CN113094750A - 一种基于区块链的压缩与隐私工业数据共享的实现方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于区块链的压缩与隐私工业数据共享的实现方法，利用区块链系统存储工业系统中各参与方的工业数据以促进工业数据共享。将产品数据压缩并对称加密后，将对称密钥使用访问策略进行加密，并将其与产品数据密文发布至区块链上。这样不仅压缩了数据，且防止了不可信第三方访问或修改产品数据。传统的工业物联网无统一的数据共享服务且缺乏追溯性，本方法通过将区块链与工业物联网结合，并采用压缩与隐私共享机制，降低了访问控制的开销、提高了区块链系统的存储与数据访问效率、保证了产品数据的隐私性与不可被第三方篡改性。

Description

一种基于区块链的压缩与隐私工业数据共享的实现方法
技术领域
本发明涉及数据共享领域，尤其涉及一种基于区块链的压缩与隐私工业数据共享的实现方法，更特别的，涉及一种基于密码学构造与区块链的工业物联网压缩与私有数据共享机制的实现方法。
背景技术
近些年来，提供产品可追溯性的有前途的技术——物联网(IoT)得到了极大的发展。大量工业参与者或政府机构以及消费者要求对产品的信息进行跟踪。在这种情况下，工业物联网所要面临的一个关键问题是如何建立一种统一的私有数据共享服务。
发明内容
本发明的目的在于解决上述隐私数据共享问题，以及数据高访问与高存储效率问题，从而提供了一种基于区块链的压缩与隐私工业数据共享的实现方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于区块链的压缩与隐私工业数据共享的实现方法，其特征在于：
S100、采用密码学构造混合访问控制机制，以确保工业物联网下的工业参与者与第三方参与者按自身权限访问链上数据；
S200、采用基于树结构的数据压缩算法对区块链系统的数据进行压缩，提高区块链系统的数据存储效率与数据访问I/O效率，同时将大量数据压缩任务分摊给终端的工业参与者；
S300、初始化压缩与私有数据共享机制时，工业参与者按照顺序在链下传输产品数据，并将地址发布至区块链上，
而终端工业参与者收集之前的产品数据，将产品数据压缩并对称加密后生成产品数据密文，将对称密钥使用访问策略进行加密，并将其与产品数据密文发布至区块链上；
S400、访问控制管理员根据访问控制策略为第三方参与者中的授权用户生成相应的访问策略密钥，授权用户通过使用访问策略密钥解密区块链上的数据获取对称密钥；
S500、授权用户进一步利用所述对称密钥解密产品数据密文以得到产品数据明文，以实现链上直接读取产品数据；或者，
授权用户通过链上读取所述地址，链下与工业参与者进行交互以获取产品数据。
优选的，
更新产品数据时，工业参与者将更新部分发布至区块链上。
优选的，
所述方法还使用基于密文策略属性的加密来实施混合访问策略，控制各种类型的用户对链上产品数据访问权限。
优选的，
步骤S200包括：
采用基于树的数据压缩机制，通过链下程序压缩产品数据，且当产品数据被链下压缩时，授权用户通过点事务从区块链获取数据的链下存储地址；
将压缩开销大量分摊给工业终端参与者，终端参与者负责最终的产品数据提交；
产品数据在区块链上发布后，授权用户通过数据事务直接从区块链获取产品数据。
该实施例充分利用了区块链的应用可以使点事务可见且可追踪，从而减少信息不对称的特点。
优选的，
所述方法进一步使用签名压缩机制，以提高链上数据签名存储效率的同时保证了数据的正确性。
优选的，
当产品通过路径流经工业参与者时，所述方法创建一条记录以描述产品的状态，且产品流经的终端工业参与者负责压缩与加密产品数据并将其提交给区块链。
优选的，
基于聚合签名，使得工业参与者、第三方参与者中的政府机构或者消费者访问工业产品数据，以防止非法第三方对产品数据的修改，并节省存储开销。
附图说明：
图1是本发明的一个实施例中的模型示意图；
图2是本发明的一个实施例中的基于树结构的数据压缩机制的设计示意图；
图3是本发明的一个实施例中的数据元组的示意图。
下面结合附图1至图3对本发明作进一步说明。
在一个实施例中，本发明揭示了一种基于区块链的压缩与隐私工业数据共享的实现方法，其特征在于：
S100、采用密码学构造混合访问控制机制，以确保工业物联网下的工业参与者与第三方参与者按自身权限访问链上数据；
S200、采用基于树结构的数据压缩算法对区块链系统的数据进行压缩，提高区块链系统的数据存储效率与数据访问I/O效率，同时将大量数据压缩任务分摊给终端的工业参与者；
S300、初始化压缩与私有数据共享机制时，工业参与者按照顺序在链下传输产品数据，并将地址发布至区块链上，
而终端工业参与者收集之前的产品数据，将产品数据压缩并对称加密后生成产品数据密文，将对称密钥使用访问策略进行加密，并将其与产品数据密文发布至区块链上；
S400、访问控制管理员根据访问控制策略为第三方参与者中的授权用户生成相应的访问策略密钥，授权用户通过使用访问策略密钥解密区块链上的数据获取对称密钥；
S500、授权用户进一步利用所述对称密钥解密产品数据密文以得到产品数据明文，以实现链上直接读取产品数据；或者，
授权用户通过链上读取所述地址，链下与工业参与者进行交互以获取产品数据。
发明人意识到工业系统是一种松散的分布式的组织，各个系统与参与者之间存在隔阂与不信任，因此很难在工业物联网系统中提供可信赖的产品可追溯性。而区块链是由一组客户端维护的区块哈希链，不依赖任何集中方来管理数据。任何人都不能删除或修改数据，因此，可以用作工业物联网系统的分布式但可信赖的产品数据共享平台。但是，发明人同时意识到区块链的架构直接运用于物联网有着数据低存储效率以及高存储开销等问题。
正是因此，发明人提出了上述实施例，这样不仅压缩了数据，且防止了不可信第三方访问或修改产品数据。上述实施例中，上链或者交互的核心内容(如产品数据、对称密钥)都是加密的，而产品数据与验证信息为压缩的。因此，可以保证工业物联网的压缩与私有数据共享。这解决了工业物联网私有数据共享与数据管理效率问题。
此外，上述实施例实现了两种不同的区块链事务来同时支持链上和链下访问，同时采用了基于树的数据压缩机制，通过链下程序压缩产品数据，并将压缩开销大量分摊给工业终端参与者，终端参与者负责最终的产品数据提交。这样不仅可实现在区块链上的高效私有数据存储，还可提高数据访问的I/O效率。
对于上述实施例而言，
工业物联网压缩与私有数据共享机制包含三类实体，分别是工业参与者、第三方用户与访问控制管理员。上述实施例使得这三类实体的部分存储依托于区块链。
在一个实施例中，
更新产品数据时，工业参与者将更新部分发布至区块链上。
在一个实施例中，
所述方法还使用基于密文策略属性的加密来实施混合访问策略，控制各种类型的用户对链上产品数据访问权限。
在一个实施例中，
步骤S200包括：
采用基于树的数据压缩机制，通过链下程序压缩产品数据，且当产品数据被链下压缩时，授权用户通过点事务从区块链获取数据的链下存储地址；
将压缩开销大量分摊给工业终端参与者，终端参与者负责最终的产品数据提交；
产品数据在区块链上发布后，授权用户通过数据事务直接从区块链获取产品数据。
在一个实施例中，
所述方法进一步使用签名压缩机制，以提高链上数据签名存储效率的同时保证了数据的正确性。
在一个实施例中，
当产品通过路径流经工业参与者时，所述方法创建一条记录以描述产品的状态，且产品流经的终端工业参与者负责压缩与加密产品数据并将其提交给区块链。
在一个实施例中，
基于聚合签名，使得工业参与者、第三方参与者中的政府机构或者消费者访问工业产品数据，以防止非法第三方对产品数据的修改，并节省存储开销。
结合图1，在一个实施例中，
访问控制管理员负责定义产品数据的访问策略，并将密钥分发给权限足够的工业参与者和第三方用户，使其能够访问工业产品数据。工业参与者处理工业产品并将产品数据提交给区块链。当产品通过路径流经工业参与者时，其会创建一条记录描述产品的状态，而产品流经的终端工业参与者负责压缩与加密产品数据并将其提交给区块链。第三方用户代表希望读取产品数据的个体，包括政府机构和个体消费者。第三方用户可以通过链上直接读取产品数据或者链上读取地址链下与产品参与者交互的方式获取产品数据。
结合图2、图3，在另一个实施例中，
在基于树结构的数据压缩机制的设计中，假设有N个工业参与者要对一个产品添加产品数据。第一个工业参与者P1需要提交元组M1给第二个工业参与者P2，k代表P1生成的对称密钥，m1为P1添加的产品数据内容，id为产品编号，vP1为版本号，初始化为1，δ1代表为P1签名私钥SK1对m1||id||vP1签名生成的，VK1为验证公钥。P1需要发起点事务，即提交元组tranP1给区块链。δP1为P1签名私钥SK1对(id，POINT，addr1，vP1)签名生成的，POINT代表这个事务是个点事务。从P2到PN-1，它们接受到Mi-1后，Pi会存储k并使vPi＝i，并提交元组Mi给Pi+1，同时发起点事务、提交元组tranPi给区块链。到PN也就是终端时，PN发起数据事务，提交元组tranD给区块链，其中C1为使用基于密文策略属性加密k生成的，而C2为使用k加密
Figure BDA0003029025970000071
生成的。
Figure BDA0003029025970000072
为接收到的mi||id||vPi聚合生成的，
Figure BDA0003029025970000073
为接收到的签名使用签名聚合技术生成的。
假设某个工业参与者Pi想要更新数据，则分为链上与链下两种情况。若读取区块链上的某个产品数据，返回的是数据事务tranD，说明这个产品的所有数据已经上链。Pi需要解密C2并通过签名验证，随后添加更新的部分，最终生成
Figure BDA0003029025970000074
并使用k进行对称加密生成C′2，并将版本号vD加1进行更新，最终提交更新的数据事务tran′D至区块链。返回的是点事务tranPj，说明现在还是链下过程，Pi需要通过地址addrj与Pj进行交互获得加密信息，通过与链上类似的密码学方法解密与验证，Pi将自己的(mi|id||vPi)与δi进行替换并发给Pj，并让Pj继续之前的链下过程。
假设某个授权第三方想要读取产品数据，其需要先跟访问控制管理员进行交互，验证权限信息。如权限通过，访问控制管理员会给第三方一个基于密文策略属性的密钥。此时第三方读取区块链上的事务，也分为链上与链下两种情况，若读取的为tranD，则产品数据已上链。第三方可直接用访问控制管理员提供的密钥解密C1获得对称密钥k，再使用k解密C2，解压缩之后便可得到产品数据与验证信息，验证通过则得到了真实的产品信息。若读取的为tranPj，则产品数据在链下处理。此时，第三方通过地址addrj与Pj交互获得加密信息，与之前类似，通过密码学方法解密与验证的过程即可获得真实的产品信息。
综上，本发明提供了三种类型的操作，分别为数据提交、数据更新和数据读取。其功能分别为：使参与者能够将产品数据提交给区块链；使贡献产品数据的任意参与者更新存储在区块链上的数据；使行业参与者或第三方可以从区块链读取产品数据。
由于本发明提出的工业物联网压缩与私有数据共享机制是基于密码学与区块链技术的，因此使用了对称加密技术、密文策略属性基加密技术与聚合签名技术。工业参与者生成对称密钥并使用对称密钥加密产品数据并签名，而加密对称密钥的基于密文策略属性的加解密过程中使用的密钥由访问控制管理员分发管理。第三方用户通过这些密钥对加密产品数据进行解密或完整性验证。
也就是说，为了防止未授权第三方访问或非法篡改工业产品数据，本发明通过密码学的方式实现了基于密文策略属性加密的混合访问控制模型和基于聚合签名的方案。基于密文策略属性加密的混合访问控制模型可以使不同的授权个体，如：工业参与者、政府机构或者消费者访问工业产品数据，而基于聚合签名的方案不仅可以防止非法第三方对产品数据的修改，还可以节省存储开销。因此，面对传统的工业物联网无统一的数据共享服务且缺乏追溯性，本发明通过将区块链与工业物联网结合，并采用压缩与隐私共享机制，降低了访问控制的开销、提高了区块链系统的存储与数据访问效率、保证了产品数据的隐私性与不可被第三方篡改性。

Claims (7)

1.一种基于区块链的压缩与隐私工业数据共享的实现方法，其特征在于：
S100、采用密码学构造混合访问控制机制，以确保工业物联网下的工业参与者与第三方参与者按自身权限访问链上数据；
S200、采用基于树结构的数据压缩算法对区块链系统的数据进行压缩，提高区块链系统的数据存储效率与数据访问I/O效率，同时将大量数据压缩任务分摊给终端的工业参与者；
S300、初始化压缩与私有数据共享机制时，工业参与者按照顺序在链下传输产品数据，并将地址发布至区块链上，
而终端工业参与者收集之前的产品数据，将产品数据压缩并对称加密后生成产品数据密文，将对称密钥使用访问策略进行加密，并将其与产品数据密文发布至区块链上；
S400、访问控制管理员根据访问控制策略为第三方参与者中的授权用户生成相应的访问策略密钥，授权用户通过使用访问策略密钥解密区块链上的数据获取对称密钥；
S500、授权用户进一步利用所述对称密钥解密产品数据密文以得到产品数据明文，以实现链上直接读取产品数据；或者，
授权用户通过链上读取所述地址，链下与工业参与者进行交互以获取产品数据。
2.如权利要求1所述的方法，其中，优选的，
更新产品数据时，工业参与者将更新部分发布至区块链上。
3.如权利要求1所述的方法，其中，
所述方法还使用基于密文策略属性的加密来实施混合访问策略，控制各种类型的用户对链上产品数据访问权限。
4.如权利要求1所述的方法，其中，步骤S200包括：
采用基于树的数据压缩机制，通过链下程序压缩产品数据，且当产品数据被链下压缩时，授权用户通过点事务从区块链获取数据的链下存储地址；
将压缩开销大量分摊给工业终端参与者，终端参与者负责最终的产品数据提交；
产品数据在区块链上发布后，授权用户通过数据事务直接从区块链获取产品数据。
5.如权利要求1所述的方法，其中，
所述方法进一步使用签名压缩机制，以提高链上数据签名存储效率的同时保证了数据的正确性。
6.如权利要求1所述的方法，其中，
当产品通过路径流经工业参与者时，所述方法创建一条记录以描述产品的状态，且产品流经的终端工业参与者负责压缩与加密产品数据并将其提交给区块链。
7.如权利要求1所述的方法，其中，
基于聚合签名，使得工业参与者、第三方参与者中的政府机构或者消费者访问工业产品数据，以防止非法第三方对产品数据的修改，并节省存储开销。
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卫荣;钱步月;兰欣;李晓亮;: "基于区块链技术的区域医疗数据安全共享问题研究", 中国卫生信息管理杂志, no. 02 *

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