CN112003832A - 一种基于区块链的物联网数据隐私保护方法 - Google Patents

一种基于区块链的物联网数据隐私保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于区块链的物联网数据隐私保护方法，能够在提高加密效率的同时，充分保护物联网中数据的隐私性。所述方法包括：区域服务器利用全同态加密技术为相应的IOT设备产生密钥对，IOT设备利用密钥对中的公钥将IOT数据加密为密文，并将密文发送给区域服务器；区域服务器将接收到的密文上传到星际文件系统进行存储，星际文件系统生成所述密文的文件哈希地址返回给区域服务器，区域服务器将返回的文件哈希地址写入区块链。本发明涉及区块链和物联网领域。

Description

一种基于区块链的物联网数据隐私保护方法
技术领域
本发明涉及区块链和物联网领域，特别是指一种基于区块链的物联网数据隐私保护方法。
背景技术
随着物联网(Internet of Things，IOT)设备的爆炸式增长，从智能手表到智能家居，人们开始大量生产和购买这些具有网络功能的设备，这些设备被攻击的可能性也不断增长，尤其是发送用户重要数据的传感器或者根据命令而执行某些动作的IOT设备更应做好安全防御，否则会造成用户隐私数据的泄露，甚至给用户带来不必要的财产破坏。
现有技术中，大都致力于提升加密算法的安全性来提升IOT网络的可靠性。但是随着IOT网络的不断拓展，过于复杂的加密算法将会带来巨大的算力消耗和时间消耗，因此IOT网络的安全性和隐私性问题仍亟待一个可靠解决方案。
发明内容
本发明实施例提供了一种基于区块链的物联网数据隐私保护方法，能够在提高加密效率的同时，充分保护物联网中数据的隐私性。
本发明实施例提供一种基于区块链的物联网数据隐私保护方法，包括：
区域服务器利用全同态加密技术为相应的IOT设备产生密钥对，IOT设备利用密钥对中的公钥将IOT数据加密为密文，并将密文发送给区域服务器；
区域服务器将接收到的密文上传到星际文件系统进行存储，星际文件系统生成所述密文的文件哈希地址返回给区域服务器，区域服务器将返回的文件哈希地址写入区块链。
进一步地，所述区域服务器利用全同态加密技术为相应的IOT设备产生密钥对，IOT设备利用密钥对中的公钥将IOT数据加密为密文，并将密文发送给区域服务器包括：
IOT设备向相应的区域服务器申请注册，并提交安全参数；
区域服务器根据接收到的安全参数生成全同态加密密钥对，并将密钥对中的公钥发送给IOT设备；其中，所述密钥对包括：公钥和私钥；
IOT设备利用接收到的公钥对自身产生的IOT数据进行加密，生成密文并将其发送给区域服务器。
进一步地，所述区域服务器根据接收到的安全参数生成全同态加密密钥对，并将密钥对中的公钥发送给IOT设备包括：
区域服务器获取加密电路层数L和IOT设备提交的安全参数λ；
随机选取L+1个环元素si←λ，随机均匀选取L+1个环元素
Figure BDA0002608295500000021
和错误噪声e←λ，且bi＝-ai*si+e，其中，i＝0,1...L，则得到密钥对的公钥pk＝(b,a)和私钥sk＝(s0,s1,...,sL)，其中，a＝(a0,a1,.....,aL)，b＝(b0,b1,...,bL)；
将公钥pk发送给IOT设备。
进一步地，生成的密文表示为：
ct＝(c0,c1)＝((bu+tg+m),(au+tf))∈Rq (L+1)×2
其中，ct表示密文，m表示IOT设备自身产生的IOT数据。
进一步地，所述区域服务器将接收到的密文上传到星际文件系统进行存储，星际文件系统生成所述密文的文件哈希地址返回给区域服务器，区域服务器将返回的文件哈希地址写入区块链包括：
区域服务器将接收到的密文上传到星际文件系统进行存储；
星际文件系统对接收到的密文进行哈希计算生成文件哈希地址，并返回文件哈希地址给区域服务器；
区域服务器将返回的文件哈希地址和IOT元数据进行封装，将封装内容发送到区块链等待写入总账；
区块链参与节点对于接收到的封装内容达成共识后，将封装内容写入区块链总账。
进一步地，在区域服务器将接收到的密文上传到星际文件系统进行存储，星际文件系统生成所述密文的文件哈希地址返回给区域服务器，区域服务器将返回的文件哈希地址写入区块链之后，所述方法还包括：
其他区域服务器向区块链发起合约调用请求；
区块链认证所述其他区域服务器的身份并执行合约，在合约执行完毕之后，向所述其他区域服务器返回合约调用结果；
区块链将合约执行完之后的状态发送到星际文件系统，更新合约状态；
所述其他区域服务器根据合约调用结果索引文件哈希地址，根据得到的文件哈希地址从星际文件系统中获取相应的数据。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，区域服务器利用全同态加密技术为相应的IOT设备产生密钥对，IOT设备采用密钥对中的公钥对IOT数据进行加密，生成密文，在提高加密效率的同时，能够保证IOT数据的安全性；且采用IPFS来进行密文的分布式存储，并将密文的文件哈希地址写入区块链；这样，使得物联网中数据的隐私性得到了充分的保护，除去通讯双方之间，任何第三方均不可以查看通讯过程中的任何数据和结果，且位于区块链中的所有结点都可以对交易进行有效性验证，极大提高了隐私性和灵活性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于区块链的物联网数据隐私保护系统框意图；
图2为本发明实施例提供的基于区块链的物联网数据隐私保护方法的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的数据全同态加密流程示意图；
图4为本发明实施例提供的数据上传流程示意图；
图5为本发明实施例提供的数据交换流程示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明实施例提供了一种基于区块链的物联网数据隐私保护方法，图1是所述方法涉及的系统框图，该系统主要包括以下三部分：
1)负责与底层IOT设备交互的区域服务器层
本实施例中，区域服务器是指在一个IOT区域内的服务器，为该区域内的多种IOT设备建立的，该服务器在该区域内是受信任的，它负责区域内多个IOT设备的通信密钥对生成和管理，并且负责该区域内IOT设备数据的上传功能。同时它还参与区块链节点的组成，不同区域的服务器在区块链层上达成共识，这样不同的区域服务器之间即可匿名进行数据交换。
2)负责存储IOT设备产生的数据的IPFS分布式数据存储层，其中，IPFS是星际文件系统(InterPlanetary File System)；
本实施例中，IPFS是一个点对点的分布式文件系统，通过底层协议可以在全世界的任何地方获取到存储在IPFS系统上的文件。它打破了传统HTTP协议的中心化特性，让每一参与节点既是客户端又是服务器。IPFS会把存储文件做一次哈希计算，同一份文件的两个哈希值相同。因此同一份资源只会进行有限次数的备份，不会造成数据过度冗余问题。而用户可以通过唯一的文件哈希值(也可以称为：文件哈希地址)来获取文件。结合物联网的分布式特性和产生数据量极大的特性，可以利用IPFS系统来对物联网数据进行高效的存储。
3)负责进行数据访问控制和构建不同区域之间信任的区块链层；
本实施例中，区块链具有去中心化、时序数据、集体维护、可编程和安全可信等众多优点。通过在区块链上部署的智能合约，可以让互不信任的实体之间按照既定的规则来进行交易。本发明通过在智能合约上进行身份验证来实现对于IPFS上数据的访问，只有经过身份验证的区域服务器才有权去获取数据，这样就避免了数据被恶意使用。且IPFS独特的按内容索引的方式防止了数据被使用者恶意篡改。
这样，通过上述三部分，能够把把海量分布式IOT设备关联到区块链。
如图2所示，本发明实施例提供的基于区块链的物联网数据隐私保护方法，包括：
S101，区域服务器利用全同态加密技术为相应的IOT设备产生密钥对，IOT设备利用密钥对中的公钥将IOT数据加密为密文，并将密文发送给区域服务器；
S102，区域服务器将接收到的密文上传到星际文件系统进行存储，星际文件系统生成所述密文的文件哈希地址返回给区域服务器，区域服务器将返回的文件哈希地址写入区块链。
本发明实施例所述的基于区块链的物联网数据隐私保护方法，区域服务器利用全同态加密技术为相应的IOT设备产生密钥对，IOT设备采用密钥对中的公钥对IOT数据进行加密，生成密文，在提高加密效率的同时，能够保证IOT数据的安全性；且采用IPFS来进行密文的分布式存储，并将密文的文件哈希地址写入区块链；这样，使得物联网中数据的隐私性得到了充分的保护，除去通讯双方之间，任何第三方均不可以查看通讯过程中的任何数据和结果，且位于区块链中的所有结点都可以对交易进行有效性验证，极大提高了隐私性和灵活性。
在前述基于区块链的物联网数据隐私保护方法的具体实施方式中，进一步地，如图3所示，所述区域服务器利用全同态加密技术为相应的IOT设备产生密钥对，IOT设备利用密钥对中的公钥将IOT数据加密为密文，并将密文发送给区域服务器包括：
A1，IOT设备向相应的区域服务器申请注册，并提交安全参数λ；
A2，区域服务器根据接收到的安全参数生成全同态加密密钥对，并将密钥对中的公钥发送给IOT设备；其中，所述密钥对包括：公钥和私钥；
本实施例中，区域服务器先验证IOT设备的身份信息，如果验证成功，则根据安全参数λ生成全同态加密密钥对；否则返回失败信息。
本实施例中，验证成功后，区域服务器生成全同态加密密钥对具体可以包括以下步骤：
区域服务器获取加密电路层数L和IOT设备提交的安全参数λ；
随机选取L+1个环元素si←λ，随机均匀选取L+1个环元素
Figure BDA0002608295500000051
和错误噪声e←λ，且bi＝-ai*si+e，其中，i＝0,1...L，则得到密钥对的公钥pk＝(b,a)和私钥sk＝(s0,s1,...,sL)，其中，a＝(a0,a1,.....,aL)，b＝(b0,b1,...,bL)。
A3，IOT设备利用接收到的公钥对自身产生的IOT数据进行加密，生成密文并将其发送给区域服务器。
本实施例中，IOT设备利用接收到的公钥pk对自身产生的IOT数据m进行加密，生成密文ct，并将其发送给区域服务器，其中，生成的密文表示为：
ct＝(c0,c1)＝((bu+tg+m),(au+tf))∈Rq (L+1)×2
其中，ct表示密文，m表示IOT设备自身产生的IOT数据。
本实施例中，使用的全同态加密算法与传统加密算法相比，具有加密效率更高、更安全等优点。
在前述基于区块链的物联网数据隐私保护方法的具体实施方式中，进一步地，如图4所示，所述区域服务器将接收到的密文上传到星际文件系统进行存储，星际文件系统生成所述密文的文件哈希地址返回给区域服务器，区域服务器将返回的文件哈希地址写入区块链包括：
B1，区域服务器将接收到的密文上传到星际文件系统进行存储；
本实施例中，区域服务器向IPFS发送通信请求，将接收到的密文ct上传到星际文件系统进行分布式存储。
B2，星际文件系统对接收到的密文进行哈希计算生成文件哈希地址，并返回文件哈希地址给区域服务器；
本实施例中，生成的文件哈希地址addr＝hash(mete,ct)。
B3，区域服务器将返回的文件哈希地址和IOT元数据进行封装，将封装内容发送到区块链等待写入总账；
B4，区块链参与节点对于接收到的封装内容达成共识后，将封装内容写入区块链总账。
在前述基于区块链的物联网数据隐私保护方法的具体实施方式中，进一步地，如图5所示，在区域服务器将接收到的密文上传到星际文件系统进行存储，星际文件系统生成所述密文的文件哈希地址返回给区域服务器，区域服务器将返回的文件哈希地址写入区块链之后，所述方法还包括：
C1，其他区域服务器向区块链发起合约调用请求；
本实施例中，所述合约调用请求包括：合约调用时间戳timestamp、所调用合约的哈希值、本次调用的一次性通信密钥keyreq以及一次性通信公钥keypk。
C2，区块链认证所述其他区域服务器的身份并执行合约，在合约执行完毕之后，向所述其他区域服务器返回合约调用结果，具体可以包括以下步骤：
C21，区块链接收到合约调用请求后，发起调用交易，并检查所述其他区域服务器的身份，确保该请求调用的合约存在以及该合约确实属于所述其他区域服务器；
C22，区块链上的智能合约根据接收到的合约调用请求，执行合约功能；
C23，区块链在执行合约后，若合约正常运行退出，则返回针对该合约运行结果的响应，其中，响应信息包括：合约执行返回的加密结果、合约执行之前的状态、合约执行完之后状态、签名信息以及一次性解密密钥；
C24，合约执行完毕之后，将响应在区块链中进行广播；
C25，区块链中的其他结点对合约的执行进行验证，验证通过之后该合约执行交易被记录在区块链上；
C26，在交易被记录之后，区块链将合约执行返回的加密结果返回给所述其他区域服务器。
C3，区块链将合约执行完之后的状态发送到星际文件系统，更新合约状态；
本实施例中，在交易被记录之后，区块链将合约执行完之后的状态发送到星际文件系统，对合约的状态进行更新；
C4，所述其他区域服务器根据合约调用结果索引文件哈希地址，根据得到的文件哈希地址从星际文件系统中获取相应的数据，具体可以包括以下步骤：
C41，所述其他区域服务器使用私钥对合约执行返回的加密结果进行解密，得到文件哈希地址，星际文件系统更新合约状态；
C42，所述其他区域服务器根据得到的文件哈希地址从星际文件系统获取文件；
C43，区域服务器根据一次性解密密钥获取原始数据信息。
本实施例中，利用区块链来构建不同区域服务器层之间的信任，并通过智能合约来实现对于数据的访问控制；同时，利用区块链的匿名性来实现对于数据所有方的隐私保护，并通过区块链的不可篡改性，可以记录到每一个实体对于IOT数据的访问记录，从而到达到防止恶意攻击的目的。
综上，本发明实施例提供的基于区块链的物联网数据隐私保护的方法，是一种把物联网数据隐私保护和区块链技术结合的方法，使得在区块链中也可以达到保护物联网中数据隐私的目的。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于区块链的物联网数据隐私保护方法，其特征在于，包括：
区域服务器利用全同态加密技术为相应的IOT设备产生密钥对，IOT设备利用密钥对中的公钥将IOT数据加密为密文，并将密文发送给区域服务器；
区域服务器将接收到的密文上传到星际文件系统进行存储，星际文件系统生成所述密文的文件哈希地址返回给区域服务器，区域服务器将返回的文件哈希地址写入区块链。
2.根据权利要求1所述的基于区块链的物联网数据隐私保护方法，其特征在于，所述区域服务器利用全同态加密技术为相应的IOT设备产生密钥对，IOT设备利用密钥对中的公钥将IOT数据加密为密文，并将密文发送给区域服务器包括：
IOT设备向相应的区域服务器申请注册，并提交安全参数；
区域服务器根据接收到的安全参数生成全同态加密密钥对，并将密钥对中的公钥发送给IOT设备；其中，所述密钥对包括：公钥和私钥；
IOT设备利用接收到的公钥对自身产生的IOT数据进行加密，生成密文并将其发送给区域服务器。
3.根据权利要求2所述的基于区块链的物联网数据隐私保护方法，其特征在于，所述区域服务器根据接收到的安全参数生成全同态加密密钥对，并将密钥对中的公钥发送给IOT设备包括：
区域服务器获取加密电路层数L和IOT设备提交的安全参数λ；
随机选取L+1个环元素si←λ，随机均匀选取L+1个环元素
Figure FDA0002608295490000011
和错误噪声e←λ，且bi＝-ai*si+e，其中，i＝0,1...L，则得到密钥对的公钥pk＝(b,a)和私钥sk＝(s0,s1,...,sL)，其中，a＝(a0,a1,.....,aL)，b＝(b0,b1,...,bL)；
将公钥pk发送给IOT设备。
4.根据权利要求3所述的基于区块链的物联网数据隐私保护方法，其特征在于，生成的密文表示为：
ct＝(c0,c1)＝((bu+tg+m),(au+tf))∈Rq (L+1)×2
其中，ct表示密文，m表示IOT设备自身产生的IOT数据。
5.根据权利要求1所述的基于区块链的物联网数据隐私保护方法，其特征在于，所述区域服务器将接收到的密文上传到星际文件系统进行存储，星际文件系统生成所述密文的文件哈希地址返回给区域服务器，区域服务器将返回的文件哈希地址写入区块链包括：
区域服务器将接收到的密文上传到星际文件系统进行存储；
星际文件系统对接收到的密文进行哈希计算生成文件哈希地址，并返回文件哈希地址给区域服务器；
区域服务器将返回的文件哈希地址和IOT元数据进行封装，将封装内容发送到区块链等待写入总账；
区块链参与节点对于接收到的封装内容达成共识后，将封装内容写入区块链总账。
6.根据权利要求1所述的基于区块链的物联网数据隐私保护方法，其特征在于，在区域服务器将接收到的密文上传到星际文件系统进行存储，星际文件系统生成所述密文的文件哈希地址返回给区域服务器，区域服务器将返回的文件哈希地址写入区块链之后，所述方法还包括：
其他区域服务器向区块链发起合约调用请求；
区块链认证所述其他区域服务器的身份并执行合约，在合约执行完毕之后，向所述其他区域服务器返回合约调用结果；
区块链将合约执行完之后的状态发送到星际文件系统，更新合约状态；
所述其他区域服务器根据合约调用结果索引文件哈希地址，根据得到的文件哈希地址从星际文件系统中获取相应的数据。
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