CN113225302B - 一种基于代理重加密的数据共享系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于代理重加密的数据共享系统和方法，上述系统包括数据拥有者终端、数据代理终端和数据请求者终端；数据请求者终端发起数据传输请求，数据拥有者终端生成代理密钥，然后将代理密钥发送至数据代理终端中，由代理终端将第一密文重新加密，生成可以由数据请求者的密钥进行解密的第二密文，然后传输至数据请求者终端，由数据请求者终端进行解密即可得到明文且本发明的加密算法均基于国密算法构建。通过实施本发明实施例，数据拥有者终端不需要将已上传的待共享数据重新下载，然后重新加密后，再上传，极大的减少了数据传输过程中的通信代价，此外国密算法是基于ECC椭圆曲线的密码理论，具备更高的安全性及效率。

Description

一种基于代理重加密的数据共享系统及方法

技术领域

本发明涉及数据传输技术领域，尤其涉及一种基于代理重加密的数据共享系统及方法。

背景技术

随着信息技术的高速发展，不同区域间的信息交流逐步增加，以互联网为主要载体的网络空间和物理世界不断交叉融合，催生出海量“人-机-物”数据。数据作为新的生产要素，如何有效利用这些大数据来产生社会价值和经济价值是关键。为了发挥和利用大数据所带来的优势，首先需要打破“人人有数据，人人缺数据”的“数据孤岛”式困境，让数据流通起来。数据共享(Data Shar i ng)是作为实现数据流通和数据产业化发展的重要基础，不仅能够降低数据收集成本，而且可以实现同类数据社会效益的最大化。

在进行不同个体/区域间的数据共享时，通常会遇到隐私泄露的问题，例如，将个人病历资料开发成大数据，或者将个人的银行存款信息汇总开发成大数据，如果对这些数据资料还没有进行有效授权后进行共享，就可能侵害个人信息权利和隐私权。通常来说，为了保护数据的安全性，会通过加密的方式来将密文数据存储在云服务商，密钥由数据所有自己管理。当有用户请求数据时，数据拥有者需要将密文下载下来之后，然后用自己的私钥进行解密得到明文，再利用数据请求者的公钥对明文进行重新加密，然后再将重新加密后的密文上传。在这一过程中，数据拥有者需要将数据重新下载，重新加密，再重新上传，这样会造成极大的通信代价。

发明内容

本发明实施例提供一种基于代理重加密的数据共享系统及方法，能减少数据共享的通信代价。

本发明一实施例提供一种基于代理重加密的数据共享系统，包括：数据拥者终端、数据代理终端以及数据请求者终端；

所述数据拥有者终端，用于根据数据拥有者的公钥以及预设的第一加密算法对待共享数据进行加密，生成第一密文以及第一验证数据信息，继而将所述第一密文以及所述第一验证数据信息传输至数据代理终端；

所述数据请求终端，用于将数据请求者的公钥上传至区块链中，并在响应数据请求者的数据请求操作时，向所述数据拥有者终端发送数据传输请求；

所述数据拥有者终端，还用于在接收所述数据传输请求时，从所述区块链中获取数据请求者的公钥，并根据所述数据请求者的公钥、所述数据拥有者的私钥和预设的密钥生成算法，生成代理密钥以及第二验证数据信息，继而将所述代理密钥以及所述第二验证数据信息传输至所述数据代理终端；

所述数据代理终端，用于根据所述代理密钥以及预设的第二加密算法将所述第一密文进行重新加密生成第二密文，并将所述第二密文、所述第一验证数据信息以及所述第二验证数据信息，传输至所述数据请求者终端；

所述数据请求者终端，还用于根据数据请求者的私钥、所述数据请求者的公钥、所述第一验证数据以及所述第二验证数据，对所述第二密文进行解密及验证，获得所述待共享数据；

其中，所述第一加密算法、所述第二加密算法以及所述密钥生成算法均基于国密算法构建。

进一步地，所述根据数据拥有者的公钥以及预设的第一加密算法对待共享数据进行加密，生成第一密文以及第一验证数据信息，具体为：

随机选取参数k,通过以下公式计算所述第一密文以及所述第一验证数据信息：

C₁＝[k]G＝(x₁，y₁)；

[k]pk_Alice＝(x₂，y₂)；t＝KDF(x₂||y₂，klen)；

C₃＝Hash(x₂||M||y₂)；

其中，pk_Alice为数据拥有者的公钥，且pk_Alice＝sk_AliceG；sk_Alice为数据拥有者的私钥；G为椭圆曲线的基点，且其阶为素数n；Hash()为基于SM3的密码杂凑函数；M为所述待共享数据；KDF()为密钥派生函数；klen为KDF()要获得的密钥数据的比特长度；k属于[1,n-1]；C₁以及C₃为所述第一验证数据信息；C₂为所述第一密文。

进一步地，所述根据所述数据请求者的公钥、所述数据拥有者的私钥和预设的密钥生成算法，生成代理密钥以及第二验证数据信息，具体为：

随机选取参数k′，通过以下公式生成所述代理密钥以及所述第二验证数据信息：

C₄＝[k′]G＝(x₃,y₃)；[k′]pk_Bob＝(x₄,y₄)；

C₅＝Hash(x₄||C₃||y₄)；

其中，k′属于[1,n-1]；pk_Bob为数据请求者的公钥，且pk_Bob＝sk_BobG；sk_Bob为数据请求者的私钥；rk为所述代理密钥；C₄以及C₅为所述第二验证数据信息。

进一步地，所述根据所述代理密钥以及预设的第二加密算法将所述第一密文进行重新加密生成第二密文，具体为：

通过以下公式生成所述第二密文：

其中，C_rk为所述第二密文。

进一步地，所述根据数据请求者的私钥、所述数据请求者的公钥、所述第一验证数据以及所述第二验证数据，对所述第二密文进行解密及验证，获得所述待共享数据，具体为：

通过以下公式计算解密后的数据明文M′：

[sk_Bob]C₄＝[sk_Bob][k′]G＝[k]pk_Bob＝(x′₄,y′₄)；

t′_rk＝KDF(x′₄||y′₄,klen)；

计算C‘₅＝Hash(x′₄||C₃||y′₄)；

判断所述C‘₅是否等于C₅，若是，则将所述解密后的数据明文作为所述待共享数据。

进一步地，所述数据拥有者终端，还用于在对所述待共享数据进行加密时，生成所述待共享数据的数据摘要，继而所述数据摘要上述至所述区块链，以使数据请求者根据所述数据摘要，判断所述待共享数据是否为自身需要的数据。

在上述系统项实施例的基础上，本发明对应提供了方法项实施例；

本发明一实施例提供了一种基于代理重加密的数据共享方法，所述方法包括：

数据代理终端根据预设的第二加密算法和由数据拥有者终端发送的代理密钥，对由数据拥有者终端发送的第一密文进行重新加密，生成第二密文，并将所述第二密文传输至数据请求者终端，以使所述请求者终端在接收所述第二密文后，根据数据请求者的私钥、所述数据请求者的公钥、所述第一验证数据以及所述第二验证数据，对所述第二密文进行解密及验证，获得所述待共享数据；

其中，所述第一密文及所述第一验证数据由所述数据拥有者终端根据数据拥有者的公钥以及第一加密算法对待共享数据进行加密后生成；

所述代理密钥以及所述第二验证数据信息由所述数据拥有者终端在接收数据传输请求时，根据所述数据请求者的公钥、所述数据拥有者的私钥和预设的密钥生成算法生成；

所述数据请求者的公钥由所述数据请求者终端上传至区块链中，并在所述数据拥有者终端接收数据传输请求时，由所述数据拥有者终端从区块链中获取；所述数据传输请求由所述数据请求者终端响应数据请求者的数据请求操作后生成。

通过实施本发明实施例，具有如下有益效果：

本发明实施例提供了一种基于代理重加密的数据共享系统和方法，在数据共享的过程中，数据请求者终端发起数据传输请求，数据拥有者终端无需重新下载已经上传的加密后的待共享数据(即上述第一密文)，只需生成代理密钥，然后将代理密钥发送至数据代理终端中，由代理终端将第一密文重新加密，生成可以由数据请求者的密钥进行解密的第二密文，然后传输至数据请求者终端，由数据请求者终端进行解密即可得到明文，与现有技术相比，本发明通过引入数据代理服务终端就第一密文进行重新加密，这样数据拥有者终端在接收数据传输请求时，就不需要将已上传的待共享数据重新下载，然后重新加密后，再上传，极大的减少了数据共享过程中的通信代价，此外所述第一加密算法、所述第二加密算法以及所述密钥生成算法均基于国密算法构建，国密算法是基于ECC椭圆曲线的密码理论，具备更高的安全性及效率。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的一种基于代理重加密的数据共享系统的系统架构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

首先对本发明中所涉及的一些字母及公式的定义进行说明：

{sk_Alice,pk_Alice}:数据拥有者的公私钥对，其中pk_Alice＝sk_AliceG；sk_Alice为数据拥有者的私钥，pk_Alice为数据拥有者的公钥。

{sk_Bob,pk_Bob}:数据请求者公私钥对，其中pk_Bob＝sk_BobG；sk_Bob为数据请求者的私钥，pk_Bob为数据请求者的公钥。

G:椭圆曲线的基点，其阶为素数n。

Hash():基于SM3的密码杂凑函数。

M:待共享数据。

M′:被数据请求者解密后得到的数据明文。

rk:代理密钥。

KDF():密钥派生函数。

klen:表示KDF()要获得的密钥数据的比特长度。

如图1，是本发明一实施例提供的一种基于代理重加密的数据共享系统，包括：数据拥者终端、数据代理终端以及数据请求者终端；

所述数据拥有者终端，用于根据数据拥有者的公钥以及预设的第一加密算法对待共享数据进行加密，生成第一密文以及第一验证数据信息，继而将所述第一密文以及所述第一验证数据信息传输至数据代理终端；

所述数据请求终端，用于将数据请求者的公钥上传至区块链中，并在响应数据请求者的数据请求操作时，向所述数据拥有者终端发送数据传输请求；

所述数据拥有者终端，还用于在接收所述数据传输请求时，从所述区块链中获取数据请求者的公钥，并根据所述数据请求者的公钥、所述数据拥有者的私钥和预设的密钥生成算法，生成代理密钥以及第二验证数据信息，继而将所述代理密钥以及所述第二验证数据信息传输至所述数据代理终端；

所述数据代理终端，用于根据所述代理密钥以及预设的第二加密算法将所述第一密文进行重新加密生成第二密文，并将所述第二密文、所述第一验证数据信息以及所述第二验证数据信息，传输至所述数据请求者终端；

所述数据请求者终端，还用于根据数据请求者的私钥、所述数据请求者的公钥、所述第一验证数据以及所述第二验证数据，对所述第二密文进行解密及验证，获得所述待共享数据。

在一个优选的实施例中：所述根据数据拥有者的公钥以及预设的第一加密算法对待共享数据进行加密，生成第一密文以及第一验证数据信息，具体为：

随机选取参数k,通过以下公式计算所述第一密文以及所述第一验证数据信息：

C₁＝[k]G＝(x₁,y₁)；

[k]pk_Alice＝(x₂,y₂)；t＝KDF(x₂||y₂,klen)；

C₃＝Hash(x₂||M||y₂)；

其中，pk_Alice为数据拥有者的公钥，且pk_Alice＝sk_AliceG；sk_Alice为数据拥有者的私钥；G为椭圆曲线的基点，且其阶为素数n；Hash()为基于SM3的密码杂凑函数；M为所述待共享数据；KDF()为密钥派生函数；klen为KDF()要获得的密钥数据的比特长度；k属于[1,n-1]；C₁以及C₃为所述第一验证数据信息；C₂为所述第一密文。

在一个优选的实施例中，所述根据所述数据请求者的公钥、所述数据拥有者的私钥和预设的密钥生成算法，生成代理密钥以及第二验证数据信息，具体为：

随机选取参数k′，通过以下公式生成所述代理密钥以及所述第二验证数据信息：

C₄＝[k′]G＝(x₃,y₃)；[k′]pk_Bob＝(x₄,y₄)；

C₅＝Hash(x₄||C₃||y₄)；

其中，k′属于[1,n-1]；pk_Bob为数据请求者的公钥，且pk_Bob＝sk_BobG；sk_Bob为数据请求者的私钥；rk为所述代理密钥；C₄以及C₅为所述第二验证数据信息。

在一个优选的实施例中，所述根据所述代理密钥以及预设的第二加密算法将所述第一密文进行重新加密生成第二密文，具体为：

通过以下公式生成所述第二密文：

其中，C_rk为所述第二密文。

在一个优选的实施例中，所述根据数据请求者的私钥、所述数据请求者的公钥、所述第一验证数据以及所述第二验证数据，对所述第二密文进行解密及验证，获得所述待共享数据，具体为：

通过以下公式计算解密后的数据明文M′：

[sk_Bob]C₄＝[sk_Bob][k′]G＝[k]pk_Bob＝(x′₄,y′₄)；

t′_rk＝KDF(x′₄||y′₄,klen)；

计算C‘₅＝Hash(x′₄||C₃||y′₄)；

判断所述C‘₅是否等于C₅，若是，则将所述解密后的数据明文作为所述待共享数据。

在一个优选的实施例中通过公式验证解密后的数据明文是否正确：

若上述公式成立，则说明解密后的数据明文正确。数据明文的正确性验证可在数据拥有者终端执行。

在一个优选的实施例中，所述数据拥有者终端，还用于在对所述待共享数据进行加密时，生成所述待共享数据的数据摘要，继而所述数据摘要上述至所述区块链，以使数据请求者根据所述数据摘要，判断所述待共享数据是否为自身需要的数据。

在一个优选的实施例中，数据拥有者终端保留有对第一密文C₂的解密能力，即数据拥有者终端还用于，通过以下公式对第一密文进行解密：

[sk_Alice]C₁＝[sk_Alice][k]G＝[k]pk_Alice＝(x′₂,y′₂)；

t₀＝KDF(x′₂||y′₂,klen)；

C′₃＝Hash(x′₂||M′||y′₂)；

判断上述C₃是否等于C′₃，如果是，则将M′作为所述待共享数据，完成解密。

以下对本发明所公开的技术方案进行进一步的说明：

首先由数据代理服务终端完成本系统的初始化，该初始化过程不涉及用户(数据拥有者和数据请求者)公私钥的生成及注册，只完成有关SM2算法(椭圆曲线公钥密码算法)中相关参数的设定。在该阶段中，每个用户可以生成自己的公私钥对，并将公钥以及相关的描述信息发布在区块链中，来表明用户的身份及所拥有的数据类别，在本发明中所涉及的加密算法均基于国密算法进行构建，国密算法是基于ECC椭圆曲线的密码理论，具备更高的安全性及效率。

紧接着是数据的加密和数据摘要的公布：

在数据加密过程中，数据拥有者终端基于第一加密算法完成对待共享数据M的加密，生成第一密文C₂以及对应的第一验证数据信息(C₁以及C₃)，然后将上述数据{C₁,C₂,C₃}上传至数据代理终端进行存储。

与此同时，数据拥有者终端将待共享数据M的哈希Hash(M)、数据的描述des作为数据摘要通过交易形式公布在区块链中，即com₀＝{Hash(M),des}。为了防止数据拥有者共享给数据请求者的数据不是数据请求者想要的数据，数据拥有者需要在智能合约中锁定一笔押金coin₀，该押金在用户参与数据共享阶段内无法被用户自己取回，只能在指定时间期限之后，或者出现恶意行为时可以被取走。

紧接着是数据共享交换请求发起：

当数据请求者通过上述数据摘要在区块链中查询到想要的数据时，执行数据请求操作，数据请求者终端可以先向数据拥有者发起线下的共享交易请求。在拥有者同意的情况下，请求者将需要支付的金额作为押金通过数据请求者终端存储在智能合约中。数据拥有者通过数据拥有者终端获悉数据请求者完成押金支付后，通过数据拥有者终端，将自己的私钥sk_Alice和请求者的公钥sk_Bob利用密钥生成算法来生成代理密钥rk，和对应的第二验证数据信息(C₄以及C₅)，并由数据拥有者终端将上述数据即{rk,C₄,C₅}发送给数据代理终端。

紧接着是数据代理终端的数据重加密：

此阶段中，数据代理服务器会基于代理密钥rk通过第二加密算法完成对第一密文的重加密计算，计算完成后，会得到第二密文C_rk，然后将第二密文C_rk、第一验证数据中的C₃以及第二验证数据发送至数据请求者终端。即数据请求者终端会读取{C_rk,C₃,C₄，C₅}；

与此同时，数据代理服务器会通过签名交易来发送一个通知信息，告知区块链其已完成重加密计算且已经将第二密文发送给数据请求者终端，数据请求者需要通过数据请求者终端在合约中进行确认已经收到第二密文数据。如果数据请求者声称没有收到第二密文数据，则数据代理服务终端将第二密文数据公开在区块链中，各区块链的其余节点对第二密文数据进行下载，如果大多数节点验证该第二密文数据是正确计算过的，则数据代理服务终端认定请求者恶意声称未收到第二密文数据，直接将其存储的押金分发给数据拥有者以及其余区块链节点。

最后是数据的解密与交换支付：

在数据请求者终端获取到第二密文数据之后，进行解密后的数据明文，从而获得所述待共享数据。在解密获得数据明文后，可以将数据明文与数据拥有者终端在区块链中所公布的数据摘要com₀进行比对，如果不一致，则，将解密后的数据明文以及数据请求者的数据摘要，上传区块链中进行不合规申述，可以基于Fairswap方案完成对非法数据的高效验证。如果不存在恶意行为，则过完指定时间之后，数据拥有者可以在智能合约中拿到请求者锁定的押金，从而完成交易的支付。

通过实施本发明具有如下有益效果：

1、本发明通过引入数据代理服务终端就第一密文进行重新加密，这样数据拥有者终端在接收数据传输请求时，就不需要将已上传的待共享数据重新下载，然后重新加密后，再上传，极大的减少了数据共享过程中的通信代价。

2、数据共享过程中涉及交易，现有的基于中心化云服务商的集中式管理，需要数据拥有者和数据请求者同时信任第三方，并对第三方的提供的服务支付费用。而当前集中式的服务提供商普遍存在支付交易的信任等问题，无法保证支付安全，而本申请区块链技术完成上述数据共享及交易，区块链是一种分布式的数据库，区块链网络的每一个参与者都通过分布式共识算法来维护链上存储数据的一致性，而不需要中心化的证书去认证，且链上的数据是不可篡改的。通过区块链技术完成数据共享的支付交易，能够保证交易的安全性。3、本发明基于国密算法构建加密算法，国密算法是基于ECC椭圆曲线的密码理论，具备更高的安全性及效率。

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，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于代理重加密的数据共享系统，其特征在于，包括：数据拥者终端、数据代理终端以及数据请求者终端；

所述数据拥有者终端，用于根据数据拥有者的公钥以及预设的第一加密算法对待共享数据进行加密，生成第一密文以及第一验证数据信息，继而将所述第一密文以及所述第一验证数据信息传输至数据代理终端；将所述共享数据的数据摘要上传至区块链中，以使所述数据请求者根据所述数据摘要确定是否执行数据请求操作；

所述数据请求者终端，用于将数据请求者的公钥上传至区块链中，并在响应数据请求者的数据请求操作时，向所述数据拥有者终端发送数据传输请求；

所述数据拥有者终端，还用于在接收所述数据传输请求时，从所述区块链中获取数据请求者的公钥，并根据所述数据请求者的公钥、所述数据拥有者的私钥和预设的密钥生成算法，生成代理密钥以及第二验证数据信息，继而将所述代理密钥以及所述第二验证数据信息传输至所述数据代理终端；

所述数据代理终端，用于根据所述代理密钥以及预设的第二加密算法将所述第一密文进行重新加密生成第二密文，并将所述第二密文、所述第一验证数据信息以及所述第二验证数据信息，传输至所述数据请求者终端；

所述数据请求者终端，还用于根据数据请求者的私钥、所述数据请求者的公钥、所述第一验证数据以及所述第二验证数据，对所述第二密文进行解密及验证，获得所述待共享数据；其中，所述第一加密算法、所述第二加密算法以及所述密钥生成算法均基于国密算法构建；

其中，所述根据数据拥有者的公钥以及预设的第一加密算法对待共享数据进行加密，生成第一密文以及第一验证数据信息，具体为：

随机选取参数k,通过以下公式计算所述第一密文以及所述第一验证数据信息：

其中，

为数据拥有者的公钥，且

为数据拥有者的私钥；G为椭圆曲线的基点，且其阶为素数n;Hash()为基于SM3的密码杂凑函数；M为所述待共享数据；KDF( )为密钥派生函数；klen为KDF()要获得的密钥数据的比特长度；k属于[1,n-1]；C₁以及C₃为所述第一验证数据信息；C₂为所述第一密文。

2.如权利要求1所述的基于代理重加密的数据共享系统，其特征在于，所述根据所述数据请求者的公钥、所述数据拥有者的私钥和预设的密钥生成算法，生成代理密钥以及第二验证数据信息，具体为：

随机选取参数

，通过以下公式生成所述代理密钥以及所述第二验证数据信息：

其中，

属于[1,n-1]；

为数据请求者的公钥，且

为数据请求者的私钥；rk为所述代理密钥；C₄以及C₅为所述第二验证数据信息。

3.如权利要求2所述的基于代理重加密的数据共享系统，其特征在于，所述根据所述代理密钥以及预设的第二加密算法将所述第一密文进行重新加密生成第二密文，具体为：

通过以下公式生成所述第二密文：

其中，

为所述第二密文。

4.如权利要求3所述的基于代理重加密的数据共享系统，其特征在于，所述根据数据请求者的私钥、所述数据请求者的公钥、所述第一验证数据以及所述第二验证数据，对所述第二密文进行解密及验证，获得所述待共享数据，具体为：

通过以下公式计算解密后的数据明文

：

计算

判断所述

是否等于

，若是，则将所述解密后的数据明文作为所述待共享数据。

5.如权利要求1所述的基于代理重加密的数据共享系统，其特征在于，所述数据拥有者终端，还用于在对所述待共享数据进行加密时，生成所述待共享数据的数据摘要，继而所述数据摘要上传 至所述区块链，以使数据请求者根据所述数据摘要，判断所述待共享数据是否为自身需要的数据。

6.一种基于区块链与代理重加密的数据共享方法，其特征在于，包括：

数据代理终端根据预设的第二加密算法和由数据拥有者终端发送的代理密钥，对由数据拥有者终端发送的第一密文进行重新加密，生成第二密文，并将所述第二密文传输至数据请求者终端，以使所述请求者终端在接收所述第二密文后，根据数据请求者的私钥、数据请求者的公钥、第一验证数据以及第二验证数据，对所述第二密文进行解密及验证，获得待共享数据；

其中，所述第一密文及所述第一验证数据的生成，具体为：

随机选取参数k,通过以下公式计算所述第一密文以及所述第一验证数据信息：

为数据拥有者的公钥，且

为数据拥有者的私钥；G为椭圆曲线的基点，且其阶为素数n;Hash()为基于SM3的密码杂凑函数；M为所述待共享数据；KDF( )为密钥派生函数；klen为KDF()要获得的密钥数据的比特长度；k属于[1,n-1]；C₁以及C₃为所述第一验证数据信息；C₂为所述第一密文；

所述代理密钥以及所述第二验证数据信息由所述数据拥有者终端在接收数据传输请求时，根据所述数据请求者的公钥、所述数据拥有者的私钥和预设的密钥生成算法生成；

所述数据请求者的公钥由所述数据请求者终端上传至区块链中，并在所述数据拥有者终端接收数据传输请求时，由所述数据拥有者终端从区块链中获取；所述数据传输请求由所述数据请求者终端响应数据请求者的数据请求操作后生成。

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