CN113947394A - 云存储中重复数据可删除的基于区块链的公平支付方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种云存储中重复数据可删除的基于区块链的公平支付方法，具体按照以下步骤实施：步骤1.系统初始化；步骤2.文件上传；步骤3.支付阶段；步骤4.文件下载。本发明解决了现有技术中存在的支付瓶颈难解决及支付安全性差的问题。

Description

云存储中重复数据可删除的基于区块链的公平支付方法

技术领域

本发明属于密码学与信息安全技术领域，具体涉及一种云存储中重复数据可删除的基于区块链的公平支付方法。

背景技术

近年来，由于云计算技术和大数据技术的迅速发展，现在越来越多的企业和个人选择了把数据外包给云服务提供商。数据重复删除技术是降低云存储和管理系统存储成本的一项重要技术。目前，已设计了多种安全的重复数据删除加密方案来保护客户端数据的隐私。然而，他们不能确保经济自私的云服务提供商和客户端以公平支付的方式，进行客户端数据的外包存储。

为解决支付和安全性问题，大部分现有方案采用传统的支付机制并依赖可信第三方，譬如：银行。然而，传统支付方案存在缺点。首先，银行受到所有用户和服务器的信任，并以公平的方式处理所有流程。其次，支付机制需要适应不同参与者使用的多家银行，需要随时更新，这将成为支付系统的瓶颈。最后，用户的隐私与银行帐户可能受到侵犯。自2008年中本聪团队首次引入区块链以来，基于区块链技术的应用深入各个行业，尤其是那些存在交易中间商的商业领域。区块链的去中心化的分布式结构在现实中可节省大量的中介成本。由于区块链技术能成为人与人之间在不需要互信的情况下进行大规模协作的工具，所以其可被应用于许多传统的中心化领域中，处理一些原本由中介机构处理的交易。在云存储系统中，通过利用以太坊区块链技术能够有效的解决支付瓶颈及支付安全性问题，云存储系统中基于区块链的公平支付协议具有重要的实际应用意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种云存储中重复数据可删除的基于区块链的公平支付方法，解决了现有技术中存在的支付瓶颈难解决及支付安全性差的问题。

本发明所采用的技术方案是，云存储中重复数据可删除的基于区块链的公平支付方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、系统初始化；

步骤2、文件上传；

步骤3、支付阶段；

步骤4、文件下载。

本发明的特点还在于，

步骤1具体如下：系统建立阶段初始化方案所需的参数：

步骤1.1、系统初始化选择一个收敛加密方案(KG,Enc,Dec,Tag)，KG表示密钥生成算法，Enc表示加密算法，Dec表示文件解密算法，Tag表示文件标签，收敛加密方案用于加密客户端数据并在云服务器上进行重复数据删除；云重复数据删除支付系统采用的收敛加密方案具体如下：首先，选定一个哈希函数h，对于文件F，令收敛密钥K等于文件F的哈希，即K＝h(M)；密文C等于使用收敛密钥K对文件F进行加密，即C＝Enc(K,M)；文件标签Tag等于对密文C进行哈希，即Tag＝h(C)；

步骤1.2、客户端初始化如下的所有权证明POW算法，具体地，选定抗碰撞哈希函数H和纠删编码E:{0,1}^M→{0,1}^M′，指定Merkle树的叶子大小b＝256；用以向云存储服务器S-CSP证明，客户端拥有已存储在云存储服务器上的文件；

步骤1.3、云存储服务器S-CSP初始化公私密钥对(pk_S-CSP,sk_S-CSP)，向网络中所有客户端发布公钥pk_S-CSP，保密私钥sk_S-CSP；

步骤1.4、初始化快速存储系统，用于存储tags表TAB(tag,link)，进行有效的重复检查；用于存储用户信息表μTAB(tag,num,user(ID,time,state))，进行有效的重复率检查；初始化文件存储系统，用于存储加密数据副本，即文件密文C；

其中，TAB表中tag代表文件标签，link存储相应文件地址；在μTAB表里，tag如上所述，num表示共享相同tag的用户数量，user指用户信息，其中ID指用户身份，time记录用户上传文件的时间，state标记用户文件上传的状态，以表示此次文件上传的成功与否；若客户端想要存储文件并向云存储服务器S-CSP执行查询，S-CSP将存储该条记录到μTAB表中，将state置为0；如果S-CSP对该记录做出确认回应，即，文件存储成功，则关于此用户的状态为1；如果S-CSP对该记录做出删除回应，即，文件存储失败，则关于此用户的状态将被标记为-1；

步骤1.5、文件存储系统初始化为NULL，如果云存储服务器S-CSP必须为不同的客户端提供不同的link，则必须在TAB表中添加用户标识项；

步骤1.6、在以太坊中，客户端ID_t和云存储服务器S-CSP分别创建以太坊账户ClientAccount，ServerAccount,以便之后的工作；

步骤1.7、在系统初始化阶段，构建智能合约时候，为使支付系统更加安全、完善，引入云存储服务器S-CSP合约ServerContract；S-CSP严格限制支付系统中用户的进入，采用授权用户集authorizeClients[newClientAddress]的形式；云存储服务器S-CSP可以通过合约的相关功能接口添加、修改、删除用户；

步骤1.8、为保证系统的支付公平性，在服务器S-CSP合约ServerContract中预设惩罚金交易，若服务器出现恶意情况且客户端申诉失败，则客户端可发起惩罚金交易，获得惩罚金。

步骤2具体如下：

假定客户端ID_t上传文件是F，那么，在文件上传阶段：

步骤2.1、一旦输入文件F，客户端ID_t计算并发送文件标签Tag(M)＝TG(C)到云存储服务器S-CSP；S-CSP检查是否有相同的文件标签tag在μTAB表中；S-CSP存储对于客户端ID_t记录，将state置为0；

步骤2.2、考虑公共重复数据删除，并假设用户总是将不同的数据上传到云中；一旦接收到文件标签Tag(M)，云存储服务器S-CSP验证是否存在相同的文件标签；如果存在相同文件标签，则S-CSP回应客户端“文件重复”，否则，“没有文件重复”。同时，S-CSP针对文件是否重复，向客户端返回不同的应付款，即上传“文件重复”，应付款项b₁；上传“文件未重复”，应付款项b₂，这里b₁＜b₂；

在云存储服务器S-CSP确认收到来自客户端付款后，S-CSP执行文件上传；如果客户端收到的响应是“没有文件重复”，则客户端上传唯一加密文件和文件标签到云存储服务器S-CSP；并且，S-CSP返回对客户端ID_t身份ID签名的σ，和指向存储在link字段中相应文件地址的文件链接指针L；

如果客户端收到的响应是“文件重复”，则客户端运行所有权证明POW算法，以证明它实际上拥有存储在S-CSP上的相同文件F；

如果所有权证明POW通过，那么S-CSP仅返回对客户端ID_t的签名σ和文件的链接指针L到客户端，并且没有进一步信息需要上传，基于此，S-CSP将改变客户端ID_t的state为1；若POW失败，S-CSP中止上传操作。

步骤3具体如下：

在系统初始化阶段，客户端ID_t和云存储服务器S-CSP均在以太坊中建立自己账户并部署相应的智能合约；当客户端发送上传文件请求到云存储服务器S-CSP时，S-CSP根据是否存在相同的文件，向客户端返回不同的应付款；客户端通过调用智能合约中的方法transfer(address_to,uint256_value)进行代币转移，即支付，其中交易详细信息在交易收据receipt中，其中，address_to表示接收方的以太坊地址，uint256_value代表转移的代币数量；交易收据receipt包括客户端地址ClientAddress，服务器地址ServerAddress，应付金额，交易号TxId：交易哈希receipt.getTransactionHash()，区块哈希receipt.getBlockHash()，花费的gas(receipt.getGasUsed())；客户端可使用交易号TxId对每笔付款进行追溯；云存储服务器S-CSP获得支付交易号TxId；在确认收到付款后，将交易收据receipt发送到客户端，详细的支付流程阐述如下：

(1)在支付之前，系统首先检查客户端ID_t的以太坊地址ClientAddress是否有足够的资金，若有的话，部署合约到以太坊区块链；否则，抛出异常，其中，应付款duePayment来自云存储服务器返回给客户端应付款；

(2)客户端发起支付，在检查到有足够资金后，创建智能合约ClientContract并部署到以太坊区块链中，通过调用智能合约中的方法transfer(address_to,uint256_value)进行代币转移以进行支付，其中，address_to表示接收方的以太坊地址，uint256_value代表转移的代币数量；

(3)云存储服务器S-CSP获得支付交易号TxId；在确认收到付款后，将交易收据receipt发送到客户端；

在系统中，考虑两种特殊情况：第一种情况是，客户端是恶意的，因为在接收到云存储服务器的付款要求后，并没有付款；第二种情况是，云存储服务器端不完全可信，在收到客户端付款后，没有返回文件链接信息以及收据；

情况1：支付方案要求客户端首先进行付款，然后云存储服务器在确认收到付款后，执行客户端的文件上传请求，最后向客户端发送文件链接信息，所以若客户端没有付款，则收不到存储文件的任何信息，上传也就无意义；

情况2：由于付款过程是以智能合约形式进行的，客户端可对支付信息进行追溯；若客户端发现云存储服务器出现恶意情况，可向云存储服务器进行申诉，云存储服务器及时处理客户端申诉，并返回文件链接信息以及收据；若客户端仍未收到服务器返回文件链接信息，通过发布fine交易获得服务器端的预先存款。

步骤4具体如下：

客户端ID_t首先向云存储服务器S-CSP发送一个包含身份和文件链接指针的请求，一旦收到请求后，S-CSP将检查客户端ID_t是否有资格下载文件F，具体地，S-CSP将请求中的身份信息及文件信息与文件存储系统中已有的存储信息进行比对，如果失败，S-CSP将向客户端ID_t发送一个中止信号，显示下载失败，否则，S-CSP返回相应的数据，一旦客户端ID_t从S-CSP接收数据后，客户端使用收敛密钥K解密数据并恢复原始文件；

在协议中，假设区块链系统包含足够多的诚实的矿工，其中51％的攻击是不可用的，区块链是一个安全的环境，它有足够的带宽防止拒绝服务攻击，对于恶意情况，智能合约预设了惩罚交易，以获得惩罚金；

对于不公平上传攻击以及合谋攻击，云存储服务器会标记恶意客户端到数据库中，若达到一定次数，则将其移除系统授权用户集合；

一个阻止客户端重入攻击的方法是链接客户端的IP地址作为其唯一的身份识别；在协议中，区块链是一个安全的环境，客户端的数量是可伸缩的，只有经过授权的客户端才能使用系统进行付款。

本发明的有益效果是，云存储中重复数据可删除的基于区块链的公平支付方法，使用以太坊智能合约技术在区块链网络中进行代币转移实现去中心化，并且通过在智能合约中预存惩罚金的形式，来解决双方恶意情况下公平支付的问题。通过与现有方案相比较，本发明方法具有较好的算法安全性，尤其是在客户端发现云存储服务器出现恶意情况，且向云存储服务器申诉失败时，客户端可通过发布fine交易获得服务器端的预先存款，支付公平性提高。同时本发明是适合去中心化环境的，客户端和云存储服务提供者无需可信第三方就可以直接进行交易。更重要的是客户端和云存储服务提供者利用以太坊智能合约进行代币的转移与支付，每一次的合约调用都被记录在区块链上。通过区块链网络，支付是不可篡改的，透明、公开可查看的。本发明解决了传统的电子现金系统中存在的支付瓶颈及支付安全性问题，使得交易双方在无需可信第三方就可直接进行交易的同时，实现了双方的公平支付。

附图说明

图1是本发明一种基于区块链的重复数据可删除的云存储系统中公平支付协议系统模型图；

图2是本发明一种云存储系统中安全的重复数据删除流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

云存储中重复数据可删除的基于区块链的公平支付方法，结合图1～图2，具体按照以下步骤实施：

步骤1、系统初始化；

步骤1具体如下：系统建立阶段初始化方案所需的参数：

步骤1.1、系统初始化选择一个收敛加密方案(KG,Enc,Dec,Tag)，KG表示密钥生成算法，Enc表示加密算法，Dec表示文件解密算法，Tag表示文件标签，收敛加密方案用于加密客户端数据并在云服务器上进行重复数据删除；云重复数据删除支付系统采用的收敛加密方案具体如下：首先，选定一个哈希函数h，对于文件F，令收敛密钥K等于文件F的哈希，即K＝h(M)；密文C等于使用收敛密钥K对文件F进行加密，即C＝Enc(K,M)；文件标签Tag等于对密文C进行哈希，即Tag＝h(C)；

步骤1.2、客户端初始化如下的所有权证明(Proof of Ownership)POW算法，具体地，选定抗碰撞哈希函数H和纠删编码E:{0,1}^M→{0,1}^M′，指定Merkle树的叶子大小b＝256；用以向云存储服务器S-CSP证明，客户端拥有已存储在云存储服务器上的文件；

步骤1.3、云存储服务器S-CSP初始化公私密钥对(pk_S-CSP,sk_S-CSP)，向网络中所有客户端发布公钥pk_S-CSP，保密私钥sk_S-CSP；

步骤1.4、初始化快速存储系统，用于存储tags表TAB(tag,link)，进行有效的重复检查；用于存储用户信息表μTAB(tag,num,user(ID,time,state))，进行有效的重复率检查；初始化文件存储系统，用于存储加密数据副本，即文件密文C；

其中，TAB表中tag代表文件标签，link存储相应文件地址；在μTAB表里，tag如上所述，num表示共享相同tag的用户数量，user指用户信息，其中ID指用户身份，time记录用户上传文件的时间，state标记用户文件上传的状态，以表示此次文件上传的成功与否；若客户端想要存储文件并向云存储服务器S-CSP执行查询，S-CSP将存储该条记录到μTAB表中，将state置为0；如果S-CSP对该记录做出确认回应，即，文件存储成功，则关于此用户的状态为1；如果S-CSP对该记录做出删除回应，即，文件存储失败，则关于此用户的状态将被标记为-1；

步骤1.5、文件存储系统初始化为NULL，如果云存储服务器S-CSP必须为不同的客户端提供不同的link，则必须在TAB表中添加用户标识项；

步骤1.6、在以太坊中，客户端ID_t和云存储服务器S-CSP分别创建以太坊账户ClientAccount，ServerAccount,以便之后的工作；

步骤1.7、在系统初始化阶段，构建智能合约时候，为使支付系统更加安全、完善，引入云存储服务器S-CSP合约ServerContract；S-CSP严格限制支付系统中用户的进入，采用授权用户集authorizeClients[newClientAddress]的形式；云存储服务器S-CSP可以通过合约的相关功能接口添加、修改、删除用户。(详见算法3、算法4)；

步骤1.8、为保证系统的支付公平性，在服务器S-CSP合约ServerContract中预设惩罚金(fine)交易，若服务器出现恶意情况且客户端申诉失败，则客户端可发起惩罚金(fine)交易，获得惩罚金。(详见算法5)

步骤2、文件上传；

步骤2具体如下：

假定客户端ID_t上传文件是F，那么，在文件上传阶段：

步骤2.1、一旦输入文件F，客户端ID_t计算并发送文件标签Tag(M)＝TG(C)到云存储服务器S-CSP；S-CSP检查是否有相同的文件标签tag在μTAB表中；S-CSP存储对于客户端ID_t记录，将state置为0；

步骤2.2、考虑公共重复数据删除(而不是单个用户数据之间的私有重复数据删除)，并假设用户总是将不同的数据上传到云中；一旦接收到文件标签Tag(M)，云存储服务器S-CSP验证是否存在相同的文件标签；如果存在相同文件标签，则S-CSP回应客户端“文件重复”，否则，“没有文件重复”。同时，S-CSP针对文件是否重复，向客户端返回不同的应付款，即上传“文件重复”，应付款项b₁；上传“文件未重复”，应付款项b₂，这里b₁＜b₂；

在云存储服务器S-CSP确认收到来自客户端付款后，S-CSP执行文件上传；如果客户端收到的响应是“没有文件重复”，则客户端上传唯一加密文件和文件标签到云存储服务器S-CSP；并且，S-CSP返回对客户端ID_t身份ID签名的σ，和指向存储在link字段中相应文件地址的文件链接指针L；

如果客户端收到的响应是“文件重复”，则客户端运行所有权证明(Proof ofOwnership)POW算法，以证明它实际上拥有存储在S-CSP上的相同文件F；

如果所有权证明(Proof of Ownership)POW通过，那么S-CSP仅返回对客户端ID_t的签名σ和文件的链接指针L到客户端，并且没有进一步信息需要上传，基于此，S-CSP将改变客户端ID_t的state为1；若POW失败，S-CSP中止上传操作。

步骤3.支付阶段；

步骤3具体如下：

在系统初始化阶段，客户端ID_t和云存储服务器S-CSP均在以太坊中建立自己账户并部署相应的智能合约；当客户端发送上传文件请求到云存储服务器S-CSP时，S-CSP根据是否存在相同的文件，向客户端返回不同的应付款；客户端通过调用智能合约中的方法transfer(address_to,uint256_value)进行代币转移，即支付，其中交易详细信息在交易收据receipt中，其中，address_to表示接收方的以太坊地址，uint256_value代表转移的代币数量；交易收据receipt包括客户端地址ClientAddress，服务器地址ServerAddress，应付金额，交易号TxId：交易哈希receipt.getTransactionHash()，区块哈希receipt.getBlockHash()，花费的gas(receipt.getGasUsed())；客户端可使用交易号TxId对每笔付款进行追溯；云存储服务器S-CSP获得支付交易号TxId；在确认收到付款后，将交易收据receipt发送到客户端，详细的支付流程阐述如下：

(1)在支付之前，系统首先检查客户端ID_t的以太坊地址ClientAddress是否有足够的资金，若有的话，部署合约到以太坊区块链；否则，抛出异常(详见下面的算法1)。其中，应付款duePayment来自云存储服务器返回给客户端应付款；

(2)客户端发起支付，在检查到有足够资金后，创建智能合约ClientContract并部署到以太坊区块链中，通过调用智能合约中的方法transfer(address_to,uint256_value)进行代币转移以进行支付(详见下面的算法8)，其中，address_to表示接收方的以太坊地址，uint256_value代表转移的代币数量；

(3)云存储服务器S-CSP获得支付交易号TxId；在确认收到付款后，将交易收据receipt发送到客户端；交易收据receipt中交易号TxId：交易哈希receipt.getTransactionHash()，区块哈希receipt.getBlockHash()，花费的gas(receipt.getGasUsed())，通过算法2获得；

在系统中，考虑两种特殊情况：第一种情况是，客户端是恶意的，因为在接收到云存储服务器的付款要求后，并没有付款；第二种情况是，云存储服务器端不完全可信，在收到客户端付款后，没有返回文件链接信息以及收据；

情况1：支付方案要求客户端首先进行付款，然后云存储服务器在确认收到付款后，执行客户端的文件上传请求，最后向客户端发送文件链接信息，所以若客户端没有付款，则收不到存储文件的任何信息，上传也就无意义；

情况2：由于付款过程是以智能合约形式进行的，客户端可对支付信息进行追溯；若客户端发现云存储服务器出现恶意情况，可向云存储服务器进行申诉，云存储服务器及时处理客户端申诉，并返回文件链接信息以及收据；若客户端仍未收到服务器返回文件链接信息，通过发布fine交易获得服务器端的预先存款。

步骤4.文件下载，步骤4具体如下：

客户端ID_t首先向云存储服务器S-CSP发送一个包含身份和文件链接指针的请求，一旦收到请求后，S-CSP将检查客户端ID_t是否有资格下载文件F，具体地，S-CSP将请求中的身份信息及文件信息与文件存储系统中已有的存储信息进行比对，如果失败，S-CSP将向客户端ID_t发送一个中止信号，显示下载失败，否则，S-CSP返回相应的数据，一旦客户端ID_t从S-CSP接收数据后，客户端使用收敛密钥K解密数据并恢复原始文件；

注意1：在协议中，假设区块链系统包含足够多的诚实的矿工，其中51％的攻击是不可用的，区块链是一个安全的环境，它有足够的带宽防止拒绝服务攻击，对于恶意情况，智能合约预设了惩罚交易，以获得惩罚金；

注意2：对于不公平上传攻击以及合谋攻击，云存储服务器会标记恶意客户端到数据库中，若达到一定次数，则将其移除系统授权用户集合；

注意3：一个阻止客户端重入攻击的方法是链接客户端的IP地址作为其唯一的身份识别；在协议中，区块链是一个安全的环境，客户端的数量是可伸缩的，只有经过授权的客户端才能使用系统进行付款。

本发明中所使用的智能合约相关接口和算法逻辑，以太坊智能合约由solidity语言编写，全局命名空间中始终存在一些特殊的变量和函数，主要用于提供有关区块链的信息。在这里，主要使用以下特殊变量：

msg.sender：消息或交易(当前调用)的发送方。部署智能合约时，它是合约创建者的地址，调用智能合约时，它是智能合约调用者的地址。

msg.value：发送的消息中wei的数量。1ether＝10¹⁸wei。对于后续的使用，使用$msg.value表示附加到消息中wei的数量，$value表示固定的wei的数量。

服务器合约：合约由云存储服务器S-CSP部署，并且称之为服务器合约ServerContract。

服务器合约初始化：这个过程在创建合约时定义了合约的一些变量。

(1)地址类型的云存储服务器S-CSP变量，定义了S-CSP的地址。

(2)映射类型的授权用户authorizeClients变量，定义了从授权用户地址到bool值的映射集合。云存储服务器S-CSP可以通过合同的相关功能接口添加、修改、删除集合。

在这里，智能合约ServerContract是由云存储服务器S-CSP创建并部署，主要提供以下几个函数接口：

1、addClient(newClientAddress)：函数仅能被合约创建者(S-CSP)执行，其中newClientAddress代表新客户端的以太坊地址。每次客户端向S-CSP发送一个注册请求和他的身份证书(这可以通过一个安全的通道来完成)，在验证了客户端身份之后，客户端的外部拥有账户EOA就通过这个函数得到了授权。(详见算法3)

2、removeClient(oldClientAddress)：函数仅能被合约创建者S-CSP执行，其中oldClientAddress代表需要移除客户端的以太坊地址。当S-CSP需要移除客户端时，通过将客户端的外部拥有账户EOA传递给函数，将客户端从授权集中删除。(详见算法4)

3、fine(client,fixedValue,startTime,daysAfter)：函数由云存储服务器S-CSP创建部署，但仅能被客户端执行。其中client代表客户端，fixedValue为惩罚金，startTime为申诉起始时间，daysAfter为设定的一个时间段。当客户端发现S-CSP出现恶意情况，客户端将在时间daysAfter之后发起惩罚交易，得到S-CSP的惩罚金(详见算法5)。其中，惩罚金fixedValue设置为固定值。

4、withdraw()：函数仅能被合约创建者S-CSP执行，以便S-CSP能够随时提取合约账户余额。(详见算法6)

客户端合约：合约由客户端ID_t部署，并且称之为客户端合约ClientContract。

客户端合约初始化：这个过程在创建合约时定义了合约的一些变量。

(1)地址类型的客户端ID_t变量，它定义了客户端的地址。

(2)映射类型的用户余额balances变量，它定义了从用户地址到uint256值的映射集合。用于描述云存储服务器和客户端双方钱包金额的变化。

客户端合约主要提供了以下几个函数接口：

5、deposit(value)：函数用来存储ether到客户端合约。智能合约余额用于客户端的付款功能。(详见算法7)

6、transfer(_to,_value)：用于向云存储服务器S-CSP进行支付。(详见算法8)

在某些情况下，合约创建者需要终止智能合约获得合约中的以太币，就需要调用自毁方法selfdestruct(Address)。当合约被selfdestruct()后，如果再有人发送以太币到这个合约地址，那么这些以太币再也不能赎回了，会就此消失。因此，本文智能合约不能轻易执行自毁合约方法，以免造成经济损失。

为了验证本发明在提供去中心化的交易时，实现了双方交易的公平支付，实现了一个原型。实验平台为Intel(R)Core(TM)i5-3230 CPU@2.6GHz处理器和4GB内存,系统为ubuntu 16.04LTS。开发软件为eclipse4.3和Solidity IDE：Remix(基于浏览器的编译器)，算法采用Java和solidity实现。

考虑到目前代币的应用流通广泛的特性，本实验使用ERC20标准产生代币和以太币分别进行测试。智能合约被编译并部署在以太坊网络的测试网络Rinkeby上。接下来分析智能合约的创建和执行功能的成本，可以用来检验公平支付协议的性能。首先，在2019年四月份，1ether≈160USD，并设定1gasPrice≈1Gwei，1Gwei＝10⁹wei＝10^-9ether。

实验工作是通过使用本发明提出的改进算法，分析其智能合约的创建和执行功能的成本，来验证算法的可行性。

表1 智能合约成本花费(1gasprice＝1Gwei，1ether＝160USD)

(1)算法性能评估实验：

表1列出了智能合约的一些操作的成本，这些操作的多次执行成本几乎没有变化。云存储服务器S-CSP的智能合约创建操作只创建一次，消耗662390gas，成本约为0.11美元。每个客户端的智能合约创建操作分别只创建一次，消耗763098gas，成本约为0.12美元。当云存储服务器S-CSP添加授权客户端时，执行addClient操作，需要成本大约0.007美元；当云存储服务器S-CSP移除授权客户端时，执行removeClient操作，需要成本大约0.008美元；客户端收到云存储服务器S-CSP付款请求时，执行transfer操作，需要成本大约0.008美元；当客户端发现云存储服务器S-CSP出现恶意情况且申诉失败，在时间daysAfter之后，执行fine操作，需要成本大约0.008美元。这些成本是基于在区块链上部署的原型，并且使用优化的代码可以降低成本。如果这些功能的输入的大小是最小的，那么成本也可以进一步降低。

(2)算法性能分析：

本节，我们比较我们的协议和最近提出协议的性能。表2显示三个方案之间的比较。首先，三个方案都是讨论云服务下的支付问题。其次，我们的方案基于区块链系统不需要可信的第三方货币系统(银行)，所有其他方案都需要一个货币系统进行支付交易。然而，第三方货币系统存在瓶颈。如果系统中交易负载过重，会导致支付交易失败情况，那么第三方货币系统便不可能完成任务。最后，我们的方案实现可审计性安全需求。当客户端发现云存储服务器出现恶意情况，且在一定时间申诉不成功，则可发起云存储服务器预设在智能合约里fine交易，进而，获得惩罚金。

表2 三个方案之间比较

方案	机密性	可验证性	公平性	没有第三方	可审计性
						Chen	yes	yes	yes	no	no
Miao	yes	yes	no	no	no
						Our protocol	yes	yes	yes	yes	yes

(3)算法安全分析：

算法结合Ethereum区块链、云重复数据删除系统、支付机制和智能合约技术，实现了传统云存储系统中数据存储与支付的优势。通过以太坊的智能合约技术改造了传统的云重复数据删除系统的支付方案，不再依靠第三方，而是通过智能合约技术来实现客户端节点与云存储服务器节点之间的支付交互。在本节中，我们将讨论此算法的优势、安全性和隐私。

结论1：我们的算法实现支付公平性。

证明：在传统的方案中，我们需要依赖可信的第三方进行相应地支付。然而，云存储服务器可能会返回错误的结果或不返回结果以节省资源等，此时，客户端需要向第三方获取支付凭证，进而进行申诉等，导致客户端资源、时间的浪费。在本文中，我们提出了通过智能合约来保证支付过程公平性的算法。智能合约可以根据预定义的逻辑诚实地执行支付操作，并返回相应的结果。

首先由客户端进行支付，在服务器确认收到来自客户端付款时，服务器才将文件链接信息发给客户端，此举，抵制客户端恶意情况；然后，由于支付方案的透明性、可追溯性，降低服务器端不诚实情况。因此，实现支付双方的公平性。

结论2：算法实现支付完整性。

证明：在正常情况下，客户端和云存储服务器S-CSP执行协议时，云存储服务器S-CSP将获得相应付款ether/token，客户端接收文件链接信息和收据。

结论3：算法实现可审计性。

证明：当客户端出现恶意情况，客户端向云存储服务器发送文件，却不进行付款。由于我们的支付系统设置，若客户端不付款，则服务器不会发送文件链接信息等，即，客户端得不到任何结果。故，我们主要讨论云存储服务器出现恶意情况。这里，设置三个时间节点，付款最终时间t₁，客户端收到结果最终时间t₂，申诉最终时间t₃，其中，t₁＜t₂＜t₃。若在时间t₂，客户端仍未收到来自云存储服务器返回结果，则进入申诉阶段，要求云存储服务器返回结果。若云存储服务器返回结果且客户端验证正确，则交易结束；否则，到最终时间t₃，客户端发起fine交易，获得云存储服务器端的惩罚金。

结论4：算法实现身份验证。

证明：本系统中，只有授权客户端能够使用支付系统向云存储服务器进行付款。

本发明为重复数据可删除的云存储系统实现了公平支付，并通过以太坊区块链技术实现去中心化，通过在智能合约中预存惩罚金形式保证公平支付，避免了因为双方恶意情况引起的支付不公平问题，及现有技术下存在的支付瓶颈问题。测试结果表明，本方法相对于传统的依赖可信第三方的云存储系统支付算法具有较好的可用性，尤其是在去中心化且实现公平支付情况下，智能合约花费成本较低，这对于云存储系统中支付算法具有更好的实际意义。

本发明基于区块链的重复数据可删除的云存储系统中公平支付协议，可以运行于去中心化环境中，通过智能合约技术在以太坊区块链网络中预设惩罚金，可以有效提高传统支付机制下支付安全问题，使得虽然增加了智能合约部署执行的成本，而算法的安全和性能分析显示算法可以有效解决传统支付机制下支付安全及支付瓶颈问题。

Claims (5)

1.云存储中重复数据可删除的基于区块链的公平支付方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1.系统初始化；

步骤2.文件上传；

步骤3.支付阶段；

步骤4.文件下载。

2.根据权利要求1所述的云存储中重复数据可删除的基于区块链的公平支付方法，其特征在于，所述步骤1具体如下：系统建立阶段初始化方案所需的参数：

步骤1.1、系统初始化选择一个收敛加密方案(KG,Enc,Dec,Tag)，KG表示密钥生成算法，Enc表示加密算法，Dec表示文件解密算法，Tag表示文件标签，收敛加密方案用于加密客户端数据并在云服务器上进行重复数据删除；云重复数据删除支付系统采用的收敛加密方案具体如下：首先，选定一个哈希函数h，对于文件F，令收敛密钥K等于文件F的哈希，即K＝h(M)；密文C等于使用收敛密钥K对文件F进行加密，即C＝Enc(K,M)；文件标签Tag等于对密文C进行哈希，即Tag＝h(C)；

步骤1.2、客户端初始化如下的所有权证明POW算法，具体地，选定抗碰撞哈希函数H和纠删编码E:{0,1}^M→{0,1}^M′，指定Merkle树的叶子大小b＝256；用以向云存储服务器S-CSP证明，客户端拥有已存储在云存储服务器上的文件；

步骤1.3、云存储服务器S-CSP初始化公私密钥对(pk_S-CSP,sk_S-CSP)，向网络中所有客户端发布公钥pk_S-CSP，保密私钥sk_S-CSP；

步骤1.4、初始化快速存储系统，用于存储tags表TAB(tag,link)，进行有效的重复检查；用于存储用户信息表μTAB(tag,num,user(ID,time,state))，进行有效的重复率检查；初始化文件存储系统，用于存储加密数据副本，即文件密文C；

其中，TAB表中tag代表文件标签，link存储相应文件地址；在μTAB表里，tag如上所述，num表示共享相同tag的用户数量，user指用户信息，其中ID指用户身份，time记录用户上传文件的时间，state标记用户文件上传的状态，以表示此次文件上传的成功与否；若客户端想要存储文件并向云存储服务器S-CSP执行查询，S-CSP将存储该条记录到μTAB表中，将state置为0；如果S-CSP对该记录做出确认回应，即，文件存储成功，则关于此用户的状态为1；如果S-CSP对该记录做出删除回应，即，文件存储失败，则关于此用户的状态将被标记为-1；

步骤1.5、文件存储系统初始化为NULL，如果云存储服务器S-CSP必须为不同的客户端提供不同的link，则必须在TAB表中添加用户标识项；

步骤1.6、在以太坊中，客户端ID_t和云存储服务器S-CSP分别创建以太坊账户ClientAccount，ServerAccount,以便之后的工作；

步骤1.7、在系统初始化阶段，构建智能合约时候，为使支付系统更加安全、完善，引入云存储服务器S-CSP合约ServerContract；S-CSP严格限制支付系统中用户的进入，采用授权用户集authorizeClients[newClientAddress]的形式；云存储服务器S-CSP可以通过合约的相关功能接口添加、修改、删除用户；

步骤1.8、为保证系统的支付公平性，在服务器S-CSP合约ServerContract中预设惩罚金交易，若服务器出现恶意情况且客户端申诉失败，则客户端可发起惩罚金交易，获得惩罚金。

3.根据权利要求2所述的云存储中重复数据可删除的基于区块链的公平支付方法，其特征在于，所述步骤2具体如下：

假定客户端ID_t上传文件是F，那么，在文件上传阶段：

步骤2.1、一旦输入文件F，客户端ID_t计算并发送文件标签Tag(M)＝TG(C)到云存储服务器S-CSP；S-CSP检查是否有相同的文件标签tag在μTAB表中；S-CSP存储对于客户端ID_t记录，将state置为0；

步骤2.2、考虑公共重复数据删除，并假设用户总是将不同的数据上传到云中；一旦接收到文件标签Tag(M)，云存储服务器S-CSP验证是否存在相同的文件标签；如果存在相同文件标签，则S-CSP回应客户端“文件重复”，否则，“没有文件重复”。同时，S-CSP针对文件是否重复，向客户端返回不同的应付款，即上传“文件重复”，应付款项b₁；上传“文件未重复”，应付款项b₂，这里b₁＜b₂；

在云存储服务器S-CSP确认收到来自客户端付款后，S-CSP执行文件上传；如果客户端收到的响应是“没有文件重复”，则客户端上传唯一加密文件和文件标签到云存储服务器S-CSP；并且，S-CSP返回对客户端ID_t身份ID签名的σ，和指向存储在link字段中相应文件地址的文件链接指针L；

如果客户端收到的响应是“文件重复”，则客户端运行所有权证明POW算法，以证明它实际上拥有存储在S-CSP上的相同文件F；

如果所有权证明POW通过，那么S-CSP仅返回对客户端ID_t的签名σ和文件的链接指针L到客户端，并且没有进一步信息需要上传，基于此，S-CSP将改变客户端ID_t的state为1；若POW失败，S-CSP中止上传操作。

4.根据权利要求3所述的云存储中重复数据可删除的基于区块链的公平支付方法，其特征在于，所述步骤3具体如下：

在系统初始化阶段，客户端ID_t和云存储服务器S-CSP均在以太坊中建立自己账户并部署相应的智能合约；当客户端发送上传文件请求到云存储服务器S-CSP时，S-CSP根据是否存在相同的文件，向客户端返回不同的应付款；客户端通过调用智能合约中的方法transfer(address_to,uint256_value)进行代币转移，即支付，其中交易详细信息在交易收据receipt中，其中，address_to表示接收方的以太坊地址，uint256_value代表转移的代币数量；交易收据receipt包括客户端地址ClientAddress，服务器地址ServerAddress，应付金额，交易号TxId：交易哈希receipt.getTransactionHash()，区块哈希receipt.getBlockHash()，花费的gas(receipt.getGasUsed())；客户端可使用交易号TxId对每笔付款进行追溯；云存储服务器S-CSP获得支付交易号TxId；在确认收到付款后，将交易收据receipt发送到客户端，详细的支付流程阐述如下：

(1)在支付之前，系统首先检查客户端ID_t的以太坊地址ClientAddress是否有足够的资金，若有的话，部署合约到以太坊区块链；否则，抛出异常，其中，应付款duePayment来自云存储服务器返回给客户端应付款；

(2)客户端发起支付，在检查到有足够资金后，创建智能合约ClientContract并部署到以太坊区块链中，通过调用智能合约中的方法transfer(address_to,uint256_value)进行代币转移以进行支付，其中，address_to表示接收方的以太坊地址，uint256_value代表转移的代币数量；

(3)云存储服务器S-CSP获得支付交易号TxId；在确认收到付款后，将交易收据receipt发送到客户端；

在系统中，考虑两种特殊情况：第一种情况是，客户端是恶意的，因为在接收到云存储服务器的付款要求后，并没有付款；第二种情况是，云存储服务器端不完全可信，在收到客户端付款后，没有返回文件链接信息以及收据；

情况1：支付方案要求客户端首先进行付款，然后云存储服务器在确认收到付款后，执行客户端的文件上传请求，最后向客户端发送文件链接信息，所以若客户端没有付款，则收不到存储文件的任何信息，上传也就无意义；

情况2：由于付款过程是以智能合约形式进行的，客户端可对支付信息进行追溯；若客户端发现云存储服务器出现恶意情况，可向云存储服务器进行申诉，云存储服务器及时处理客户端申诉，并返回文件链接信息以及收据；若客户端仍未收到服务器返回文件链接信息，通过发布fine交易获得服务器端的预先存款。

5.根据权利要求4所述的云存储中重复数据可删除的基于区块链的公平支付方法，其特征在于，所述步骤4具体如下：

客户端ID_t首先向云存储服务器S-CSP发送一个包含身份和文件链接指针的请求，一旦收到请求后，S-CSP将检查客户端ID_t是否有资格下载文件F，具体地，S-CSP将请求中的身份信息及文件信息与文件存储系统中已有的存储信息进行比对，如果失败，S-CSP将向客户端ID_t发送一个中止信号，显示下载失败，否则，S-CSP返回相应的数据，一旦客户端ID_t从S-CSP接收数据后，客户端使用收敛密钥K解密数据并恢复原始文件；

在协议中，假设区块链系统包含足够多的诚实的矿工，其中51％的攻击是不可用的，区块链是一个安全的环境，它有足够的带宽防止拒绝服务攻击，对于恶意情况，智能合约预设了惩罚交易，以获得惩罚金；

对于不公平上传攻击以及合谋攻击，云存储服务器会标记恶意客户端到数据库中，若达到一定次数，则将其移除系统授权用户集合；

一个阻止客户端重入攻击的方法是链接客户端的IP地址作为其唯一的身份识别；在协议中，区块链是一个安全的环境，客户端的数量是可伸缩的，只有经过授权的客户端才能使用系统进行付款。

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