计算出密文C＝c₁ c₂ c₃…c_i；

使用加密算法，计算出密文C具体包括：

设E_k与D_k分别为加密函数和解密函数，明文的集合为M＝{m₁,m₂,…,m_n},α与β代表运算，即同态加密算法为：

D_k[α[E_k(m₁),E_k(m₂),…,E_k(m_n)]]＝β(m₁,m₂，…，m_n)

c112.各个切片加密后密文为：C_i＝(M_i+P×R_i)modN，其中P为密钥，且P与Q均为安全大素数，R_i为随机数，N＝P×Q；

c113.各个切片密文解密为：C_imodP＝M_i；信息对应的哈希值同态解密具体包括：

将接收到的密文分组，依次采用解密算法对分组密文进行解密，得到分组明文，然后将分组明文合并得到解密后的明文，具体为：

c21.接收方收到密文C并把密文C分组得到C＝c₁c₂c₃…c_t；

c22.使用密钥P和解密算法计算m_t；

c23.得到明文消息M＝m₁ m₂ m₃…m_i；

同态加密后的明文用于原始内容的索引，拥有授权的用户可以得到索引值，通过索引值能够访问原始数据信息；是否拥有访问物联网设备采集的数据信息的权利，根据是否拥有授权进行判断，拥有用户的授权便可访问数据，没有取得用户的授权便不可访问数据信息；信息访问的授权可通过智能合约获得，一个用户若要访问另一个用户的物联网设备采集的数据信息需要向其访问对象申请，获得批准后即得到授权；用户取得授权后便可从区块链上分布式存储的密文进行解密，得到文件哈希值；当获得授权后，根据取得物联网数据信息的索引值从IPFS查询原始的物联网信息的文件。

2.根据权利要求1所述的一种基于区块链的物联网信息安全保护方法，其特征在于，所述步骤b加密层处理之前，先对原始数据信息进行预处理，将原始数据信息根据内存大小进行切片分组M＝m₁m₂m₃…m_i，内存大小可根据采集的数据信息类型进行划分。

3.根据权利要求1所述的一种基于区块链的物联网信息安全保护方法，其特征在于，所述步骤c数据加密层将IPFS返回的哈希值进行同态加密，并将加密后的密文上传到区块链层。

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