CN112055025B - 一种基于区块链的隐私数据保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于区块链的隐私数据保护方法，S1物联网用户建立用户群，分发群私钥；S2将原始数据上传IPFS返回Hash；S3调用群签名算法和以太坊数字签名算法生成原始数据的唯一数据标识；S4调用智能合约上传数据标识到区块链；S5返回上链信息；S6其他用户调用智能合约获取数据标识；S7通过群签名服务器验证群签名正确性，验证正确则进入下一步；验证失败，则报告群管理员追踪签名；S8根据数据标识中的数据内容地址从IPFS获取数据，验证数据哈希正确性，若正确则结束验证；如果验证错误，则报告给指定的群管理员纠正。本发明在保护物联网用户隐私的基础上安全存储和分享数据，具有问题追踪的优势。

Description

一种基于区块链的隐私数据保护方法
技术领域
本发明涉及区块链技术领域，具体涉及一种基于区块链的隐私数据保护方法。
背景技术
区块链的核心是位于互联网上的参与者之间共享的去中心化的分布式数字分类帐，该数字分类帐永远保存在互联网上：交易或事件经过验证并记录在分类帐中，以后无法进行修改或删除。区块链网络中，选定的成员保留其分类帐的副本，并且必须在接受新分类帐之前通过共识过程集体验证所有新交易，没有哪个组织可以对物联网设备生成的大量数据有绝对的控制权，这消除了参与方之间相互信任的需要。区块链通过公钥地址给用户提供匿名性，每个用户都拥有若干公私钥对，所有交易都是从一个公钥地址发往另一个公钥地址。区块链技术的去中心化、防篡改和匿名等特性使其成为隐私数据保护的潜在解决方案，但是一般区块链的吞吐量完全满足不了大量数据存储的需求。
物联网环境下用户产生的数据包含大量个人隐私信息，未经加密处理的数据存储在数据中心或者云服务器中，当敌手从数据中心获取数据后可以分析用户隐私行为，隐私数据的泄露会产生一系列的用户隐私泄露问题，有很大的安全隐患。此外，存储在传统数据中心的数据文件极易被敌手伪造，而由于数据中心存储着海量的数据，当部分数据被伪造或者篡改后很难被察觉，被篡改的数据混杂在正常数据之中对后续的学习研究产生不利影响。
发明内容
本发明所要解决的是现有物联网用户隐私数据安全存储和分享的问题，提供一种基于区块链的隐私数据保护方法。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于区块链的隐私数据保护方法，包括步骤如下：
步骤1、物联网用户即群管理员建立用户群，群管理员向群签名服务器发出建立群的申请，群签名服务器建立特定ID的群；物联网用户即群成员向群管理员申请加入指定群，并获取群成员私钥；
步骤2、上传数据的物联网用户通过调用智能合约将原始数据上传至IPFS，IPFS通过DHT建立分块数据的索引，将原始数据块存储在不同邻节点上，并且返回原始数据寻址地址的地址哈希值和原始数据存储到区块链的时间戳给该上传数据的物联网用户；
步骤3、上传数据的物联网用户基于地址哈希值和时间戳，并调用以太坊数字签名算法计算椭圆曲线数字签名；同时，物联网基于地址哈希值和群成员私钥，并调用群签名算法计算群签名；
步骤4、上传数据的物联网用户利用地址哈希值、椭圆曲线数字签名、群签名、群ID和时间戳生成原始数据的数据标识；
步骤5、上传数据的物联网用户调用智能合约上传数据标识到区块链；如果数据标识上链成功，则区块链向该上传数据的物联网用户返回数据标识信息和交易哈希号；否则，区块链向该上传数据的物联网用户返回空值；
步骤6、调用数据的用户调用智能合约获取数据标识，并将数据标识中的地址哈希值、群签名和群ID一并上传给群签名服务器；
步骤7、群签名服务器利用地址哈希值、群签名和群ID来验证群签名正确性：如果验证正确，则向调用数据的用户返回验证成功的消息；否则，将地址哈希值、群签名和群ID一并报告给对应群ID的群管理员；
步骤8、调用数据的用户在收到群签名服务器返回验证成功的消息后，利用数据标识中的地址哈希值去IPFS中获取对应的原始数据。
上述步骤1中，在建立特定ID的群的过程中，群签名服务器需要向群管理员返回群管理员私钥。
上述步骤6中，群管理员在收到群签名服务器报告的地址哈希值、群签名和群ID后，利用地址哈希值、群签名、群ID和群管理员私钥来对群签名进行追踪，追踪上传错误信息的群签名者，并采取相应的惩罚措施。
上述步骤2-5中所述的上传数据的物联网用户包括群管理员和群成员。
上述步骤6-7中所述的调用数据的用户包括物联网内的用户即群管理员和群成员，以及物联网外的用户。
与现有技术相比，本发明采用链上基于区块链公钥地址的身份认证方式，保证用户在与区块链进行交互时拥有合法的身份，链下物联网用户采用群签名的身份验证方式，符合物联网场景的实际情况，解决区块链应用场景下匿名和溯源的矛盾问题。针对以太坊区块链本身无法满足大量数据存储需要的缺点，采用将原始数据存储在IPFS，生成每份原始数据不可伪造的数据标识信息，对数据标识信息进行上链，减轻区块链的存储压力，具有实际可行性。由于原始数据和数据标识存储在不同的位置，数据标识通过智能合约存储在以太坊区块链中无法被轻易篡改，数据标识的唯一性可以保证原始数据的完整性，若原始数据被篡改或者盗用，则存储在智能合约中的数据标识可以进行完整性验证和版权证明，物联网用户对数据有拥有权，区块链的匿名性保证了用户隐私不被泄露，实现了物联网用户隐私数据的安全存储和分享。
附图说明
图1为一种基于区块链的隐私数据保护方法的流程图；
图2为本发明使用的物联网用户身份认证模式；
图3为本发明的总体架构图；
图4为本发明依据的以太坊智能合约类图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，对本发明进一步详细说明。
参见图1，一种基于区块链的隐私数据保护方法，其具备包括以下步骤：
S1、物联网用户(群管理员)建立用户群，并向其他物联网用户(群成员)分发群私钥。
物联网用户向群签名服务器发出建立群的申请，建立特定ID的群并且返回群管理员私钥gmski。若其他物联网用户希望加入指定的群，在入群之前会向群管理员申请入群，通往后，申请人会和群管理员达成交互式协议，该协议可以生成群成员私钥gski。群成员必须加入群才有权利进行数据的存储，群成员私钥用于对上传数据的签名以及群内的身份认证。
所有群的群管理员和群成员一并构成物联网内的用户。
S2、上述数据的物联网用户将原始数据上传IPFS，并返回Hash。
上述数据的物联网用户为物联网内的用户。
物联网用户将原始数据上传至IPFS(星际文件系统)，IPFS通过DHT(分布式哈希表)建立分块数据的索引，将数据块存储在不同邻节点上，并且返回Hash值(IPFS返回数据值寻址的地址)给上传数据的用户；
S3、上述数据的物联网用户调用群签名算法和以太坊数字签名算法生成原始数据的唯一数据标识。
物联网用户调用群签名算法计算群签名Groupsig：
Groupsig＝groupsig(Hash,gski)
其中，groupsig代表群签名算法；
物联网用户调用以太坊数字签名算法计算椭圆曲线数字签名sig：
sig＝sign(keccak256(Hash,timestamp),PK)
其中，sign表示以太坊中的椭圆数字签名算法，keccak256是以太坊中使用的SHA-3哈希算法，产生256位哈希，而PK则是以太坊用户私钥，timestamp表示数据存储到区块链的时间戳。
所生成原始数据的唯一数据标识为(Hash，sig，Groupsig，Groupid，timestamp)。其中，Hash表示原始数据的哈希值，也是数据存储在IPFS中地址，若数据被篡改则会发生改变；sig是基于数据哈希值以及时间戳信息的数字签名；Groupsig是基于特定物联网用户群的群签名；Groupid是签名者所在的物联网用户群ID；timestamp是数据存储到区块链的时间戳信息。
S4、上述数据的物联网用户调用智能合约上传数据标识到区块链，并返回上链信息；
物联网用户通过web3.js调用智能合约中的set(·)函数上传数据标识到区块链，智能合约验证数字签名sig的正确性，如果签名正确，则将数据标识上链；如果签名不正确，则返回上传数据之前的操作。
数据标识上链成功则返回数据标识信息以及交易哈希号。数据标识信息和交易哈希号用于生成交易收据，其中交易收据还包含用于生成带有gas消耗量和区块编号等信息；上链失败则返回NULL(空值)。
S5、调用数据的用户调用智能合约获取数据标识。
调用数据的用户可以是物联网内的用户即群管理员和群成员，也可以是物联网外的用户。
网络中的其他用户可以通过web3.js调用智能合约中的get(·)函数获取指定群ID的数据标识来进行数据的分享。
S6、通过群签名服务器验证群签名正确性。
根据获得数据标识中的Groupid、Groupsig和Hash，通过群签名服务器sig_verify函数验证群签名正确性，根据公式：
sig_verify(Groupid,Groupsig,Hash)→1/0
如果验证正确，即函数值为1，则向调用数据的用户返回验证成功的消息；如果验证失败，即函数值为0，则将数据标识报告给相应的群管理员，群管理员调用open_cert函数对群签名进行追踪，追踪上传错误信息的群签名者，并采取相应的惩罚措施：
open_cert(Groupid,Groupsig,Hash,gmski)→(result)
其中：result包含签名者的身份信息和证书信息。
S7、调用数据的用户根据数据标识中的地址哈希值从IPFS获取数据。
本发明中物联网用户身份认证模式如图2所示，采用链上基于区块链公钥地址，链下基于群签名的身份验证方式。以太坊区块链通过公钥地址来表示账户地址，通过secp256k1曲线生成长度为32字节的私钥，再将私钥映射为65字节的公钥，最后取哈希值作为公钥地址。所有的交易都是从一个公钥地址发往另一个公钥地址，每个用户都可以拥有若干个公私钥对，通过私钥对交易进行数字签名，数字签名采用的是椭圆曲线数字签名算法。物联网用户通过群签名的方式进行身份验证，用户群在区块链伪匿名性之上加了一层匿名性保护，并且在恶意上传数据操作发生时可以追踪签名者。
本发明的总体架构图如图3所示，主要包括用户界面层、业务层和数据层。用户界面层用于输入用户需要上传的数据或者根据用户操作对区块链发起相应的交易并返回显示数据信息等，采用React作为web界面开发的框架。业务层是描述了对物联网用户、区块链平台以及普通用户实现的业务逻辑，其中针对用户的业务通过solidity编写的智能合约实现，区块链平台的业务逻辑通过以太坊完成。数据层描述的是系统数据的组织管理方式，同时向上层业务提供API，通过IPFS、以太坊来存储数据和用户数据的访问管理，群签名服务器主要存储群签名的参数以及群成员信息，通过JSON-RPC进行函数调用。
本发明具体实施过程中，在Ubuntu 18.04.4上搭建了以太坊私有链，本地运行IFPS节点，通过编写的web界面实现用户与区块链的交互。利用truffle框架编译、调试和部署智能合约，智能合约类图如图4所示，智能合约中主要包含存储数据标识元组的结构体和set(·)和get(·)函数。set(·)函数用于数据标识的存储，该函数在验证数字签名的真实性后将数据标识字段信息存储到智能合约中进行上链，通过发起特定的交易实现数据存储；get(·)函数用于获取指定群ID的数据标识，该函数不会改变智能合约的状态，也就是不需要消耗gas，可以在本地执行。通过MetaMask钱包连接搭建的的以太坊私有网络实现交易签名、发送交易的确认。同时在Ubuntu 18.04.4上搭建了群签名的服务器端，用于群签名公私钥的产生以及群签名算法的实现。
综上所述，本发明采用链上基于区块链公钥地址的身份认证方式，保证用户在与区块链进行交互时拥有合法的身份，链下物联网用户采用群签名的身份验证方式，符合物联网场景的实际情况，解决区块链应用场景下匿名和溯源的矛盾问题。区块链去中心化的特性导致当问题发生时不利于追踪问题的源头，群管理员可以维护系统秩序，惩治恶意用户。区块链本身无法满足大量数据存储的需要，本发明将原始数据存储在IPFS，生成每份原始数据不可伪造的数据标识信息，对数据标识信息进行上链，减轻区块链的存储压力，具有实际可行性。由于原始数据和数据标识存储在不同的位置，数据标识通过智能合约存储在以太坊区块链中无法被轻易篡改，数据标识的唯一性可以保证原始数据的完整性，若原始数据被篡改或者盗用，则存储在智能合约中的数据标识可以进行完整性验证和版权证明，物联网用户对数据有拥有权，区块链的匿名性保证了用户隐私不被泄露，实现了物联网用户隐私数据的安全存储和分享。
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种基于区块链的隐私数据保护方法，其特征是，包括步骤如下：
步骤1、物联网用户即群管理员建立用户群，群管理员向群签名服务器发出建立群的申请，群签名服务器建立特定ID的群；物联网用户即群成员向群管理员申请加入指定群，并获取群成员私钥；
步骤2、上传数据的物联网用户通过调用智能合约将原始数据上传至IPFS，IPFS通过DHT建立分块数据的索引，将原始数据块存储在不同邻节点上，并且返回原始数据寻址地址的地址哈希值和原始数据存储到区块链的时间戳给该上传数据的物联网用户；
步骤3、上传数据的物联网用户基于地址哈希值和时间戳，并调用以太坊数字签名算法计算椭圆曲线数字签名；同时，物联网基于地址哈希值和群成员私钥，并调用群签名算法计算群签名；
步骤4、上传数据的物联网用户利用地址哈希值、椭圆曲线数字签名、群签名、群ID和时间戳生成原始数据的数据标识；
步骤5、上传数据的物联网用户调用智能合约上传数据标识到区块链；如果数据标识上链成功，则区块链向该上传数据的物联网用户返回数据标识信息和交易哈希号；否则，区块链向该上传数据的物联网用户返回空值；
步骤6、调用数据的用户调用智能合约获取数据标识，并将数据标识中的地址哈希值、群签名和群ID一并上传给群签名服务器；
步骤7、群签名服务器利用地址哈希值、群签名和群ID来验证群签名正确性：如果验证正确，则向调用数据的用户返回验证成功的消息；否则，将地址哈希值、群签名和群ID一并报告给对应群ID的群管理员；
步骤8、调用数据的用户在收到群签名服务器返回验证成功的消息后，利用数据标识中的地址哈希值去IPFS中获取对应的原始数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于区块链的隐私数据保护方法，其特征是，步骤1中，在建立特定ID的群的过程中，群签名服务器需要向群管理员返回群管理员私钥。
3.根据权利要求2所述的一种基于区块链的隐私数据保护方法，其特征是，步骤7中，群管理员在收到群签名服务器报告的地址哈希值、群签名和群ID后，利用地址哈希值、群签名、群ID和群管理员私钥来对群签名进行追踪，追踪上传错误信息的群签名者，并采取相应的惩罚措施。
4.根据权利要求1所述的一种基于区块链的隐私数据保护方法，其特征是，步骤2-5中所述的上传数据的物联网用户包括群管理员和群成员。
5.根据权利要求1所述的一种基于区块链的隐私数据保护方法，其特征是，步骤6-7中所述的调用数据的用户包括物联网内的用户即群管理员和群成员，以及物联网外的用户。
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