CN111740989B - 一种面向区块链的物联网芯片轻量级数据加密方法 - Google Patents

一种面向区块链的物联网芯片轻量级数据加密方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于物联网信息安全技术领域，特别涉及一种面向区块链的物联网芯片轻量级数据加密方法。具体如下：物联网终端使用真随机数生成公私钥，通过证书颁发机构获取数字证书，同时使用ECDH密钥交换算法与区块链网关交换对称密钥。区块链网关接收来自于物联网终端的数字证书和公钥，向联盟区块链提交交易请求。联盟区块链经背书、排序后将可信设备列表上链。数据使用方请求使用数据，则由物联网终端将密文数据发送给区块链网关并附带ECDSA数字签名，由区块链网关转发至数据使用方。数据使用方查询链上的可信设备列表，并使用可信公钥验证数字签名，以确保数据来源真实可信。本发明可实现数据来源可信，数据传输安全和数据链上共享可信。

Description

一种面向区块链的物联网芯片轻量级数据加密方法
技术领域
本发明属于物联网信息安全技术领域，特别涉及一种面向区块链的物联网芯片轻量级数据加密方法。
背景技术
加密技术关注信息保密问题，还同时涉及信息完整性验证、信息发布的不可抵赖性、以及在分布式计算中产生的来源于内部和外部的攻击的所有信息安全问题。目前加密技术存在对称加密技术、非对称加密技术和不可逆加密技术等多个分支，是信息安全的理论基础和核心技术。
物联网是通过网络接入，实现物与物、物与人的泛在连接，是互联网、传统电信网等的资讯承载体，让所有能行使独立功能的普通物体实现互联互通的网络。通过物联网可以用中心计算机对机器、设备、人员进行集中管理、控制，同时可实现自动化数据收集，排除数据收集与上报的人为干预。
区块链是具有去中心化、不可篡改、分布式共享等特点的全局账本。区块链由于去中心化的链上数据安全保障机制，近年来在数据收集记录和社会治理领域得到蓬勃发展。但是，传统区块链系统仍然面对着数据上链前的不可控性所带来的安全风险。
区块链与物联网的融合系统较好的解决了上述问题。物联网系统能有效的保证链下数据的安全收集与上链过程，而区块链系统能保证数据上链后的不可篡改性与可追溯性。区块链和物联网的融合能有效提升设备与数据安全，保障流程的可信，实现多主体协同运作。
然而由于当前的物联网设备与区块链适配性的欠缺，导致区块链+物联网系统仍存在诸多安全漏洞。因此实现物联网与区块链系统的加密技术适配是急需解决的问题之一。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种面向区块链的物联网芯片轻量级数据加密方法。
本发明的技术方案：
一种面向区块链的物联网芯片轻量级数据加密方法，所参与的实体包括：物联网终端、区块链网关、联盟区块链以及数据使用方；具体步骤如下：
步骤(1)、物联网终端首先使用硬件真随机数生成模块生成私钥r与公钥s，并通过联盟区块链的证书颁发机构CA获取数字证书Corg-ID，同时使用ECDH密钥交换算法与区块链网关交换对称密钥，以建立对称加密信道；区块链网关收集各物联网终端的Corg-ID，向联盟区块链提交交易请求；联盟区块链经交易背书、排序后将可信设备列表上链；
步骤(2)、传输数据时，数据使用方如果请求使用物联网数据，则由物联网终端将TEA算法加密后的密文数据发送给区块链网关，区块链网关使用对称密钥解密后获取数据明文，并在物联网终端数据报文后附代ECDSA数字签名，由区块链网关将数据转发至数据使用方，以保证数据的完整性和可追溯性；
步骤(3)、数据使用方可查询联盟区块链上的可信设备列表，获得可信的公钥，并使用获得的可信的公钥验证数据的数字签名，以确保数据来源的真实可信，最终实现数据加密。
所述的步骤(1)具体如下：
硬件真随机数生成模块使用芯片的模数转换器ADC采集外部噪声，以产生随机私钥r，并根据私钥r与ECC椭圆曲线算法计算相应公钥s。
物联网终端需要将自身的公钥s与索引序号ID发送到所对应的区块链组织的证书颁发机构CA，用以申请由对应区块链组织认证的公钥数字证书。
对应区块链组织的CA在接收到物联网终端的公钥s与索引序号ID后，进行验证，如果验证通过则颁发一个公钥数字证书Corg-ID，发送给物联网终端设备，其中org表明是由该区块链组织的CA颁发此证书，ID为对应物联网终端的索引序号；如果验证不通过则回复对应消息。
物联网终端将注册上链的申请消息发送给其对应的区块链网关。区块链网关可以为任意可信的服务器，负责物联网终端与联盟区块链网络间的交互，并且作为联盟区块链的一个客户端，连接到对应的区块链组织中的对等节点(Peer节点)上。当区块链网关接收到了物联网终端的注册请求后，将提交交易提案给对应区块链组织的对应通道中的所有背书节点。在收集到对应组织中半数背书节点的交易背书签名以及模拟执行结果后，区块链网关将向联盟区块链提交交易请求TID，当联盟区块链中排序服务节点(Orderer节点)收到交易后，将排好序的交易打包到区块中并广播给对等节点(Peer节点)进行验证，最终交易上链，以实现通过查询账本数据来获取当前可信物联网设备列表的功能，进而实现区块链管控物联网终端设备，防止不明设备上传数据，保障数据的源头可信。
所述的步骤(3)具体如下：
数据使用方发起物联网数据使用请求后，相应物联网终端以步骤(2)的方式将物联网数据密文发送至区块链网关，区块链网关将数据转发给数据使用方；数据使用方获取数据后，可查询区块链上可信设备列表，以验证物联网终端公钥的真实可信，再使用可信公钥，验证数据后附的数字签名，确保数据未被篡改且来源可信。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)数据源头可信：
创新实现物联网终端在区块链中的接入与生存过程。首先，物联网终端获得联盟区块链的证书颁发机构CA的数字证书，再通过区块链网关设备将注册上链请求转发到联盟区块链相应组织和相应通道的背书节点，在收集到足够数量的交易背书签名以及模拟执行结果后，区块链网关将正式提交交易请求，由排序服务节点打包交易到区块中并广播给Peer节点进行验证，最终交易上链，实现了通过查询账本数据来获取当前可信物联网设备列表的功能，进而实现物联网设备在区块链中的接入与生存，以防止不明设备上传数据，保障了数据的源头可信。
(2)数据传输安全：
创新实现物联网终端轻量级区块链加密算法。通过ECDH密钥交换算法在物联网终端与区块链网关之间建立可信的对称加密信道。物联网终端可使用轻量级的TEA对称加密算法，计算收集到的数据的密文，再在每一条报文结尾附带ECDSA数字签名。密文数据和数字签名将在可信的对称加密信道上安全传输，以避免数据被恶意篡改或恶意监听，保障了数据传输安全。
(3)数据链上分享可信：
数据使用方可访问链上可信物联网设备列表，以获取相应物联网终端的可信公钥，并使用该公钥验证物联网数据的数字证书，以确保数据链上交易可信。
附图说明
图1是本发明的各个实体的交互总览图；
图2是本发明中物联网终端注册上链的子流程图；
图3是本发明中物联网数据可信加密传输的子流程图；
图4是本发明中数据链上可信交易共享的子流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例和效果做详细的描述。
传统的物联网系统能有效的保证链下数据的安全收集与上链过程，而区块链系统能保证数据上链后的不可篡改性与可追溯性。区块链和物联网的融合能有效提升设备与数据安全，保障流程的可信，实现多主体协同运作。然而由于当前的物联网设备与区块链适配性的欠缺，导致区块链+物联网系统仍存在诸多安全漏洞。因此实现物联网与区块链系统的加密技术适配是急需解决的问题之一。
本发明面向区块链的物联网芯片的轻量级数据加密方法，参见图1，包含四个实体：物联网终端，区块链网关，联盟区块链以及数据使用方。物联网终端在加入该系统时，首先向区块链网关提交注册上链请求<REGISTRATION,Corg-ID,ID>，区块链网关首先初步检验物联网终端的数字证书Corg-ID，将改上链请求组装成交易请求TID＝(ID,Timestamp,Corg1-ID,Action＝Update Trusted IoT Device List)并提交给联盟区块链，由联盟区块链背书、排序、打包区块并记录在区块链的可信设备列表中，以此标志该物联网终端成功上链。物联网终端收到成功结果后，与区块链网关间使用ECDH密钥交换算法共享一个对称密钥K，以建立一条安全的可信信道。此后，物联网终端会持续将使用TEA对称加密算法加密后的密文数据和使用自身公钥生成的数字签名上传至区块链网关，直至终端能量耗尽。此时，若数据使用方向联盟区块链发布使用物联网终端采集的数据的请求，区块链网关在联盟区块链中获取该请求，将解密后的数据和数字签名M(Message,Sigid)一并转发给数据使用方。数据使用方接受数据后，向联盟区块链查询可信设备列表，获取可信的设备ID和对应公钥，并使用该公钥验证Sig-ID以确保数据来源真实可信。
本发明中物联网终端注册上链的子流程如图2和图4所示。物联网终端首先向对应组织的证书颁发机构CA请求数字证书，获得数字证书Corg1-ID。物联网终端会将申请注册上链的消息<REGISTRATION,Corg1-ID,ID>发送给其对应的区块链网关，REGISTRATION表明所请求的操作为注册上链。当区块链网关接收到了物联网设备的注册请求后，将提交交易提案给组织1的通道1中的所有背书节点。在收集到半数的交易背书签名以及模拟执行结果后，区块链网关将提交交易请求TID＝(ID,Timestamp,Corg1-ID,Action＝Update TrustedIoT Device List)，交易格式中，物联网终端序号ID，Timestamp为当前时间戳，Action＝Update Trusted IoT Device List表明交易所需采取的行动为更新可信物联网设备列表。由联盟区块链排序、打包区块并记录在区块链的可信设备列表中，以此标志该物联网终端成功上链。
本发明中物联网数据可信加密传输的子流程如图3所示。本发明物联网终端使用ECDH密钥交换算法与区块链网关交换对称加密密钥。物联网终端使用真随机生成模块生成随机数a，计算A＝a*G，并将A明文发送给区块链网关。区块链网关随机生成随机数b，计算B＝b*G，将B明文发送给物联网终端。此时，物联网终端计算K＝a*B，区块链网关计算K＝b*A，两方以此共享了对称密钥K。物联网终端使用TEA对称加密算法将数据加密后，将密文发送至区块链网关，区块链网关使用对称密钥解密后获取数据明文。同时物联网终端还需在数据结尾附代ECDSA数字签名，以保证数据的完整性和可追溯性。
数据链上可信交易共享的子流程如图4所示。数据使用方发起物联网数据使用请求后，区块链网关将在智能合约下将数据包M(Message,Sigid)转发给数据使用方。数据使用方获取数据后，查询区块链上可信设备列表，获取设备的可信公钥，验证物联网数据后附的数字签名Sigid，确保数据未被篡改且来源可信。

Claims (2)

1.一种面向区块链的物联网芯片轻量级数据加密方法，所参与的实体包括：物联网终端、区块链网关、联盟区块链以及数据使用方；其特征在于，具体步骤如下：
步骤(1)、物联网终端首先使用硬件真随机数生成模块生成私钥r与公钥s，并通过联盟区块链的证书颁发机构CA获取数字证书Corg-ID，同时使用ECDH密钥交换算法与区块链网关交换对称密钥，以建立对称加密信道；区块链网关收集各物联网终端的Corg-ID，向联盟区块链提交交易请求；联盟区块链经交易背书、排序后将可信设备列表上链；具体如下：
硬件真随机数生成模块使用芯片的模数转换器ADC采集外部噪声，以产生随机私钥r，并根据私钥r与ECC椭圆曲线算法计算相应公钥s；
物联网终端将自身的公钥s与索引序号ID发送到所对应的区块链组织的证书颁发机构CA，用以申请由对应区块链组织认证的公钥数字证书；
对应区块链组织的CA在接收到物联网终端的公钥s与索引序号ID后，进行验证，如果验证通过则颁发一个公钥数字证书Corg-ID，发送给物联网终端设备，其中org表明是由区块链组织的CA颁发此证书，ID为对应物联网终端的索引序号；如果验证不通过则回复对应消息；
物联网终端将注册上链的申请消息发送给其对应的区块链网关；区块链网关为任意可信的服务器，负责物联网终端与联盟区块链网络间的交互，并且作为联盟区块链的一个客户端，连接到对应的区块链组织中的对等节点上；当区块链网关接收到物联网终端的注册请求后，将提交交易提案给对应区块链组织的对应通道中的所有背书节点；在收集到对应组织中半数背书节点的交易背书签名以及模拟执行结果后，区块链网关将向联盟区块链提交交易请求TID，当联盟区块链中排序服务节点收到交易后，将排好序的交易打包到区块中并广播给对等节点进行验证，最终交易上链，以实现通过查询账本数据来获取当前可信物联网设备列表的功能，进而实现区块链管控物联网终端设备，防止不明设备上传数据，保障数据的源头可信；
步骤(2)、传输数据时，数据使用方如果请求使用物联网数据，则由物联网终端将TEA算法加密后的密文数据发送给区块链网关，区块链网关使用对称密钥解密后获取数据明文，并在物联网终端数据报文后附代ECDSA数字签名，由区块链网关将数据转发至数据使用方；
步骤(3)、数据使用方查询联盟区块链上的可信设备列表，获得可信的公钥，并使用获得的可信的公钥验证数据的数字签名，最终实现数据加密。
2.根据权利要求1所述的一种面向区块链的物联网芯片轻量级数据加密方法，其特征在于，所述的步骤(3)具体如下：
数据使用方发起物联网数据使用请求后，相应物联网终端以步骤(2)的方式将物联网数据密文发送至区块链网关，区块链网关将数据转发给数据使用方；数据使用方获取数据后，可查询区块链上可信设备列表，以验证物联网终端公钥的真实可信，再使用可信公钥，验证数据后附的数字签名，确保数据未被篡改且来源可信。
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