CN111597590B - 一种基于区块链的数据完整性快速检验方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于数据安全技术领域，为一种基于区块链的数据完整性快速检验方法，包括：根据系统公开参数生成各个节点私钥；客户端将文件m传输给服务器；客户端和服务分别计算文件m的客户端第一哈希值h与服务器第一哈希值h'；客户端和服务器分别对自己计算的哈希值进行签名，并将签名的哈希值上传区块链中；区块链根据两个哈希值判断文件m是否完整；若完整，采用佩德森验证存储在客户端的数据和传输给服务器的数据是否一致，若数据一致则表示存储在服务器上的数据完整，若不一致，则数据不完整；本发明结合了区块链网络，将存储功能和检验功能分开，且在区块链中流动的数据仅仅是在检验过程中生成的数据，保证了原始数据的安全性和快速检测性。

Description

一种基于区块链的数据完整性快速检验方法

技术领域

本发明属于数据安全技术领域，具体涉及一种基于区块链的数据完整性快速检验方法。

背景技术

近几年，随着云计算的快速发展和IT设备计算量的增加，许多用户由于本地存储资源有限而将数据存储在远程云服务器中。将数据存储在远程云服务器中能够减少了用户本地存储的压力和降低了管理方面的难度；相比用户本地存储，云服务器存储可以提供高效性和可扩展性；用户可以在任何时候、任何地方访问其数据。虽然云存储给予了用户很多便利，但是不能确定云服务器存储的数据是否是可信的，即客户端无法确定服务器在自身蓄意攻击的情况下云服务器仍然能够正确存储客户端的数据。例如：服务器会删除用户的不常用的数据来减少其存储空间，从而把空闲下来的这些存储空间卖给其他用户。所以为了用户能放心使用云存储服务，必须要使用户能够通过某种途径来验证数据是否还完整地保存在云服务器中。

为了解决这一问题，一些专家们引入了远程数据完整性检测RIC的概念，即检测一些不可信的云服务器是否能够避免删除和篡改数据而正确地保存数据。RIC可以分为两类：数据持有方案(PDP)和可恢复证明方案(POR)。Ateniese等人在文献“Provable datapossession at untrusted stores”中，提出了使用基于大数难分解的困难问题和KEA1-r来构造了一个检验数据完整性的方案。Shacham等人在文献“Compact Proofs ofRetrievability”中，提出了使用双线性配对来构造数据完整性检验方案。所以现有的PDP方案可分为两类。但是在效率方面，第一类方案由于使用指数运算来生成同态标签，导致大幅降低整个方案的效率；第二类方案中也是同样的问题。虽然后来的专家们把目光放在了hash上，这在一定程度上大大加快了整个方案的效率，但还是逃脱不了需要用到标签的弊端，例如邹静等人在文献“基于Hash聚合动态数据持有性方案安全性分析”中，使用了hash聚合以及认证标签；李超零等人在文献“基于同态hash的数据多副本持有性证明方案”中使用了同态hash和认证标签，都摆脱不了需要使用标签的情况。

以上现有的技术中其数据完整性检验效率低；且存储在云服务器中的外源数据文件是非常大，而用户为了检查所存储的数据的完整性而下载所有数据会极大的消耗用户的存储空间和网络的带宽。

发明内容

为解决以上现有技术问题，本发明提供了一种基于区块链的数据完整性快速检验方法，包括根据系统公开参数生成客户端节点私钥和服务器节点私钥；客户端将文件m传输给服务器；客户端计算文件m的客户端第一哈希值h，服务器计算文件m的服务器第一哈希值h'；客户端和服务器根据各自的私钥分别对自己计算的哈希值进行签名，并将签名的哈希值上传区块链中；区块链根据两个哈希值判断文件m是否完整；若不完整，则检验终止；若完整，采用佩德森Pederson验证存储在客户端的数据和传输给服务器的数据是否一致，若数据一致则表示存储在服务器上的数据完整，若不一致，则表示存储在服务器上的数据不完整。

优选的，所述系统公开参数包括：params＝{p,G,g,h,f,H}，其中，p表示素数，G表示阶为素数p的乘法循环群，g表示乘法循环群第一生成元，h表示乘法循环群第二生成单元，f表示随机数函数，H表示哈希函数。

优选的，根据公开参数生成客户端节点私钥和服务器节点私钥的过程包括：客户端节点和服务器节点分别调用随机函数f，客户端节点和服务器节点分别得到一个随机数，将得到的随机数作为各自节点的私钥；随机函数f的表达式为：

优选的，所述区块链根据两个哈希值判断文件m是否完整包括：客户端将计算得到的客户端第一哈希值h和文件m存储在客户端本地；服务器将服务器第一哈希值h'和文件m一同存储在服务器本地；将用户端的签名和服务器的签名分别上传至区块链中；区块链中的任意节点对这两个签名进行验证，并判断两个签名中的哈希值是否一样，若不一样，则终止数据完整性校验，若一样，则进行数据检验过程。

优选的，哈希函数的表达式为：根据哈希函数表达式计算出文件m的哈希值h。

优选的，对哈希值进行签名的过程包括：采用椭圆曲线数字签名算法ECDSA对哈希值进行签名；

步骤1：在区间[1,n]中选择一个随机整数k；

步骤2：计算椭圆曲线上的一个点(x1,y1)＝kG；则取r≡x1 mod n，若r＝0，则重新选择随机数k；

步骤3：计算s＝k^-1·(h(m)+dr)mod n；

步骤4：若s＝0，则重新选择随机数k；否则(r，s)为哈希值的签名。

优选的，采用佩德森Pederson验证存储在客户端的数据和传输给服务器的数据是否一致包括：客户端随机从客户端本地列表中选择一个第一随机值ri以及ri对应的客户端第i个哈希值hi做Pederson承诺；根据Pederson承诺公式、第一随机值ri以及对应的客户端第i个哈希值hi计算出承诺值Ci，并将承诺值Ci和选择的第一随机值ri上传到区块链中；客户端向服务器发出挑战，即将选择的第一随机值ri发送给服务器；服务器接收到ri，用存储在本地的文件m与ri合并，将合并后的文件做哈希运算，得到服务器第i个哈希值hi′，将hi′返回给客户端和上传至区块链；客户端接收到服务器第i个哈希值hi′，打开客户端的Pederson承诺，得到第二随机值ri′，验证上传到区块链上的第一随机值ri与打开Pederson承诺后的第二随机值ri′是否一致，若不一致，则存储的数据不完整，若一致，则验证服务器返回的服务器第i个哈希值hi′和客户端第i个哈希值hi是否一样，若不一样，则服务器中的数据不完整，若一样，服务器中的数据完整。

优选的，客户端本地列表生成过程包括：客户端随机选择n个随机值并依次和文件m合并，得到n个文件；将n个合并后的文件依次作哈希运算，得到n个哈希值hn；将n个哈希值h存储在本地；将n个随机值与每个随机值对应的哈希值hn建立成表并存储在客户端本地。

优选的，根据Pederson承诺公式计算出承诺值的公式为：

C(x,r)＝g^x·h^r

优选的，验证返回的哈希值hi′与客户端打开承诺后的哈希值hi是否一致时，验证过程在区块链上进行。

本发明结合了区块链网络，将存储功能和检验功能分割开，且在区块链中流动的数据仅仅是在检验过程中生成的数据，这些数据可以被区块链中的任意节点查看和验证，保证了文件检验的安全性；本发明通过让客户端事先在本地建表来给用户预定了有限次的检验操作，而且可以根据用户的实际使用情况来设定检验次数的大小，如果次数使用完之后，再重新建表即可，完美契合现实需求。

附图说明

图1为本发明所述基于区块链的数据完整性快速检验方法使用的系统模型图；

图2为本发明所述基于区块链的数据完整性快速检验方法的流程框图；

图3为系统初始化流程框图；

图4为数据存储阶段流程框图；

图5为准备阶段流程框图；

图6为证明阶段流程框图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

如图1所示，整个系统划分为三个层次；其中第一个层次是区块链服务器，此服务器用于公布整个系统的公开参数。第二个层次是区块链网络节点，其中包括了客户端节点和服务器节点，以及一些其他的节点，这些节点可以参与验证过程；其他节点包括为除参与数据传输的用户端节点和服务器节点以外的区块链上的节点。第三个层次为客户端节点和服务器节点的链下数据流传输层。

一种基于区块链的数据完整性快速检验方法，如图2所示，包括：系统初始化，生成系统公开参数；根据系统公开参数生成客户端节点私钥和服务器节点私钥；客户端将文件m传输给服务器；客户端计算文件m的客户端第一哈希值h，服务器计算文件m的服务器第一哈希值h'；客户端和服务器根据各自的私钥分别对自己计算的哈希值进行签名，并将签名的哈希值上传区块链中；区块链根据两个哈希值判断文件m是否完整；若不完整，则检验终止；若完整，采用佩德森Pederson验证存储在客户端的数据和传输给服务器的数据是否一致，若存储在客户端的数据和传输给服务器的数据一致则表示存储在服务器上的数据完整，若不一致，则表示存储在服务器上的数据不完整。

如图3所示，系统初始化的过程包括：输入系统安全参数，系统根据输入的安全参数生成系统公开参数。

系统公开参数包括：params＝{p,G,g,h,f,H}，其中，p表示素数，G表示阶为素数p的乘法循环群，g表示乘法循环群第一生成元，h表示乘法循环群第二生成单元，f表示随机数函数，H表示哈希函数。

根据公开参数生成客户端节点私钥和服务器节点私钥的过程包括：客户端节点和服务器节点分别调用随机函数f，客户端节点和服务器节点分别得到一个随机数，将得到的随机数作为各自节点的私钥；

随机函数f的表达式为：

其中，K表示系统安全参数，n表示随机数的空间大小，l表示随机数的位数。

如图4所示，生成本地文件列表的过程包括：

步骤1：客户端将文件m作哈希运算，并将哈希运算的结果保存在本地；

步骤2：客户端随机选择n个随机值，n个随机值分别于文件m合并，将合并后的文件依次做哈希运算，得到n个哈希值hn，运算形式为：hi＝H(m||ri)i∈n；将得到的n个哈希值存储在客户端本地；

步骤3：将n个随机值以及每个随机值对应的哈希值建立本地文件列表；并将本地文件列表存储在客户端的本地上；

步骤4：客户端将文件m传输到服务器上；

步骤5：服务器接收到文件m后，将文件m做哈希运算，得到哈希值h'，并将文件m和哈希值h'存储到服务器的本地。

如图5所示，判断客户端发送的文件是否完整的包括：客户端将计算得到的客户端第一哈希值h和文件m存储在客户端本地；服务器将服务器第一哈希值h'和文件m一同存储在服务器本地；将用户端的签名和服务器的签名分别上传至区块链中；区块链中的任意节点对这两个签名进行验证，并判断两个签名中的哈希值是否一样，若不一样，则终止数据完整性校验，若一样，则进行数据检验过程。

哈希函数的表达式为：

其中，H表示哈希函数，Z_q ^*表示小于q的任意正整数，*表示任意，q表示一个大素数。

根据哈希函数表达式计算出文件m的哈希值h。

将哈希值进行签名的过程包括，采用椭圆曲线数字签名算法ECDSA对哈希值进行签名；步骤为：

步骤1：在区间[1,n]中选择一个随机整数k；

步骤2：计算椭圆曲线上的一个点(x1,y1)＝kG；则取r≡x1 mod n，若r＝0，则重新选择随机数k；

步骤3：计算s＝k^-1·(h(m)+dr)mod n；

步骤4：若s＝0，则重新选择随机数k；否则(r，s)为哈希值的签名；

其中，G表示在椭圆曲线上选取的一个拥有素数阶n的点，(x1,y1)表示椭圆曲线上随机的点，x1表示随机点的横坐标，y1表示随机点的纵坐标，n表示阶数，mod n表示对n求余运算，k^-1表示k的逆元，h(m)表示表示文件m的哈希值，m表示存储的文件，d表示私钥，r表示签名的前部分，s表示签名的后部分。

如图6所示，采用佩德森Pederson验证存储在客户端的数据和传输给服务器的数据是否一致包括：客户端随机从客户端本地列表中选择一个第一随机值ri以及ri对应的客户端第i个哈希值hi做Pederson承诺；根据Pederson承诺公式、第一随机值ri以及对应的客户端第i个哈希值hi计算出承诺值Ci，并将承诺值Ci和选择的第一随机值ri上传到区块链中；客户端向服务器发出挑战，即将选择的第一随机值ri发送给服务器；服务器接收到ri，用存储在本地的文件m与ri合并，将合并后的文件做哈希运算，得到服务器第i个哈希值hi′，将hi′返回给客户端和上传至区块链；客户端接收到服务器第i个哈希值hi′，打开客户端的Pederson承诺，得到第二随机值ri′，验证上传到区块链上的第一随机值ri与打开Pederson承诺后的第二随机值ri′是否一致，若不一致，则存储的数据不完整，若一致，则验证服务器返回的服务器第i个哈希值hi′和客户端第i个哈希值hi是否一样，若不一样，则服务器中的数据不完整，若一样，服务器中的数据完整。

根据Pederson承诺公式计算出承诺值的公式为：

C(x,r)＝g^x·h^r

其中，C(x,r)表示承诺值，x为Pederson承诺公式的输入参数，表示随机选取的哈希值；r为Pederson承诺公式的输入参数，表示随机选取的哈希值对应的随机值；g表示第一乘法循环的群的生成单元，h表示第二乘法循环的群的生成单元。

验证返回的哈希值hi′与客户端打开承诺后的哈希值hi是否一致时，验证过程在区块链上进行。

客户端选择的随机数为n个，当n次询问过后，客户端会从服务器中重新下载数据，并重复此方法的四个过程，重新选择n个新的随机数。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种基于区块链的数据完整性快速检验方法，其特征在于，包括：根据系统公开参数生成客户端节点私钥和服务器节点私钥；客户端将文件m传输给服务器；客户端计算文件m的客户端第一哈希值h，服务器计算文件m的服务器第一哈希值h'；客户端和服务器根据各自的私钥分别对自己计算的哈希值进行签名，并将签名的哈希值上传到区块链中；区块链根据两个哈希值判断文件m是否完整；若不完整，则检验终止；若完整，采用佩德森Pederson验证存储在客户端的数据和传输给服务器的数据是否一致，若数据一致则表示存储在服务器上的数据完整，若不一致，则表示存储在服务器上的数据不完整；

客户端和服务器根据各自的私钥分别对哈希值进行签名的过程包括：采用椭圆曲线数字签名算法ECDSA对哈希值进行签名；具体包括：

步骤1：在区间[1,n]中选择一个随机整数k；

步骤2：计算椭圆曲线上的一个点(x1,y1)＝kG；则取r≡x1 mod n，若r＝0，则重新选择随机数k；

步骤3：计算s＝k^-1·(h(m)+dr)mod n；

步骤4：若s＝0，则重新选择随机数k；否则(r，s)为哈希值的签名；

其中，G表示在椭圆曲线上选取的一个拥有素数阶n的点，(x1,y1)表示椭圆曲线上随机的点，x1表示随机点的横坐标，y1表示随机点的纵坐标，n表示阶数，mod n表示对n求余运算，k^-1表示k的逆元，h(m)表示表示文件m的哈希值，m表示存储的文件，d表示私钥，r表示签名的前部分，s表示签名的后部分；

采用佩德森Pederson验证存储在客户端的数据和传输给服务器的数据是否一致包括：客户端随机从客户端本地列表中选择一个第一随机值ri以及ri对应的客户端第i个哈希值hi做Pederson承诺；根据Pederson承诺公式、第一随机值ri以及对应的客户端第i个哈希值hi计算出承诺值Ci，并将承诺值Ci和选择的第一随机值ri上传到区块链中；客户端向服务器发出挑战，即将选择的第一随机值ri发送给服务器；服务器接收到ri，用存储在本地的文件m与ri合并，将合并后的文件做哈希运算，得到服务器第i个哈希值hi′，将hi′返回给客户端和上传至区块链；客户端接收到服务器第i个哈希值hi′，打开客户端的Pederson承诺，得到第二随机值ri′，验证上传到区块链上的第一随机值ri与打开Pederson承诺后的第二随机值ri′是否一致，若不一致，则存储的数据不完整，若一致，则验证服务器返回的服务器第i个哈希值hi′和客户端第i个哈希值hi是否一样，若不一样，则服务器中的数据不完整，若一样，服务器中的数据完整；

客户端本地列表生成过程包括：客户端随机选择n个随机值并依次和文件m合并，得到n个文件；将n个合并后的文件依次作哈希运算，得到n个哈希值hn；将n个哈希值h存储在本地；将n个随机值与每个随机值对应的哈希值hn建立成表并存储在客户端本地；

根据Pederson承诺公式计算出承诺值的公式为：

C(x,r)＝g^x·h^r

其中，C(x,r)表示承诺值，x为Pederson承诺公式的输入参数，表示随机选取的哈希值；r为Pederson承诺公式的输入参数，表示随机选取的哈希值对应的随机值；g表示第一乘法循环的群的生成单元，h表示第二乘法循环的群的生成单元；

验证返回的哈希值hi′与客户端打开承诺后的哈希值hi是否一致时，验证过程在区块链上进行。

2.根据权利要求1所述的一种基于区块链的数据完整性快速检验方法，其特征在于，所述系统公开参数包括：params＝{p,G,g,h,f,H}，其中，p表示素数，G表示阶为素数p的乘法循环群，g表示乘法循环群第一生成元，h表示乘法循环群第二生成单元，f表示随机数函数，H表示哈希函数。

3.根据权利要求2所述的一种基于区块链的数据完整性快速检验方法，其特征在于，所述根据系统公开参数生成客户端节点私钥和服务器节点私钥的过程包括：客户端节点和服务器节点分别调用随机函数f，客户端节点和服务器节点分别得到一个随机数，将得到的随机数作为各自节点的私钥；

随机函数f的表达式为：

其中，K表示系统安全参数，n表示随机数的空间大小，l表示随机数的位数。

4.根据权利要求1所述的一种基于区块链的数据完整性快速检验方法，其特征在于，所述区块链根据两个哈希值判断文件m是否完整包括：客户端将计算得到的客户端第一哈希值h和文件m存储在客户端本地；服务器将服务器第一哈希值h'和文件m一同存储在服务器本地；将用户端的签名和服务器的签名分别上传至区块链中；区块链中的任意节点对这两个签名进行验证，并判断两个签名中的哈希值是否一样，若不一样，则终止数据完整性校验，若一样，则进行数据检验过程。

5.根据权利要求4所述的一种基于区块链的数据完整性快速检验方法，其特征在于，哈希函数的表达式为：

根据哈希函数表达式计算出文件m的哈希值h。