CN112906036B - 一种基于区块链技术的车联网匿名安全取证方法与系统 - Google Patents

一种基于区块链技术的车联网匿名安全取证方法与系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于区块链技术的车联网匿名安全取证方法与系统，是应用于由多个数据上传模块、多个数据使用模块、多个授权模块、一个区块链模块与一个分布式数据存储模块所构成的网络环境中；数据上传模块预处理、加密数据并将数据上传至分布式数据存储模块，同时向区块链模块发送相应交易；数据使用模块设置所需数据属性，生成范围证明并发送至区块链模块；授权模块负责整个取证系统的初始化、取证数据的追溯以及授权批准操作，并参与区块链节点的维护；区块链模块由多个节点组成，使整个系统能够监督取证的透明性和合法性；分布式数据存储模块用于存储加密后的取证数据，并生成下载链接。本发明能够保护取证数据的机密性以及可溯源性。

Description

一种基于区块链技术的车联网匿名安全取证方法与系统
技术领域
本发明涉及一种基于区块链技术的车联网匿名安全取证方法与系统，属于车联网、数字取证、隐私保护以及区块链技术领域。
背景技术
当今时代，智能车辆所配备的网络通信设备、传感设备以及其他设备比传统车辆所配备的此类设备有了大数量级的提升，使得车联网有了长足的发展。但是如今全球的道路交通事故、车辆相关犯罪基数较大。因此，车联网取证技术的发展对于遏制此类事故、犯罪有着重要意义。
然而，一个车联网取证系统中存在着潜在敌手，敌手可能会非法获取数据提供方和数据用户的身份、破坏证据使证据可用性下降、攻击证据的权限管理并向外界泄露证据。因此，在车联网取证系统中保证访问控制和可追溯性的同时保护隐私和数据问责机制尤为重要。
一般而言，一次数字取证包含了多个过程：证据获取与复制、证据分析以及证据展示。数字取证调查人员使用专业工具从现场以及证人处收集证据，收集得到的证据将由证据分析人员进行分析生成分析报告，获得报告后由调查人员得出最终结果。现有的车联网数字取证方案中，使用了区块链技术的方案并不多。而使用区块链技术的方案往往没有解决匿名性、不可链接性等问题。
发明内容
本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种基于区块链技术的车联网匿名安全取证方法与系统，以期在车联网数字取证过程中完好保留证据、生成结果，并解决潜在敌手带来的安全威胁，从而保护证据上传方的隐私问题，保证证据本身的机密性以及有效性。
本发明为达到上述发明目的采用如下技术方案：
本发明一种基于区块链技术的车联网匿名安全取证系统的特点包括：多个数据上传模块、多个数据使用模块、多个授权模块、一个区块链模块以及一个分布式数据存储模块；由若干个授权模块对应若干个区块链节点；
所述数据上传模块包括：数据上传注册信息生成单元、取证数据获取单元、数据加密上传单元、交易发送单元；
所述数据使用模块包括：数据使用注册信息生成单元、交易发送单元、不经意传输从动单元、数据解密单元；
所述授权模块包括：实体注册单元、数据取回处理单元、不经意传输主动单元、交易发送单元；
所述区块链模块包括：交易接收单元、共识单元；
所述分布式数据存储模块包括：数据接收单元、数据下载单元；
所述数据上传注册信息生成单元用于生成自身模块的伪身份以及匿名证书的注册信息，并发送至实体注册单元；
所述数据使用注册信息生成单元用于生成本模块的伪身份以及匿名证书的注册信息，并发送至实体注册单元；
所述取证数据获取单元利用拍照、录像的取证方式获取相关取证数据后存储至本地以转交给数据加密上传单元；
所述数据加密上传单元利用系统中的公开参数以及自身密钥对取证数据进行加密，并上传至所述数据接收单元；
所述数据上传模块的交易发送单元从自身模块发送交易至所述区块链模块的交易接收单元；
所述数据使用模块的交易发送单元发送交易至所述区块链模块的交易接收单元；
所述授权模块的交易发送单元发送交易至所述区块链模块的交易接收单元；
所述实体注册单元接收到所述注册信息后完成实体注册；
所述数据取回处理单元从所述数据下载单元下载所需数据，并利用数字水印对下载后的数据进行嵌入，得到水印数据后转交给所述不经意传输主动单元；
所述不经意传输主动单元向所述不经意传输从动单元发起一次不经意传输，从而利用网络发送处理后的水印数据；
所述不经意传输从动单元配合完成一次不经意传输后获取处理后的水印数据，并转发给所述数据解密单元进行解密，从而获取明文数据；
所述区块链模块的交易接收单元分别从数据上传模块、数据使用模块和授权存储模块接收交易，并利用智能合约处理交易后，将交易信息发送给所述共识单元；
所述共识单元运行在多个区块链节点上，并将接收到的交易信息转发至所有其他节点；
所述数据接收单元接受所述数据加密上传单元的调用，并将接收到的加密数据进行长期存储；
所述数据下载单元接受所述数据取回处理单元的调用，并针对调用方所需数据返回对应下载链接，从而使得所述调用方通过所述下载链接完成数据下载。
本发明一种基于区块链技术的车联网匿名安全取证方法的特点是应用于由多个数据上传方、多个数据使用方、N1个授权方
Figure BDA0002990717010000031
一个区块链网络与一个分布式数据存储系统所构成的网络环境中，其中，aui表示第个授权方，i∈[1,N1]；并按如下步骤进行：
步骤一、系统初始化：
步骤1.1、给定安全参数1k，k为输入长度；N1个授权方
Figure BDA0002990717010000032
选择两个大素数p1和q1，计算乘积值N＝p1q1，并生成种子s∈QRN,s≠1，QRN表示乘积值N的二次剩余；N1个授权方
Figure BDA0002990717010000033
再次生成两个大素数p2与q2，且p2＝q22r+1,r≥1，r表示自然数，选定阶数q后生成乘法群
Figure BDA0002990717010000034
的q阶子群
Figure BDA0002990717010000035
并随机选择n个生成元h0,h1,...,hn，hn表示第n个生成元；
步骤1.2、N1个授权方
Figure BDA0002990717010000036
选择三个p阶循环群G1,G2,GT、双线性映射关系e:G1×G2→GT，其中，×表示配对，→表示映射，e为双线性映射计算函数，且e(G1→*,G2→*)表示两个p阶循环G1,G2群上的任意元素*；生成第一个p阶循环群G1的生成元g1，第二个p阶循环群G2的生成元g2，阶数p根据安全参数1k产生，定义
Figure BDA0002990717010000037
是p阶循环群，
Figure BDA0002990717010000038
是p阶乘法群；
N1个授权方
Figure BDA0002990717010000039
随机选择两个随机数
Figure BDA00029907170100000310
随机选择三个随机数
Figure BDA00029907170100000311
并生成公共密钥pk；其中，←R表示从群中随机选取元素；
N1个授权方
Figure BDA00029907170100000312
随机选择两个随机数
Figure BDA00029907170100000313
并计算主密钥msk；
N1个授权方
Figure BDA00029907170100000314
选择三个哈希函数H1:{0,1}*→G1,
Figure BDA00029907170100000315
其中，l表示给定的二进制数据长度，→表示映射，*表示任意长度，{0,1}表示二进制数据；
步骤1.3、N1个授权方
Figure BDA00029907170100000316
设置区块链网络与分布式数据存储系统中的参数，随后任意第i个授权方aui生成自身公私密钥对
Figure BDA00029907170100000317
并公开公钥；
步骤二、实体注册：
步骤2.1、所述第j个数据上传方dpj持有一系列属性值
Figure BDA00029907170100000318
j表示数据上传方的编号，
Figure BDA0002990717010000041
表示第j个数据上传方dpj的第m个属性值；m为属性值个数的上限，第j个数据上传方dpj随后生成辅助数据auxj以增强数据真实性；
步骤2.2、所述第j个数据上传方dpj选择随机数
Figure BDA0002990717010000042
作为其主秘密，选择另一个随机数randj∈Zq以计算其伪身份pij，并设置密钥
Figure BDA0002990717010000043
步骤2.3、所述第j个数据上传方dpj选择第三个随机数
Figure BDA0002990717010000044
并计算证书crj与零知识证明πj＝ZKSoK[auxj]以证明其伪身份和证书能够链接到同一个主密钥，随后产生匿名证书acj，完成后向区块链网络发送注册交易请求
Figure BDA0002990717010000045
其中，date为发送注册交易请求的日期，ts为时间戳，Re gister为注册请求的标识；
步骤2.4所述第k个数据使用方duk按照步骤2.1-步骤2.3中数据上传方的注册方式计算生成匿名证书ack并向其所属的授权方注册以获得一组相关调查属性
Figure BDA0002990717010000046
与一组密钥对
Figure BDA0002990717010000047
步骤2.5所述第i个授权方aui随机选择四个随机数
Figure BDA0002990717010000048
rand1,
Figure BDA0002990717010000049
后计算密钥的第一部分
Figure BDA00029907170100000410
针对调查属性
Figure BDA00029907170100000411
中的每一个属性x以及范围z＝1,2，第i个授权方aui生成随机数
Figure BDA00029907170100000412
并计算密钥第二部分子元素
Figure BDA00029907170100000413
组合第二部分子元素
Figure BDA00029907170100000414
以生成密钥的第二部分
Figure BDA00029907170100000415
随后随机选择
Figure BDA00029907170100000416
并针对范围z′＝1,2计算密钥第三部分子元素
Figure BDA00029907170100000417
以组合生成密钥的第三部分
Figure BDA00029907170100000418
组合密钥的三个部分后获得属性密钥
Figure BDA00029907170100000419
并发送给所述第k个数据使用方duk；
步骤2.6所述第i个授权方aui随后向区块链网络发送授权交易请求
Figure BDA00029907170100000420
完成注册流程；其中，Grant为授权请求的标识；
步骤三、数据上传：
步骤3.1所述第j个数据上传方dpj持有一系列数据dataj和相应的元数据mdj；令网络环境中所有属性的全集为
Figure BDA00029907170100000421
所述第j个数据上传方dpj根据数据属性定义持有数据的访问结构
Figure BDA00029907170100000422
以及p阶循环群
Figure BDA00029907170100000423
上的两个阶数n1,n2，访问结构
Figure BDA00029907170100000424
以n1×n2阶矩阵M和映射函数
Figure BDA0002990717010000051
进行表示，映射函数f将n1×n2阶矩阵M中的一行元素映射成为全集
Figure BDA0002990717010000052
中的属性，令MSP(f,M)表示一组属性
Figure BDA0002990717010000053
当且仅当n1×n2阶矩阵M中行的集合
Figure BDA0002990717010000054
能够线性组合得出向量(1,0,...,0)，其中，f(row)是第row行的映射，row是矩阵行序号；
步骤3.2所述第j个数据上传方dpj生成两个随机数
Figure BDA0002990717010000055
并计算密文的起始部分
Figure BDA0002990717010000056
随后针对矩阵行序号row＝1,2,...,n1以及循环计数v＝1,2,3计算密文子元素{ctj,v|v＝1,2,3}组合生成密文的中间部分
Figure BDA0002990717010000057
以及密文尾端部分ct′j，从而最终组合密文整体
Figure BDA0002990717010000058
其中，ctj,2表示第2个密文子元素，
Figure BDA0002990717010000059
表示第n1个密文中间部分；
步骤3.3所述第j个数据上传方dpj向所述区块链网络申请一系列有效的匿名证书
Figure BDA00029907170100000510
其中，
Figure BDA00029907170100000511
是第n3个匿名证书；n3是所述网络环境中各方的数量，所述第j个数据上传方dpj随后计算零知识证明所需的两个参数值Aj,ωj，从而得到零知识证明πj′；
步骤3.4所述第j个数据上传方dpj计算两个哈希值
Figure BDA00029907170100000512
Figure BDA00029907170100000513
并将密态数据Edj上传至分布式数据存储系统，再向区块链网络发送数据上传交易
Figure BDA00029907170100000514
其中，Upload为上传请求的标识；
步骤四、数据访问：
步骤4.1所述第k个数据使用方duk根据实际需求产生元数据mdk与期限wak用于描述所需数据并生成随机数
Figure BDA00029907170100000515
随后生成针对范围的零知识证明π″与密码学承诺
Figure BDA00029907170100000516
向所述区块链网络申请一系列有效的匿名证书
Figure BDA00029907170100000517
计算一个哈希值
Figure BDA00029907170100000518
完成后向区块链网络发送访问交易
Figure BDA00029907170100000519
其中，Access是访问请求的标识，X是一个取证事件的标识符；
步骤五、数据取回：
步骤5.1所述第i个授权方aui接收到步骤4.1发送的访问交易后，验证两个零知识证明π′,π″，验证成功则向所述第j个数据使用方duj返回数据下载链接L以及签名σ，再向区块链网络发送授权许可交易
Figure BDA0002990717010000061
Permit是授权许可请求的标识；
步骤5.2所述第k个数据使用方duk使用其自身的私钥
Figure BDA0002990717010000062
进行签名
Figure BDA0002990717010000063
并发送不经意传输开始请求
Figure BDA0002990717010000064
给负责其数据取回的授权方aui以开始数据传输，第i个授权方aui从分布式数据存储系统中根据所述下载链接L下载密态数据Ed；
步骤5.3所述第i个授权方aui使用其属性密钥skA对密态数据Ed进行解密获得明文数据data，将明文数据data分割成为τ个数据块{dbl|0＜l＜τ-1}，dbl是第l个数据块，τ是所述第k个数据使用方duk的私钥长度，l是数据块序号，将第l个数据块dbl分别嵌入0和1以产生两个新数据块
Figure BDA0002990717010000065
步骤5.4所述第i个授权方aui生成随机数
Figure BDA0002990717010000066
并发送幂值(g1)rand给所述第k个数据使用方duk，针对范围0≤l≤τ-1，第k个数据使用方duk生成随机数
Figure BDA0002990717010000067
计算承诺{Cl|0≤l≤τ-1}与承诺披露值R，随后发送私钥所有权证明((g1)R,{Cl|0≤l≤τ-1},R,NIZK)至所述第i个授权方aui，NIZK是非交互零知识证明，所述第i个授权方aui计算接收承诺积C，当
Figure BDA0002990717010000068
或零知识证明NIZK验证失败时退出取证流程；
步骤5.5针对范围0≤l≤τ-1以及序号u＝0,1，所述第i个授权方aui计算不经意传输因子{kl,u|0≤l≤τ-1,u＝0,1}并发送验证值{Pl|0≤l≤τ-1}至所述第k个数据使用方duk,Pl表示第l个验证值，第k个数据使用方duk计算辅助因子
Figure BDA0002990717010000069
与辅助验证值{Pl′|0≤l≤τ-1}，并将辅助验证值{Pl′|0≤l≤τ-1}发送至所述第i个授权方aui，其中，Pl′表示第l个辅助验证值，
Figure BDA00029907170100000610
表示第l个私钥比特位，所述第i个授权方aui接收后验证{Pl′＝H3(H2(kl,0))|0≤l≤τ-1}并计算重加密数据
Figure BDA00029907170100000611
其中，
Figure BDA0002990717010000071
是所述第j个数据上传方dpj上传数据时选择的访问结构，Encrypt()是属性加密函数，随后计算对称加密的密文{Ctextl＝Enc(Edl′)|0≤l≤τ-1}至所述第k个数据使用方duk，再向区块链网络发送数据分析交易
Figure BDA0002990717010000072
其中，Analyze是数据分析请求的标识；
步骤5.6所述第k个数据使用方duk接收{Cl|0＜l＜τ-1}后使用辅助因子
Figure BDA0002990717010000073
解密信息，并根据{Edl′|0＜l＜τ-1}组合恢复重加密的密文Ed′，利用属性秘钥skjA中的属性
Figure BDA0002990717010000074
与
Figure BDA0002990717010000075
判断MSP(f,M)是否能够线性组合得出向量(1,0,...,0)并找出一组常量{λrow}，若是，则计算两个辅助解密信息
Figure BDA0002990717010000076
与
Figure BDA0002990717010000077
随后计算出所需数据
Figure BDA0002990717010000078
步骤六、数据分析和结果报告：
步骤6.1所述第k个数据使用方duk获得所需数据d并进行分析，完成取证过程后生成取证报告Rej，随后向区块链网络发送取证报告交易
Figure BDA0002990717010000079
其中，Report是取证报告请求的标识；
步骤6.2所述第k个数据使用方duk在完成取证分析后向区块链网络发送取证结束交易
Figure BDA00029907170100000710
后结束取证流程，其中，Close是取证结束请求的标识。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明使用匿名证书技术确保了数据上传方与数据使用方在向区块链上传或请求数据时确保身份匿名性，防止个人信息被他方知晓；
2、本发明使用匿名证书技术、伪身份技术以及零知识证明技术确保同一数据上传方或数据使用方发送的两个数据交易无法区分，以使数据上传以及数据访问过程中来自同一数据上传方或数据使用方的身份和数据内容以及数据请求无法链接；
3、本发明通过结合对称加密、非对称加密以及属性加密等加密算法确保了数据机密性；
4、本发明使用零知识证明、匿名证书、以及基于单调张成方案的属性加密等技术保障了数据上传方与数据使用方的身份可验证性、系统整体的细粒度访问控制；
5、本发明使用数字水印技术以及分布式存储技术有效保障了整体系统的可问责性以及面对数据泄露问题时的可溯源性。
附图说明
图1是本发明基于区块链技术的车联网匿名安全取证系统的流程图；
图2是本发明基于区块链技术的车联网匿名安全取证系统的结构图。
具体实施方式
本实施例中，一种基于区块链技术的车联网匿名安全取证系统的流程如图1所示，总共分为授权申请、调查初始化、数据请求、数据取回、数据分析、结果报告、取证结束以及完成状态；
以一次车联网服务中的车辆数字取证为例，数据上传模块为发现某场事故或犯罪并上传相关信息的目击者、数据使用模块为负责调查的警察、授权模块为警察局以及法院等权威部门、区块链模块为一个运行在以授权模块为节点的区块链网络、分布式数据存储模块为第三方提供的数据存储服务；
数据上传模块、数据使用模块实现在安卓平台端的应用，授权模块在笔记本电脑端实现，区块链模块通过在笔记本电脑端额外运行以太坊客户端搭建以太坊区块链实现，分布式数据存储模块通过第三方阿里云OSS服务实现，系统中密码学操作借助JavaPairing Based Cryptography(JPBC)库实现，各方之间的网络通信利用Spring Boot框架搭建HTTP(S)服务器实现；
本实施例中，一种基于区块链技术的车联网匿名安全取证系统，如图2所示，包括：多个数据上传模块、多个数据使用模块、多个授权模块、一个区块链模块以及一个分布式数据存储模块；由若干个授权模块对应若干个区块链节点；
数据上传模块包括：数据上传注册信息生成单元、取证数据获取单元、数据加密上传单元、交易发送单元；
数据使用模块包括：数据使用注册信息生成单元、交易发送单元、不经意传输从动单元、数据解密单元；
授权模块包括：实体注册单元、数据取回处理单元、不经意传输主动单元、交易发送单元；
区块链模块包括：交易接收单元、共识单元；
分布式数据存储模块包括：数据接收单元、数据下载单元；
数据上传注册信息生成单元用于生成自身模块的伪身份以及匿名证书的注册信息，并发送至实体注册单元；
数据使用注册信息生成单元用于生成本模块的伪身份以及匿名证书的注册信息，并发送至实体注册单元；
取证数据获取单元利用拍照、录像的取证方式获取相关取证数据后存储至本地以转交给数据加密上传单元；
数据加密上传单元利用系统中的公开参数以及自身密钥对取证数据进行加密，并上传至数据接收单元；
数据上传模块的交易发送单元从自身模块发送交易至区块链模块的交易接收单元；
数据使用模块的交易发送单元发送交易至区块链模块的交易接收单元；
授权模块的交易发送单元发送交易至区块链模块的交易接收单元；
实体注册单元接收到注册信息后完成实体注册；
数据取回处理单元从数据下载单元下载所需数据，并利用数字水印对下载后的数据进行嵌入，得到水印数据后转交给不经意传输主动单元；
不经意传输主动单元向不经意传输从动单元发起一次不经意传输，从而利用网络发送处理后的水印数据；
不经意传输从动单元配合完成一次不经意传输后获取处理后的水印数据，并转发给数据解密单元进行解密，从而获取明文数据；
区块链模块的交易接收单元分别从数据上传模块、数据使用模块和授权存储模块接收交易，并利用智能合约处理交易后，将交易信息发送给共识单元；
共识单元运行在多个区块链节点上，并将接收到的交易信息转发至所有其他节点；
数据接收单元接受数据加密上传单元的调用，并将接收到的加密数据进行长期存储；
数据下载单元接受数据取回处理单元的调用，并针对调用方所需数据返回对应下载链接，从而使得调用方通过下载链接完成数据下载。
本实施例中，一种基于区块链技术的车联网匿名安全取证方法，是应用于由多个数据上传方、多个数据使用方、N1个授权方
Figure BDA0002990717010000091
一个区块链网络与一个分布式数据存储系统所构成的网络环境中，其中，aui表示第个授权方，i∈[1,N1]；查询方法按如下步骤进行：
步骤一、系统初始化：
步骤1.1、给定安全参数1k，k为输入长度；N1个授权方
Figure BDA0002990717010000092
选择两个大素数p1和q1，计算乘积值N＝p1q1，并生成种子s∈QRN,s≠1，QRN表示乘积值N的二次剩余；N1个授权方
Figure BDA0002990717010000093
再次生成两个大素数p2与q2，且p2＝q22r+1,r≥1，r表示自然数，选定阶数q后生成乘法群
Figure BDA0002990717010000094
的q阶子群
Figure BDA0002990717010000095
并随机选择n个生成元h0,h1,...,hn，hn表示第n个生成元；
步骤1.2、N1个授权方
Figure BDA0002990717010000101
选择三个p阶循环群G1,G2,GT、双线性映射关系e:G1×G2→GT，其中，×表示配对，→表示映射，e为双线性映射计算函数，且e(G1→*,G2→*)表示两个p阶循环G1,G2群上的任意元素*；生成第一个p阶循环群G1的生成元g1，第二个p阶循环群G2的生成元g2，阶数p根据安全参数1k产生，定义
Figure BDA0002990717010000102
是p阶循环群，
Figure BDA0002990717010000103
是p阶乘法群；
N1个授权方
Figure BDA0002990717010000104
随机选择两个随机数
Figure BDA0002990717010000105
随机选择三个随机数
Figure BDA0002990717010000106
并生成公共密钥
Figure BDA0002990717010000107
其中，←R表示从群中随机选取元素，A1,A2,B1,B2是公共密钥的组成部分；
N1个授权方
Figure BDA0002990717010000108
随机选择两个随机数
Figure BDA0002990717010000109
并设置主密钥
Figure BDA00029907170100001010
N1个授权方
Figure BDA00029907170100001011
选择三个哈希函数H1:{0,1}*→G1,
Figure BDA00029907170100001012
其中，l表示给定的二进制数据长度，→表示映射，*表示任意长度，{0,1}表示二进制数据；
步骤1.3、N1个授权方
Figure BDA00029907170100001013
设置区块链网络与分布式数据存储系统中的参数，随后任意第i个授权方aui生成自身公私密钥对
Figure BDA00029907170100001014
并公开公钥；
步骤二、实体注册：
步骤2.1、第j个数据上传方dpj持有一系列属性值
Figure BDA00029907170100001015
j表示数据上传方的编号，
Figure BDA00029907170100001016
表示第j个数据上传方dpj的第m个属性值；m为属性值个数的上限，第j个数据上传方dpj随后生成辅助数据auxj以增强数据真实性；
步骤2.2第j个数据上传方dpj选择随机数
Figure BDA00029907170100001017
作为其主秘密，选择另一个随机数
Figure BDA00029907170100001018
以计算其伪身份
Figure BDA00029907170100001019
并设置密钥
Figure BDA00029907170100001020
使用伪身份技术使得身份等敏感信息得到有效保护，无法被系统中他方获知；
步骤2.3第j个数据上传方dpj选择第三个随机数rand′j∈Zq，并计算证书
Figure BDA0002990717010000111
o表示生成元h的序号，利用证书能够有效证明自身身份的合法性与真实性；随后计算零知识证明
Figure BDA0002990717010000112
以证明其伪身份和证书能够链接到同一个主密钥，其中∧表示且的逻辑关系，ZKSoK表示基于签名的零知识证明，随后产生匿名证书acj＝(crj,πj,attj,pij,auxj)，完成后向区块链网络发送注册交易请求
Figure BDA0002990717010000113
其中，date为发送注册交易请求的日期，ts为时间戳，Register为注册请求的标识，结合了匿名证书、伪身份以及零知识证明技术方案后，来自第j个数据上传方dpj的多个交易与来自其他数据上传方的交易在真实身份上具有不可区分性，即能够有效抵御链接攻击；
步骤2.4第k个数据使用方duk按照步骤2.1-步骤2.3中数据上传方的注册方式计算生成匿名证书ack＝(crk,πk,attk,pik,auxk)并向其所属的授权方注册以获得一组相关调查属性
Figure BDA0002990717010000114
与一组密钥对
Figure BDA0002990717010000115
步骤2.5第i个授权方aui随机选择四个随机数
Figure BDA0002990717010000116
rand1,
Figure BDA0002990717010000117
后计算密钥的第一部分
Figure BDA0002990717010000118
针对调查属性
Figure BDA0002990717010000119
中的每一个属性x以及范围z＝1,2，第i个授权方aui生成随机数
Figure BDA00029907170100001110
并计算密钥第二部分子元素
Figure BDA00029907170100001111
令x*z表示属性x拼接数字*再拼接z，组合第二部分子元素
Figure BDA00029907170100001112
以生成密钥的第二部分
Figure BDA00029907170100001113
随后随机选择
Figure BDA00029907170100001114
并针对z′＝1,2计算密钥第三部分子元素
Figure BDA00029907170100001115
组合生成密钥的第三部分
Figure BDA00029907170100001116
组合密钥的三个部分后获得属性密钥
Figure BDA00029907170100001117
并发送给第k个数据使用方duk；
步骤2.6第i个授权方aui随后向区块链网络发送授权交易请求
Figure BDA0002990717010000121
完成注册流程；其中，Grant为授权请求的标识；
步骤三、数据上传：
步骤3.1第j个数据上传方dpj持有一系列数据dataj和相应的元数据mdj；令网络环境中所有属性的全集为
Figure BDA0002990717010000122
第j个数据上传方dpj根据数据属性定义该数据的访问结构
Figure BDA0002990717010000123
以及p阶循环群
Figure BDA0002990717010000124
上的两个阶数n1,n2，访问结构
Figure BDA0002990717010000125
以n1×n2阶矩阵M和映射函数
Figure BDA0002990717010000126
进行表示，映射函数f将n1×n2阶矩阵M中的一行元素映射成为全集
Figure BDA0002990717010000127
中的属性，令MSP(f,M)表示一组属性
Figure BDA0002990717010000128
当且仅当n1×n2阶矩阵M中行的集合
Figure BDA0002990717010000129
能够线性组合得出向量(1,0,...,0)，其中，f(row)是第row行的映射，row是矩阵行序号；
步骤3.2第j个数据上传方dpj生成两个随机数
Figure BDA00029907170100001210
并计算密文的起始部分
Figure BDA00029907170100001211
随后针对row＝1,2,...,n1以及循环计数v＝1,2,3计算密文子元素
Figure BDA00029907170100001212
生成密文的中间部分
Figure BDA00029907170100001213
计算密文尾端部分
Figure BDA00029907170100001214
最终组合密文整体
Figure BDA00029907170100001215
其中，ctj,2表示第2个密文子元素，
Figure BDA00029907170100001216
表示第n1个密文中间部分，属性加密方案通过设置数据访问结构以保障针对不同各方访问权限的细粒度控制，使数据上传方dpj能够制定所上传数据的访问策略；
步骤3.3第j个数据上传方dpj向区块链网络申请一系列有效的匿名证书
Figure BDA00029907170100001217
其中，
Figure BDA00029907170100001218
是第n3个匿名证书；n3是网络环境中各方的数量，第j个数据上传方dpj随后计算零知识证明所需的两个参数值
Figure BDA00029907170100001219
从而得到零知识证明
Figure BDA00029907170100001220
，其中Verify函数为零知识证明验证函数，NIZKPoK代表非交互零知识证明，当
Figure BDA00029907170100001221
时结果为1；
步骤3.4第j个数据上传方dpj计算两个哈希值
Figure BDA0002990717010000131
Figure BDA0002990717010000132
并将密态数据Edj上传至分布式数据存储系统，分布式存储系统一般为第三方运营，如阿里云存储，分布式存储技术兼具安全性与高效性，能够有效保存上传的数据；第j个数据上传方dpj再向区块链网络发送数据上传交易
Figure BDA0002990717010000133
其中，Upload为上传请求的标识；
步骤四、数据访问：
步骤4.1第k个数据使用方duk根据实际需求产生元数据mdk与期限wak以描述所需数据并生成随机数
Figure BDA0002990717010000134
随后生成针对范围的零知识证明
Figure BDA0002990717010000135
Figure BDA0002990717010000136
为密码学承诺，向区块链网络申请一系列有效的匿名证书
Figure BDA0002990717010000137
计算一个哈希值
Figure BDA0002990717010000138
完成后向区块链网络发送访问交易
Figure BDA0002990717010000139
其中，Access是访问请求的标识，X是一个取证事件的标识符；
步骤五、数据取回：
步骤5.1第i个授权方aui接收到步骤4.1发送的访问交易后，验证两个零知识证明π′,π″，验证成功则向第j个数据使用方duj返回数据下载链接L以及签名σ，再向区块链网络发送授权许可交易
Figure BDA00029907170100001310
其中，Permit是授权许可请求的标识；
步骤5.2第k个数据使用方duk使用其自身的私钥
Figure BDA00029907170100001311
进行签名
Figure BDA00029907170100001312
并发送不经意传输开始请求
Figure BDA00029907170100001313
给负责其数据取回的授权方aui以开始数据传输，第i个授权方aui从分布式数据存储系统中根据下载链接L下载密态数据Ed；
步骤5.3第i个授权方aui使用其属性密钥skA对密态数据Ed进行解密获得明文数据data，将明文数据data分割成为τ个数据块{dbl|0＜l＜τ-1}，τ是第k个数据使用方duk的私钥长度，l是数据块序号，将第l个数据块dbl分别嵌入0和1以产生两个新数据块
Figure BDA00029907170100001314
嵌入方案使用的是数字水印技术；
步骤5.4第i个授权方aui生成随机数
Figure BDA00029907170100001315
并发送幂值(g1)rand给第k个数据使用方duk，针对范围0≤l≤τ-1，第k个数据使用方duk生成随机数
Figure BDA0002990717010000141
并计算承诺
Figure BDA0002990717010000142
与承诺披露值
Figure BDA0002990717010000143
其中
Figure BDA0002990717010000144
是密钥
Figure BDA0002990717010000145
的第l个比特位，随后发送私钥所有权证明
Figure BDA0002990717010000146
第i个授权方aui，NIZK是非交互零知识证明，第i个授权方aui计算接收承诺积
Figure BDA0002990717010000147
当
Figure BDA0002990717010000148
或零知识证明NIZK验证失败时退出取证流程；
步骤5.5针对范围0≤l≤τ-1以及序号u＝0,1，第i个授权方aui计算不经意传输因子{kl,u＝H3((Cl·((g1)rand)-u)rand)|0≤l≤τ-1,u＝0,1}并发送验证值
Figure BDA0002990717010000149
至第k个数据使用方duk，Pl表示第l个验证值，第k个数据使用方duk计算辅助因子
Figure BDA00029907170100001410
与辅助验证值
Figure BDA00029907170100001411
并将辅助验证值{Pl′|0≤l≤τ-1}发送至第i个授权方aui，其中，Pl′表示第l个辅助验证值，
Figure BDA00029907170100001412
表示第l个私钥比特位，第i个授权方aui接收后验证{Pl′＝H3(H2(kl,0))|0≤l≤τ-1}并计算重加密数据
Figure BDA00029907170100001413
Figure BDA00029907170100001414
是第j个数据上传方dpj上传数据时选择的访问结构，Encrypt()是属性加密函数，随后计算对称加密的密文{Ctextl＝Enc(Edl′)|0≤l≤τ-1}至第k个数据使用方duk，再向区块链网络发送数据分析交易
Figure BDA00029907170100001415
其中，Analyze是数据分析请求的标识，不经意传输方案能够确保第k个数据使用方duk将其密钥嵌入至所请求数据的同时保证第i个授权方aui无法获取该密钥；
步骤5.6第k个数据使用方duk接收{Cl|0＜l＜τ-1}后使用辅助因子
Figure BDA00029907170100001416
解密信息，并根据{Edl′|0＜l＜τ-1}组合恢复重加密的密文Ed′，利用skjA中的属性
Figure BDA00029907170100001417
与
Figure BDA00029907170100001418
判断MSP(f,M)能够线性组合得出向量(1,0,...,0)后找出一组常量
Figure BDA00029907170100001419
若是，则计算两个辅助解密信息
Figure BDA0002990717010000151
与
Figure BDA0002990717010000152
，随后可以计算出所需数据
Figure BDA0002990717010000153
步骤六、数据分析和结果报告：
步骤6.1第k个数据使用方duk获得所需数据d并进行分析，完成取证过程后生成取证报告Rej，随后向区块链网络发送取证报告交易
Figure BDA0002990717010000154
其中，Report是取证报告请求的标识；
步骤6.2第k个数据使用方duk在完成取证分析后向区块链网络发送取证结束交易
Figure BDA0002990717010000155
后结束取证流程，其中，Close是取证结束请求的标识，针对取证流程结束后可能发生的数据泄露问题，利用数字水印嵌入的密钥可被从数据中提取出来，以揭露泄露数据的责任人，即保障了可问责性与可溯源性。
综上所述，本发明结合了区块链技术以及密码学方案，实现了一种基于区块链技术的车联网匿名安全取证方法与系统，能够有效保护数据上传方的隐私、确保取证过程安全可靠，并能够对泄密者进行有效追踪，从而保护取证系统安全性、机密性与可控制性。

Claims (2)

1.一种基于区块链技术的车联网匿名安全取证方法，其特征是应用于由多个数据上传方、多个数据使用方、N1个授权方
Figure FDA0003791868730000011
一个区块链网络与一个分布式数据存储系统所构成的网络环境中，其中，aui表示第个授权方，i∈[1,N1]；并按如下步骤进行：
步骤一、系统初始化：
步骤1.1、给定安全参数1k，k为输入长度；N1个授权方
Figure FDA0003791868730000012
选择两个大素数p1和q1，计算乘积值N＝p1q1，并生成种子s∈QRN,s≠1，QRN表示乘积值N的二次剩余；N1个授权方
Figure FDA0003791868730000013
再次生成两个大素数p2与q2，且p2＝q22r+1,r≥1，r表示自然数，选定阶数q后生成乘法群
Figure FDA0003791868730000014
的q阶子群
Figure FDA0003791868730000015
并随机选择n个生成元h0,h1,...,hn，hn表示第n个生成元；
步骤1.2、N1个授权方
Figure FDA0003791868730000016
选择三个p阶循环群G1,G2,GT、双线性映射关系e:G1×G2→GT，其中，×表示配对，→表示映射，e为双线性映射计算函数，且e(G1→*,G2→*)表示两个p阶循环G1,G2群上的任意元素*；生成第一个p阶循环群G1的生成元g1，第二个p阶循环群G2的生成元g2，阶数p根据安全参数1k产生，定义
Figure FDA0003791868730000017
是p阶循环群，
Figure FDA0003791868730000018
是p阶乘法群；
N1个授权方
Figure FDA0003791868730000019
随机选择两个随机数
Figure FDA00037918687300000110
随机选择三个随机数
Figure FDA00037918687300000111
并生成公共密钥pk；其中，←R表示从群中随机选取元素；
N1个授权方
Figure FDA00037918687300000112
随机选择两个随机数
Figure FDA00037918687300000113
并计算主密钥msk；
N1个授权方
Figure FDA00037918687300000114
选择三个哈希函数H1:{0,1}*→G1,H2:
Figure FDA00037918687300000115
H3:
Figure FDA00037918687300000116
其中，l表示给定的二进制数据长度，→表示映射，*表示任意长度，{0,1}表示二进制数据；
步骤1.3、N1个授权方
Figure FDA00037918687300000117
设置区块链网络与分布式数据存储系统中的参数，随后任意第i个授权方aui生成自身公私密钥对
Figure FDA00037918687300000118
并公开公钥；
步骤二、实体注册：
步骤2.1、所述第j个数据上传方dpj持有一系列属性值
Figure FDA00037918687300000119
j表示数据上传方的编号，
Figure FDA00037918687300000120
表示第j个数据上传方dpj的第m个属性值；m为属性值个数的上限，第j个数据上传方dpj随后生成辅助数据auxj以增强数据真实性；
步骤2.2、所述第j个数据上传方dpj选择随机数
Figure FDA0003791868730000021
作为其主秘密，选择另一个随机数randj∈Zq以计算其伪身份pij，并设置密钥
Figure FDA0003791868730000022
步骤2.3、所述第j个数据上传方dpj选择第三个随机数
Figure FDA0003791868730000023
并计算证书crj与零知识证明πj＝ZKSoK[auxj]以证明其伪身份和证书能够链接到同一个主密钥，随后产生匿名证书acj，完成后向区块链网络发送注册交易请求
Figure FDA0003791868730000024
其中，date为发送注册交易请求的日期，ts为时间戳，Register为注册请求的标识；
步骤2.4所述第k个数据使用方duk按照步骤2.1-步骤2.3中数据上传方的注册方式计算生成匿名证书ack并向其所属的授权方注册以获得一组相关调查属性
Figure FDA0003791868730000025
与一组密钥对
Figure FDA0003791868730000026
步骤2.5所述第i个授权方aui随机选择四个随机数
Figure FDA0003791868730000027
后计算密钥的第一部分
Figure FDA0003791868730000028
针对调查属性
Figure FDA0003791868730000029
中的每一个属性x以及范围z＝1,2，第i个授权方aui生成随机数
Figure FDA00037918687300000210
并计算密钥第二部分子元素
Figure FDA00037918687300000211
组合第二部分子元素
Figure FDA00037918687300000212
以生成密钥的第二部分
Figure FDA00037918687300000213
随后随机选择
Figure FDA00037918687300000214
并针对范围z′＝1,2计算密钥第三部分子元素
Figure FDA00037918687300000215
以组合生成密钥的第三部分
Figure FDA00037918687300000216
组合密钥的三个部分后获得属性密钥
Figure FDA00037918687300000217
并发送给所述第k个数据使用方duk；
步骤2.6所述第i个授权方aui随后向区块链网络发送授权交易请求
Figure FDA00037918687300000218
完成注册流程；其中，Grant为授权请求的标识；
步骤三、数据上传：
步骤3.1所述第j个数据上传方dpj持有一系列数据dataj和相应的元数据mdj；令网络环境中所有属性的全集为
Figure FDA00037918687300000219
所述第j个数据上传方dpj根据数据属性定义持有数据的访问结构
Figure FDA00037918687300000220
以及p阶循环群
Figure FDA00037918687300000221
上的两个阶数n1,n2，访问结构
Figure FDA00037918687300000222
以n1×n2阶矩阵M和映射函数f:
Figure FDA00037918687300000223
进行表示，映射函数f将n1×n2阶矩阵M中的一行元素映射成为全集
Figure FDA00037918687300000224
中的属性，令MSP(f,M)表示一组属性
Figure FDA0003791868730000031
当且仅当n1×n2阶矩阵M中行的集合
Figure FDA0003791868730000032
能够线性组合得出向量(1,0,...,0)，其中，f(row)是第row行的映射，row是矩阵行序号；
步骤3.2所述第j个数据上传方dpj生成两个随机数
Figure FDA0003791868730000033
并计算密文的起始部分
Figure FDA0003791868730000034
随后针对矩阵行序号row＝1,2,...,n1以及循环计数v＝1,2,3计算密文子元素{ctj,v|v＝1,2,3}组合生成密文的中间部分
Figure FDA0003791868730000035
以及密文尾端部分ct′j，从而最终组合密文整体
Figure FDA0003791868730000036
其中，ctj,2表示第2个密文子元素，
Figure FDA0003791868730000037
表示第n1个密文中间部分；
步骤3.3所述第j个数据上传方dpj向所述区块链网络申请一系列有效的匿名证书
Figure FDA0003791868730000038
其中，
Figure FDA0003791868730000039
是第n3个匿名证书；n3是所述网络环境中各方的数量，所述第j个数据上传方dpj随后计算零知识证明所需的两个参数值Aj,ωj，从而得到零知识证明πj′；
步骤3.4所述第j个数据上传方dpj计算两个哈希值
Figure FDA00037918687300000310
Figure FDA00037918687300000311
并将密态数据Edj上传至分布式数据存储系统，再向区块链网络发送数据上传交易
Figure FDA00037918687300000312
其中，Upload为上传请求的标识；
步骤四、数据访问：
步骤4.1所述第k个数据使用方duk根据实际需求产生元数据mdk与期限wak用于描述所需数据并生成随机数
Figure FDA00037918687300000313
随后生成针对范围的零知识证明π″与密码学承诺
Figure FDA00037918687300000314
向所述区块链网络申请一系列有效的匿名证书
Figure FDA00037918687300000315
计算一个哈希值
Figure FDA00037918687300000316
完成后向区块链网络发送访问交易
Figure FDA00037918687300000317
其中，Access是访问请求的标识，X是一个取证事件的标识符；
步骤五、数据取回：
步骤5.1所述第i个授权方aui接收到步骤4.1发送的访问交易后，验证两个零知识证明π′,π″，验证成功则向所述第j个数据使用方duj返回数据下载链接L以及签名σ，再向区块链网络发送授权许可交易
Figure FDA0003791868730000041
Permit是授权许可请求的标识；
步骤5.2所述第k个数据使用方duk使用其自身的私钥
Figure FDA0003791868730000042
进行签名
Figure FDA0003791868730000043
并发送不经意传输开始请求
Figure FDA0003791868730000044
给负责其数据取回的授权方aui以开始数据传输，第i个授权方aui从分布式数据存储系统中根据所述下载链接L下载密态数据Ed；
步骤5.3所述第i个授权方aui使用其属性密钥skA对密态数据Ed进行解密获得明文数据data，将明文数据data分割成为τ个数据块{dbl|0＜l＜τ-1}，dbl是第l个数据块，τ是所述第k个数据使用方duk的私钥长度，l是数据块序号，将第l个数据块dbl分别嵌入0和1以产生两个新数据块
Figure FDA0003791868730000045
步骤5.4所述第i个授权方aui生成随机数
Figure FDA0003791868730000046
并发送幂值(g1)rand给所述第k个数据使用方duk，针对范围0≤l≤τ-1，第k个数据使用方duk生成随机数
Figure FDA0003791868730000047
计算承诺{Cl|0≤l≤τ-1}与承诺披露值R，随后发送私钥所有权证明((g1)R,{Cl|0≤l≤τ-1},R,NIZK)至所述第i个授权方aui，NIZK是非交互零知识证明，所述第i个授权方aui计算接收承诺积C，当
Figure FDA0003791868730000048
或零知识证明NIZK验证失败时退出取证流程；
步骤5.5针对范围0≤l≤τ-1以及序号u＝0,1，所述第i个授权方aui计算不经意传输因子{kl,u|0≤l≤τ-1,u＝0,1}并发送验证值{Pl|0≤l≤τ-1}至所述第k个数据使用方duk,Pl表示第l个验证值，第k个数据使用方duk计算辅助因子
Figure FDA0003791868730000049
与辅助验证值{Pl′|0≤l≤τ-1}，并将辅助验证值{Pl′|0≤l≤τ-1}发送至所述第i个授权方aui，其中，Pl′表示第l个辅助验证值，
Figure FDA00037918687300000410
表示第l个私钥比特位，所述第i个授权方aui接收后验证{Pl′＝H3(H2(kl,0))|0≤l≤τ-1}并计算重加密数据
Figure FDA00037918687300000411
其中，
Figure FDA00037918687300000412
是所述第j个数据上传方dpj上传数据时选择的访问结构，Encrypt()是属性加密函数，随后计算对称加密的密文{Ctextl＝Enc(Edl′)|0≤l≤τ-1}至所述第k个数据使用方duk，再向区块链网络发送数据分析交易
Figure FDA0003791868730000051
其中，Analyze是数据分析请求的标识；
步骤5.6所述第k个数据使用方duk接收{Cl|0＜l＜τ-1}后使用辅助因子
Figure FDA0003791868730000052
解密信息，并根据{Edl′|0＜l＜τ-1}组合恢复重加密的密文Ed′，利用属性秘钥skjA中的属性
Figure FDA0003791868730000053
与
Figure FDA0003791868730000054
判断MSP(f,M)是否能够线性组合得出向量(1,0,...,0)并找出一组常量{λrow}，若是，则计算两个辅助解密信息
Figure FDA0003791868730000055
与
Figure FDA0003791868730000056
随后计算出所需数据
Figure FDA0003791868730000057
步骤六、数据分析和结果报告：
步骤6.1所述第k个数据使用方duk获得所需数据d并进行分析，完成取证过程后生成取证报告Rej，随后向区块链网络发送取证报告交易
Figure FDA0003791868730000058
其中，Report是取证报告请求的标识；
步骤6.2所述第k个数据使用方duk在完成取证分析后向区块链网络发送取证结束交易
Figure FDA0003791868730000059
后结束取证流程，其中，Close是取证结束请求的标识。
2.一种基于区块链技术的车联网匿名安全取证系统，其特征执行如权利要求1所述的基于区块链技术的车联网匿名安全取证方法，该系统包括：多个数据上传模块、多个数据使用模块、多个授权模块、一个区块链模块以及一个分布式数据存储模块；由若干个授权模块对应若干个区块链节点；
所述数据上传模块包括：数据上传注册信息生成单元、取证数据获取单元、数据加密上传单元、交易发送单元；
所述数据使用模块包括：数据使用注册信息生成单元、交易发送单元、不经意传输从动单元、数据解密单元；
所述授权模块包括：实体注册单元、数据取回处理单元、不经意传输主动单元、交易发送单元；
所述区块链模块包括：交易接收单元、共识单元；
所述分布式数据存储模块包括：数据接收单元、数据下载单元；
所述数据上传注册信息生成单元用于生成自身模块的伪身份以及匿名证书的注册信息，并发送至实体注册单元；
所述数据使用注册信息生成单元用于生成本模块的伪身份以及匿名证书的注册信息，并发送至实体注册单元；
所述取证数据获取单元利用拍照、录像的取证方式获取相关取证数据后存储至本地以转交给数据加密上传单元；
所述数据加密上传单元利用系统中的公开参数以及自身密钥对取证数据进行加密，并上传至所述数据接收单元；
所述数据上传模块的交易发送单元从自身模块发送交易至所述区块链模块的交易接收单元；
所述数据使用模块的交易发送单元发送交易至所述区块链模块的交易接收单元；
所述授权模块的交易发送单元发送交易至所述区块链模块的交易接收单元；
所述实体注册单元接收到所述注册信息后完成实体注册；
所述数据取回处理单元从所述数据下载单元下载所需数据，并利用数字水印对下载后的数据进行嵌入，得到水印数据后转交给所述不经意传输主动单元；
所述不经意传输主动单元向所述不经意传输从动单元发起一次不经意传输，从而利用网络发送处理后的水印数据；
所述不经意传输从动单元配合完成一次不经意传输后获取处理后的水印数据，并转发给所述数据解密单元进行解密，从而获取明文数据；
所述区块链模块的交易接收单元分别从数据上传模块、数据使用模块和授权存储模块接收交易，并利用智能合约处理交易后，将交易信息发送给所述共识单元；
所述共识单元运行在多个区块链节点上，并将接收到的交易信息转发至所有其他节点；
所述数据接收单元接受所述数据加密上传单元的调用，并将接收到的加密数据进行长期存储；
所述数据下载单元接受所述数据取回处理单元的调用，并针对调用方所需数据返回对应下载链接，从而使得所述调用方通过所述下载链接完成数据下载。
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