CN111147227A

CN111147227A - 一种基于区块链的通信方法和通信平台

Info

Publication number: CN111147227A
Application number: CN201911377097.7A
Authority: CN
Inventors: 卢伟文; 曲强
Original assignee: Hangzhou Zhongke Advanced Technology Research Institute Co ltd
Current assignee: Hangzhou Zhongke Advanced Technology Research Institute Co ltd
Priority date: 2019-12-27
Filing date: 2019-12-27
Publication date: 2020-05-12
Anticipated expiration: 2039-12-27
Also published as: CN111147227B

Abstract

本发明提供一种基于区块链的通信方法和通信平台。该方法包括：将军事数据作为交易信息以区块形式存储于区块链网络的分布式节点，每个区块包括区块头和区块体；在数据传输过程中，各分布式节点通过数字签名方式验证数据的合法性，其中区块链存储过程通过国密SM3算法计算HASH值。本发明能够式通信更安全、可靠、灵活和智能。

Description

一种基于区块链的通信方法和通信平台

技术领域

本发明涉及区块链技术领域，尤其涉及一种基于区块链的通信方法和通信平台。

背景技术

区块链技术是利用块链式数据结构来验证与存储数据、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的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。区块链有很多独有的特点和优势，例如去中心化、不可篡改性和不可伪造性、可验证性和匿名性等。

现有的军事通信技术主要依靠无线电通信，但无线电信号易被敌方截获、测向和干扰，所以在实际应用中，须从组织和技术等方面采取措施。目前军事信息的加密通常是采用加密算法对明文进行处理，这种方法可以通过提高算法难度、增强加密效果，但此方法的加密过程十分传统，只要密钥被破译，则信息就有可能被盗取。另外，区块链技术中采用的加密算法虽然可以保证一般区块链网络的正常运行，但是对于军事通信来说，该加密算法的研发由国外机构主导，不利于保护军事信息安全。哈希算法是区块链最常使用的一种加密算法，它被广泛使用在构建区块和确认交易的完整性上。各区块链技术主要使用的哈希算法为SHA-256算法。在非对称加密方面，ECDSA(一种数字签名算法)算法被广泛应用，这种算法改进于椭圆曲线，但只能用于数字签名。除此之外，还有基于大整数因子分解问题(IFP)的RSA和基于椭圆曲线上离散对数计算问题(ECDLP)的ECC算法等非对称加密技术。

军事数据对于作战指挥具有重要意义，但是数据存储往往集中在一台或少数几台服务器中，即便有灾备处理，但是单点故障概率仍然比较高。另外，现有数据存储模式中服务器之间的联系并不强，在数据同步和数据验证方面能力并不突出。

由于缺少对历史数据的保护，按照现有数据存储方式保存的信息面临被篡改的风险，敌方黑客侵入军事通信、控制系统有可能篡改重要作战数据，即便无法破译密码也可以扰乱数据，导致分析错误，甚至误判。而中心化的存储一旦受到敌军破坏，则数据损失无法估量。

综上，目前军事通信存在的限制主要有：加密模式仍利用传统的加密算法加密，这要求密钥的保存需要极高的安全性，但是在技术上始终存在被破译的风险；区块链技术中使用的加密算法均为国外机构研发，不利于军事信息的安全性；现有各部门间数据不流通，不能做到数据共享，这不利于制定准确的战略方针和全盘统筹。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于区块链的通信方法和通信平台，能够利用区块链技术和特定的加密算法提高军事系统的安全性。

根据本发明的第一方面，提供一种基于区块链的通信方法。该方法包括以下步骤：

将军事数据作为交易信息以区块形式存储于区块链网络的分布式节点，每个区块包括区块头和区块体；

在数据传输过程中，各分布式节点通过数字签名方式验证数据的合法性；

其中，所述以区块形式存储交易信息包括：

将交易内容通过国密SM3算法得到结果HASH值；

基于时间进行排序，将两个相邻的交易HASH值通过字符串相加后，再通过国密SM3算法得到新的HASH值作为父级节点，进而得到Merkle树的根节点HASH值；

利用区块链体存储交易和Merkle树的相关信息，利用区块头存储Merkle根值、时间信息、空间信息；

将前一区块哈希值、版本信息、生成的随机数、版本号进行国密SM3算法得到结果HASH值，存储在下一个区块中。

在一个实施例中，所述验证数据的合法性包括以下子步骤：

发送方与接收方通过国密SM2算法获得专属的公钥和私钥；

发送方将传输的消息内容通过国密SM3算法得到HASH值，存为摘要信息；

发送方通过私钥对所述摘要信息进行加密，形成数字签名；

发送方将消息内容和数字签名信息传输给接收方；

接收方对消息内容进行国密SM3算法得到HASH值，存为第一摘要信息；

接收方利用发送方的公钥对消息的数字签名进行SM2算法解密，得到第二摘要信息；

接收方通过对比所述第一摘要信息与所述第二摘要信息的一致性来确定数据是否完整。

在一个实施例中，所述各分布式节点进行消息数据传输的过程包括：

发送方将消息数据、发送方公钥、接收方公钥广播到其他所有节点中；

接收方将收到的消息数据、发送方公钥、接收方公钥保存至本地，并根据本地存储的数据和共识算法机制对其进行检验；

对于通过检验的消息数据，根据共识算法，选择区块链网络中的一个节点对该消息数据进行处理、打包并存放在区块链上。

在一个实施例中，该方法还包括：所述各分布式节点根据共识算法的最长链原则识别被篡改的数据。

在一个实施例中，该方法还包括：

根据所发送消息被共识算法拒绝的次数来识别恶意节点；

屏蔽被识别为恶意节点的节点，若该节点为主节点，则注销其主节点的地位。

在一个实施例中，对于位于同一区块链网络中的不同部门根据以下子步骤实现数据共享：

第一部门中的节点将数据成功上传到区块链；

其他节点同步链上信息，并将数据下载至本地系统；

第二部门中的节点通过证书验证后，查看所述第一部门节点的历史区块中的数据。

在一个实施例中，各部门的节点包括卫星定位模块，区块生成时区块头中还保存每个区块的生成经度、纬度、时间、质量因子、卫星数量。

根据本发明的第二方面，提供一种基于区块链的通信平台，用于实现本发明的通信方法。

与现有技术相比，本发明的优点在于：提出基于区块链的通信加密方法，利用区块链特殊的分布式系统、将军事数据存储于若干台物理机中，并组成互相连通的区块链网络，服务器可相互验证数据，传输缺失数据等，使军事通信更加安全、可靠、灵活和智能。

附图说明

以下附图仅对本发明作示意性的说明和解释，并不用于限定本发明的范围，其中：

图1是根据本发明一个实施例的区块存储结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的区块链中数字签名验证的流程图；

图3是本发明的开发设计的流程图；

图4是根据本发明一个实施例的消息数据传输的流程图；

图5是根据本发明一个实施例的防止恶意节点篡改数据的流程图；

图6是根据本发明一个实施例的处理恶意节点的流程图；

图7是根据本发明一个实施例的数据共享的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案、设计方法及优点更加清楚明了，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

在本文示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

本发明实施例应用区块链技术来改善军事通信系统的安全性、验证能力、防篡改能力和防黑客能力。

在一个实施例中，区块的存储结构参见图1所示，其中，区块前后串连，每个区块由区块头(或称区块链头)和区块体(或称区块链体)两部分组成，区块头包含版本信息、前一区块哈希值、时间戳、随机数、空间信息、Merkle根值，区块体包括交易信息，每笔交易通过哈希并以Merkle树的形式生成，具体包括以下步骤：

1a)、当产生一笔交易时，首先将交易内容通过国密SM3算法得到结果HASH值，所有交易值都是通过国密SM3算法得到结果HASH值。

1b)、以时间作为排序，两个相邻的交易HASH值通过字符串相加后，再通过国密SM3算法得到新的HASH值作为父级节点，依此类推最后得到根节点HASH值。

1c)、区块体存储交易以及Merkle树的所有信息，区块头存储Merkle根值，并且记录存储的时间信息(Unix timestamp)，空间信息，同时将前一区块哈希值、版本信息、生成的随机数，版本号进行国密SM3算法得到结果HASH值，存储在下一个区块中，形成链条，从而保证数据不可篡改性、完整性。

在整个区块链网络中，为了保证数据传输过程未被篡改，通过数字签名的方式加以验证，参见图2所示的发送方A和接收方B的传输过程：

2a)、发送方A和接收方B通过国密SM2算法得到专属的公钥和私钥。

2b)、发送方A将消息内容通过国密SM3算法得到HASH值存为摘要信息。

2c)、发送方A通过私钥对摘要信息进行加密，形成数字签名。

2d)、发送方A将消息内容和数字签名信息一起传输给接收方B。

2e)、接收方B在收到信息后，对消息内容进行国密SM3算法得到HASH值存为摘要信息1。

2f)、接收方B获取发送方A的公钥，对信息的数字签名用发送方A的公钥进行SM2算法解密，得到摘要信息2。

2g)、接收方B对比摘要信息1与摘要信息2是否一致，如果一致表示数据完整未被篡改，否则表明数据已经被篡改或丢失。

为便于理解，图3示出了本发明的区块链通信系统的设计开发总流程，具体包括以下步骤：利用HyperledgerFabric区块链开源代码，搭建起区块链基本框架；将区块链代码中原有的加密算法改为国密算法，包括将SM2作为签名与验证的非对称加密，而SM3则替换原有的哈希算法；获得现正在使用的通信系统的后端接口，主要为接收和发送数据，对于由原系统发送的数据直接传输至区块链网络中，通过区块链的通信原则进行发送，而对于接收数据接口，则负责监听链上数据，如果本节点为数据接收方，则接口接收区块中的信息；在多台服务器中安装区块链代码，并相互连通，形成P2P(点对点)网络；启动区块链网络，遵循既定的共识算法，将P2P网络中的节点逐一加入到区块链中，成为共识节点。

本发明实施例提供的基于区块链的通信方法对于提高军事通信的安全性主要体现在四个方面，分别是消息数据传输、消息数据防篡改、识别恶意节点和多军区数据共享。下文将一一进行介绍。

1)、关于消息数据传输

参见图4所示，消息数据传输的过程包括以下步骤：

3a)、当某节点欲将数据传送至另一节点时，该数据、发送方公钥以及接收方公钥等参数将被广播到其他所有节点。

3b)、若区块链采用的是半中心化或多中心化，则主节点将会收到上述数据，收到数据的节点将其保存至本地，并根据本地存储的数据和共识算法机制对其进行检验。

3c)、若没有通过检验则舍弃该消息，不保存在区块链上。

3d)、若通过检验，则根据共识算法，选择网络中某一个节点对该消息进行处理、打包，最后存放在区块链上。

3e)、区块链上所有节点都把新区块下载到本地保存，消息数据传输完成。

2)、关于消息数据防篡改

当区块链网络中某一节点已经被攻破且获得了控制权，那么该节点很有可能会发送虚假的历史数据以代替原历史记录。针对这种情况，参见图5所示，本发明提供的防止恶意节点篡改数据的过程包括：

4a)、该节点将虚假数据向全网广播，消息同样将接受其他节点的检验。

4b)、若检验不通过则舍弃该消息。

4c)、若通过检验，其他节点依据共识算法的“最长链原则”也不会承认该区块的合法性。

通过上述方式，恶意节点的篡改行为不能成功，系统的运行不受影响。

3)、关于恶意节点的识别和处理

参见图6所示，识别和处理恶意节点的过程包括：

5a)、当某一节点所发送消息被共识算法多次拒绝(例如拒绝3次以上)，那么共识算法或智能合约可以定位到网络中的该节点，并对其进行屏蔽。

5b)、若该节点为主节点，可以注销其主节点的地位。

通过上述方式，被控制的恶意节点失去了干扰本区块链通信系统的能力。

4)、关于多军区数据共享

军事数据上链后，接入同一区块链的节点可以做到数据共享，查询历史区块信息。

参见图7所示，多军区(或称多部门)数据共享的过程具体包括：

6a)、A军区某一节点将数据成功上传到区块链。

6b)、其他网络中节点将同步链上信息，并将数据下载至本地系统。

6c)、若B军区某节点欲查看A军区节点数据，则B军区该节点须通过CA证书验证。

6d)、验证成功后，方可查询历史区块中的数据。

此外，为了加强数据记录的空间位置，优选地，每个节点服务中包含卫星定位系统模块(例如GPS模块或北斗模块等)，在区块生成时区块链头中保存卫星定位信息，例如标识每个区块的生成经度、纬度、时间、质量因子、卫星数量等信息，从而对数据有效性起到更好的验证。

在一个实施例中，打包到区块头中的卫星定位信息具体包括：

示例1：＄GPGGA，080808，3231.5549，N，12745.5121，E，1，07，1.5，75.3，M，－7.2，M，＊65。

其存储数据格式为：

＄GPGGA，(1)，(2)，(3)，(4)，(5)，(6)，(7)，(8)，(9)，M，(10)，M，(11)，(12)＊hh(CR)(LF)

对应的含义分别是：

(1)、定位UTC时间：08时08分08秒

(2)、纬度：(格式ddmm.mmmm：即dd度，mm.mmmm分)；

(3)、N/S(北纬或南纬)：北纬32度31.4449分；

(4)、经度：(格式dddmm.mmmm：即ddd度，mm.mmmm分)；

(5)、E/W(东经或西经)：东经127度45.5121分；

(6)质量因子：(0＝没有定位，1＝实时GPS，2＝差分GPS)：1＝实时GPS；

(7)、可使用的卫星数：(0～8)：可使用的卫星数＝07；

(8)、水平精度因子：(1.0～99.9)；水平精度因子＝1.5；

(9)、天线高程：(海平面，-9999.9～99999.9，单位：m)；天线高程＝75.3m)；

(10)、大地椭球面相对海平面的高度：(-999.9～9999.9，单位：m)：-7.2m；

(11)、差分GPS数据年龄，实时GPS时无：无；

(12)差分基准站号：(0000～1023)，实时GPS时无：无；

＊总和校验域；

hh总和校验数：65；

(CR)(LF)回车，换行。

相应地，本发明还提供一种基于区块链的通信平台，用于实现上述方法的一个或多个方面。例如，该平台包括：数据存储单元，其用于将军事数据作为交易信息以区块形式存储于区块链网络的分布式节点，每个区块包括区块头和区块体；合法性验证单元，其用于在数据传输过程中，各分布式节点通过数字签名方式验证数据的合法性。

综上所述，本发明采用区块链的分布式存储方式，将军事数据存储于多台物理机中，避免单点故障；利用区块链的加密性、可靠性、智能性和共识算法对节点的控制力保障其通信的安全和存储数据不被篡改；采用国密算法替代区块链技术中固有的加密算法，从而保证加密的自主性并提高加密强度；数据上链，接入区块链的共识节点可查询历史区块、共享数据。

需要说明的是，虽然上文按照特定顺序描述了各个步骤，但是并不意味着必须按照上述特定顺序来执行各个步骤，实际上，这些步骤中的一些可以并发执行，甚至改变顺序，只要能够实现所需要的功能即可。

本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本发明的各个方面的计算机可读程序指令。

计算机可读存储介质可以是保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以包括但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims

1.一种基于区块链的通信方法，包括以下步骤：

其中，所述以区块形式存储交易信息包括：

将交易内容通过国密SM3算法得到结果HASH值；

2.根据权利要求1所述的基于区块链的通信方法，其特征在于，所述验证数据的合法性包括以下子步骤：

发送方与接收方通过国密SM2算法获得专属的公钥和私钥；

发送方通过私钥对所述摘要信息进行加密，形成数字签名；

发送方将消息内容和数字签名信息传输给接收方；

3.根据权利要求1所述的基于区块链的通信方法，其特征在于，所述各分布式节点进行消息数据传输的过程包括：

4.根据权利要求1所述的基于区块链的通信方法，其特征在于，该方法还包括：所述各分布式节点根据共识算法的最长链原则识别被篡改的数据。

5.根据权利要求1所述的基于区块链的通信方法，其特征在于，该方法还包括：

根据所发送消息被共识算法拒绝的次数来识别恶意节点；

6.根据权利要求1所述的基于区块链的通信方法，其特征在于，对于位于同一区块链网络中的不同部门根据以下子步骤实现数据共享：

第一部门中的节点将数据成功上传到区块链；

其他节点同步链上信息，并将数据下载至本地系统；

7.根据权利要求6所述的基于区块链的通信方法，其特征在于，各部门的节点包括卫星定位模块，区块生成时区块头中还保存每个区块的生成经度、纬度、时间、质量因子、卫星数量。

8.一种基于区块链的通信平台，用于实现根据权利要求1至7中任一项所述的方法。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，该程序被处理器执行时实现根据权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。

10.一种计算机设备，包括存储器和处理器，在所述存储器上存储有能够在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。