CN113037753B

CN113037753B - 一种基于区块链的具有隐私保护性的加密数据共享方法

Info

Publication number: CN113037753B
Application number: CN202110258711.9A
Authority: CN
Inventors: 王艳平; 张小松; 牛伟纳; 张钶旋; 张洪彬; 彭钰杰
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2021-03-09
Filing date: 2021-03-09
Publication date: 2022-02-01
Anticipated expiration: 2041-03-09
Also published as: CN113037753A

Abstract

本发明公开了一种基于区块链的具有隐私保护性的加密数据共享方法，属于密码学与信息安全技术领域，解决现有技术中的区块链容易造成隐私泄露的问题。本发明构建两条区块链，一条联盟链，一条公链，基于这两条区块链实现了具有隐私保护性的加密数据共享。具体内容包括：系统初始化、发布共享数据、数据检索和数据恢复。本发明用于实现了加密数据共享、隐私保护。

Description

一种基于区块链的具有隐私保护性的加密数据共享方法

技术领域

一种基于区块链的具有隐私保护性的加密数据共享方法，用于实现了加密数据共享，同时保护数据使用者的隐私，属于密码学与信息安全技术领域。

背景技术

技术术语说明如下：

1.安全哈希函数(Secure Hash Function)

安全哈希函数是哈希函数一个映射，可以表示为h：{0，1}^*→{0，1}ⁿ。其中{0，1}^*表示任意长度的比特串集合，{0，1}ⁿ表示长度为n比特串集合，消息x∈{0，１}^*的像h(x)称为x的哈希值。

2.哈希碰撞(Hash Collusion)

若哈希输入x₁≠x₂，但是输出值h(x₁)＝h(x₂)，这种情况被称为“哈希碰撞”，这意味着哈希输入不相同，但是两个输出值相同。

3.决策性修改双线对Diffie-Hellman(MBDH)假设(Decisional ModifiedBilinear Diffie-Hel Iman)

假设G是由g生成的p阶循环群，a，b，c，z∈[1，n-1]。决策性MBDH假设是指对于二元组：

当n很大的时候要区分I₁和I₂在计算上是不可能的。

4.私有信息检索(Private information retrieval)

PIR(Private information retrieval)最早由Chor B等在1995年提出。它用于在服务器检索数据时保护用户的检索隐私，任何其他用户，包括数据库服务器本身，都不能获得用户的搜索内容。可以考虑这样一个场景，一个用户想要对数据库进行查询，但是他不希望数据库知道他正在查询的信息，例如，一个投资者在股票市场数据库中查询某只股票的价值，他可能希望将他感兴趣的这只股票向数据库保密。PIR技术使用户能够从存储系统检索或下载特定的数据，而无需透露有关所请求数据的任何信息。

传统的中心化服务器，区块链拥有公开透明、防篡改、更可信的优势，因此将数据存储在区块链上相对来说更加安全且可靠。假设用户想要请求数据，如果直接向存储区块链网络请求数据，网络中的其他节点可以从用户请求中得到一些用户的敏感信息，推测用户对什么数据感兴趣。在此情况下即存在如下技术问题：

一、从隐私角度来看，不利于隐私的保护；

二、无法保证数据使用者的查询隐私不被泄露的前提下，获取自己所需要的数据。

发明内容

针对上述研究的问题，本发明的目的在于提供一种基于区块链的具有隐私保护性的加密数据共享方法，解决现有技术中的区块链无法保证数据使用者的查询隐私不被泄露的前提下，获取自己所需要的数据的问题。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于区块链的具有隐私保护性的加密数据共享方法，包括如下步骤：

系统初始化：

根据给定的安全参数λ，密钥生成中心首先生成主密钥对(PK，MK)，然后密钥生成中心根据用户属性w，为用户生成属性密钥SK，其中，PK表示公钥，MK表示私钥；

发布共享数据：

数据持有者给定一个对称加密的密钥k，基于密钥k对要分享的数据F进行对称加密生成密文CT＝E_k(F)，再基于密文生成文件指纹h_CT＝hash(F)，将{CT，h_CT}发布到联盟链网络；然后，数据持有者为数据F选择关键词keyword，同时，根据属性策略w′、公钥和ABE加密对密钥k进行基于属性的加密KT＝ABE_PK，w′(k)，将{KT，h_CT，keyword}发布到公有区块链网络，其中，联盟链网络即指区块链的联盟链，公有区块链网络即指区块链的公链；

数据检索：

授权用户首先根据关键词keyword在本地检索{KT，h_CT}的信息，然后用文件指纹h_CT构建私用信息检索方案向联盟链网络请求CT；

数据恢复：

授权用户用自己的属性密钥SK解密KT获得密钥k，然后用密钥k解密CT获得数据F 。

进一步，系统初始化的具体步骤如下：

根据给定的安全参数λ，密钥生成中心计算基于属性加密的公钥和私钥，其中，公钥

私钥MK＝{β₁,β₂,...β_n,y}，得到主密钥对(PK,MK)；其中，g是阶为素数p的群G的生成元，

为双线性映射函数，λ代表群G的大小， n为属性总体的个数，参数{β₁,β₂,...β_n,y}为从Z_p ^*＝{1,2,3,...p}中独立选择的n+1个实数， Z_p ^*为1到p的正整数的集合；

密钥生成中心根据用户的属性w，为用户生成相应的属性密钥

其中，q(m)为多项式函数且q(0)＝y，其中，m是属于[1，n]的元素，集合w被包含于[1，n ]。

进一步，发布共享数据的具体步骤如下：

数据持有者用密钥k将要共享的数据F用对称加密算法进行加密得到密文CT＝E_k(F)，并基于密文计算文件指纹h_CT＝hash(F)；

数据持有者将{CT，h_CT}广播到联盟链网络，联盟链网络节点共识后被打包成块；

数据持有者为数据F选择关键词keyword；

数据持有者将密钥k基于属性策略w′、公钥和ABE加密得到KT＝ABE_PK，w′(k)。

数据持有者将{KT，h_CT，keyword}上传到公有区块链网络，公有区块链网络节点共识后被打包成块。

进一步，数据检索的具体步骤为：

授权用户根据关键词keyword在本地区块链网络中搜索到{KT，h_CT，keyword}；

授权用户用自己的属性密钥SK对{KT，h_CT，keyword}进行解密获得文件指纹h_CT和密钥 k；

授权用户根据自己的隐私需求，选择δ，然后随机生成δ-1个关键词keyword₁，keyword₂…，keyword_δ-1并从公链上得到对应关键词的文件指纹

授权用户将h_CT放入到δ-1个文件指纹

中的随机位置，得到

授权用户根据文件指纹h_CT构造私有信息检索向量

其中，μ表示h_CT在HC中所处的位置.

的长度为δ，向量

在第μ位为1，其余位置填充为0；

授权用户生成s-1个长度为δ的随机向量

生成随机向量后，基于向量

计算

并随机选择s个联盟链节点，将

分别发送给s个节点中对应的联盟链节点i，即用文件指纹h_CT构建私用信息检索方案向联盟链网络请求CT。

进一步，数据恢复的具体步骤如下：

联盟链节点i收到

后，根据

查找密文CT_σj，即找到列表HC中向量

位置为1的文件指纹所对应的密文，将这些密文进行异或并返回给授权用户，其中，

j为二进制向量

中为1的位置；

授权用户将收到的所有回复进行异或，得到想要的密文CT；

授权用户再用数据检索得到的的密钥k解密计算F＝D_k(CT)，得到想要的数据F。

本发明同现有技术相比，其有益效果表现在：

一、本发明通过联盟链，对要共享的加密数据达成共识，并打包成块，数据的相关信息 (加密密钥(即密钥)、数据指纹、关键词)等则由数据的发布者广播到区块链公链上，经过共识后打包成块，采用联盟链和公链相结合的方式可以实现数据的安全存储和可靠共享，当用户想要访问某数据，其首先在本地公链上根据关键词检索到相关信息，然后再根据数据指纹，构建私有信息检索，向联盟链网络检索机密数据，以此实现具有隐私保护的数据检索，从隐私角度来看，利于隐私的保护，即通过构建的两条区块链(联盟链和公链)实现了具有隐私保护性的加密数据共享；

二、本发明在保证数据使用者的查询隐私不被泄露的前提下，获取自己所需要的数据。

附图说明

图1为本发明的框架示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述。

1.准备阶段，即系统初始化：

该阶段为各种密钥生成阶段，密钥生成中心(AA)为各方生成密钥，如图1中的标号①。

(1)根据给定的安全参数λ，AA计算基于属性加密的公钥和私钥，其中，g是阶为素数p的群G的生成元，

为双线性映射函数，λ代表群G的大小，n为属性总体的个数，参数{β₁，β₂，…β_n，y}为从Z_p ^*＝{1，2，3，…p}中独立选择的n+1个实数，Z_p ^*为1到p 的正整数的集合。

AA验证根据用户的属性w，为用户生成相应的属性密钥

假设解密所需要的属性门限是d，则q(m)为d-1次多项式函数。其中，q(m)为多项式函数且 q(O)＝y，其中，m是属于[1，n]的元素，集合w被包含于[1，n]，例如，用户拥有属性的集合w为{1，2，3}，用户将得到密钥SK＝{D₁，D₂，D₃}，如果属性{1，2，3}和属性策略w′ 一致，则根据属性密钥SK＝{D₁，D₂，D₃}，用户可以解密出密钥k。

2.加密上传阶段，即发布共享数据：

(1)文件管理者CM(即数据持有者)将要共享的数据F(即指文件F)用对称加密算法(如AES等)进行加密得到CT＝E_k(F)，并基于密文计算文件指纹h_CT＝hash(F)。

(2)CM将{CT，h_CT}广播到联盟链网络，联盟链节点共识后被打包成块，如图1中的标号②。

(3)CM为数据F选择关键词keyword；

(4)CM将加密密钥k基于属性策略w′、公钥和加密得到KT＝ABE_PK，w′(k)。

(5)CM将{KT，h_CT，keyword}上传到公链公有区块链网络，公有区块链网络节点共识后被打包成块，如图1中的标号③。

3.数据检索阶段，即数据检索：

(1)数据的使用者DR(即授权用户)根据关键词keyword在本地区块链备份中搜索到{KT，h_CT，keyword}，如图1中的标号④。

(2)DR用自己的属性秘钥SK解密{KT，h_CT，keyword}获得文件指纹h_CT以及加密密钥k。

(3)假设DR随机生成6个关键词keyword₁，keyword₂…，keyword₅并从区块链公链上得到这些关键词的文件指纹

(4)DR将h_CT放入随机位置，随机位置如：

(5)DR根据文件指纹h_CT构造私有信息检索向量

其中μ＝2表示h_CT所处的位置是列表HC中的第二个位置，

(6)DR生成s-1个随机向量，假设s＝3，随机选择的向量为：

计算

开随机选择3个联盟链节点，将

和

分别发送给3个联盟链节点中的第一个联盟链节点、第二个联盟链节点和第三个联盟链节点。

4.数据获得阶段

(1)联盟链节点1收到

后，根据

(

j为向量

中为 1的位置)查找密文CT_σj，由于

则查找HC中

CT_σ4，CT_σ5所对应的密文，即密文{CT，CT₃，CT₄}，将这些密文进行异或，即将

返回给DR，同样的，节点2，3分别根据

查找对应密文并进行异或运算，并分别得到

和

将结果返回给DR。

(2)DR将收到的所有回复

和

进行异或，就能得到想要的密文CT，如图1中的标号⑤。

(3)DR用阶段3中得到的密钥k解密计算F＝D_k(CT)，得到想要的数据F。

其中，数据检索中的步骤(3)至数据获得阶段中的步骤(2)是PIR检索和回复过程。

以上仅是本发明众多具体应用范围中的代表性实施例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用变换或是等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims

1.一种基于区块链的具有隐私保护性的加密数据共享方法，其特征在于，包括如下步骤：

系统初始化：

根据给定的安全参数λ，密钥生成中心首先生成主密钥对(PK,MK)，然后密钥生成中心根据用户属性w，为用户生成属性密钥SK，其中，PK表示公钥，MK表示私钥；

发布共享数据：

数据持有者给定一个对称加密的密钥k，基于密钥k对要分享的数据F进行对称加密生成密文CT＝E_k(F)，再基于密文生成文件指纹h_CT＝hash(F)，将{CT,h_CT}发布到联盟链网络；然后，数据持有者为数据F选择关键词keyword，同时，根据属性策略w′、公钥和ABE加密对密钥k进行基于属性的加密KT＝ABE_PK,w′(k)，将{KT,h_CT,keyword}发布到公有区块链网络，其中，联盟链网络即指区块链的联盟链，公有区块链网络即指区块链的公链；

数据检索：

授权用户首先根据关键词keyword在本地检索{KT,h_CT}的信息，然后用文件指纹h_CT构建私用信息检索方案向联盟链网络请求CT；

数据恢复：

授权用户用自己的属性密钥SK解密KT获得密钥k，然后用密钥k解密CT获得数据F；

系统初始化的具体步骤如下：