CN114117516A - 一种水冷磁体实验数据的认证方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水冷磁体实验数据的认证方法，其步骤包括：1构建私有区块链网络；2生成水冷磁体实验数据的数据摘要；3对水冷磁体实验数据摘要进行签名并存储到私有区块链；4对m次水冷磁体实验数据摘要进行签名并存储到公有区块链；5水冷磁体实验数据认证的一级验证与二级验证。本发明能够对水冷磁体实验数据实现可靠认证和追溯，有助于确保科研诚信，并构建两级数据可信存证与验证模式，可降低实验数据区块链存证成本。

Description

一种水冷磁体实验数据的认证方法

技术领域

本发明涉及信息安全领域，具体涉及一种水冷磁体实验数据的认证方法。

背景技术

科研实验装置产生的实验数据，是科研机构开展科学实验获取的第一手原始数据。科学 实验数据，是科研活动的原始记录，是科学研究中必不可少的基本要素。有效的科学实验数 据管理、存储、访问有助于实现科研成果验证、共享开放，促进科研创新。稳态强磁场实验 装置(SHMFF)是我国建设的、用于产生强磁场实验条件的重大科学基础设施，不同口径、 磁场强度的系列水冷磁体是其中的重要组成部分。水冷磁体提供了稳态的、超高的磁场强度， 为我国生物、医学、物理、材料等众多基础科学与交叉科学研究领域提供了强磁场极端实验 环境，对于前沿科研产出具有积极推动作用。

科研实验数据的真实性是科研发现、成果发表的重要基石。目前，基于实验数据形成的 论文成果，其审阅者与读者难以对作者的原始实验数据进行追溯、查证。科学实验数据的伪 造、篡改、人为取舍处理等，可能会造成科研不端行为。传统数据管理由于采用中心化管理 方式为主，数据的篡改难以查证，缺乏有效技术手段追溯研制，导致科学研究过程中容易出 现数据造假现象。中国科学报指出，2019年我国学者因实验数据造假等问题被撤稿英文论文 447篇；2019年，《科学》和《自然》杂志同时各撤回一篇英国剑桥大学有关DNA修复过程的 论文，原因是作者数据造假；2020年,《科学诚信文摘》指出400篇医学论文的实验图片数据 高度相似。水冷磁体构建的超高磁场强度实验环境，为不同科研用户单位提供强磁场实验条 件，所形成的实验数据支撑了很多基础科学与交叉科学的研究，保障水冷磁体实验数据的真 实可信具有重要作用及应用价值。

高场强水冷磁体作为一种重要的大科学装置基础设施，有必要通过技术手段提供实验数 据的认证手段，以确保基于磁体实验数据的研究成果具备真实性与可信性。现有数据认证方 法，主要采用数字证书方法，在CA认证机构中心取得颁发的数字证书，并搭建证书服务器 构建PKI系统以提供身份认证、数据认证等功能。采用现有技术实现水冷磁体实验数据存证 的不足在于，取得认证机构颁发的数字证书需要较高的价格；数字证书方式以CA机构为中 心，极度依赖CA中心的权威性和运行的独立安全性，如CA中心遭受网络攻击，其签发的 证书均不具备可信性；无法提供给终端用户便捷可视化的方式，对数据认证进行直观的核验。

发明内容

本发明为克服现有技术存在的不足之处，提供一种水冷磁体实验数据的认证方法，以期 能够可靠实现对水冷磁体实验数据的认证和追溯，有助于确保科研诚信，并构建两级数据可 信存证与验证模式，从而降低实验数据区块链存证成本。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种水冷磁体实验数据的认证方法的特点是应用于由数据采集器、数据存证客户 端、数据验证客户端、私有区块链客户端、公有区块链客户端、私有区块链、公有区块链、 私有IPFS星际文件系统所共同组成的信息化网络环境中；并包括可信存证方法和可信验证方 法；

所述可信存证方法是按如下步骤进行：

步骤1、每个水冷磁体对应一个私有区块链客户端，所有私有区块链客户端共同构建形 成一个私有区块链网络；每个私有区块链客户端持有一对私有区块链公钥PK_priChain和私钥 SK_priChain；所有水冷磁体对应一个公有区块链客户端并接入外部的公有区块链网络，公有客户 端持有一对公有区块链公钥PK_pubChain和私钥SK_pubChain，其中，公钥PK_pubChain对外公开；

步骤2、每个水冷磁体对应一个数据存证客户端，所述数据存证客户端实时监听所述数 据采集器发送的水冷磁体实验数据的采集完毕命令，当监听到所述采集完毕命令时执行以下 操作：

步骤2.1、获取实验数据文件File_exp，并通过Hash算法计算其数据摘要Digest_exp；

步骤2.2、使用私有区块链客户端的私钥SK_priChain对所述数字摘要Digest_exp进行签名，生 成数字签名Sigature_exp；

步骤2.3、以私有区块链客户端公钥PK_priChain的地址为发起方，向所述私有区块链网络发 送一笔区块链交易，并将签名Sigature_exp附在交易信息中；当交易确认完成后，所述私有区 块链网络生成交易哈希TxHash_pri，从而完成签名Sigature_exp在私有区块链网络的存储；

步骤2.4、将实验数据文件File_exp发送到所述私有IPFS文件系统中进行存储，并获取返 回的IPFS文件地址IpfsAddr_exp；

步骤2.5、按照步骤2.1-步骤2.3的过程完成m次水冷磁体的实验数据的数字签名Sigature_1_exp、Sigature_2_exp…Sigature_m_exp以及在所述私有区块链网络的存储后，将m次数 字签名按顺序连接成一个字符串，并计算所述字符串的Hash值；

步骤2.6、使用公有区块链客户端的私钥SK_pubChain对所述字符串的Hash值进行签名，生 成数字签名Sigature_sum；

步骤2.7、以公有区块链客户端公钥PK_pubChain的地址为发起方，向公有区块链网络发送一 笔区块链交易，将所述数字签名Sigature_sum附在交易信息中；当交易确认完成后，所述公有 区块链网络生成交易哈希TxHash_pub，从而完成签名Sigature_sum在公有区块链网络的存储；

步骤2.8、从数据采集器中获取水冷磁体的编号、实验开始时间、实验数据文件信息，并 获取私有区块链的交易哈希TxHash_pri、实验数据的IPFS文件地址IpfsAddr_exp、公有区块链的 交易哈希TxHash_pub，从而生成实验元数据后存储在本地数据库；

所述可信验证方法分为一级验证方法和二级验证方法；

所述一级验证方法按步骤A到步骤D进行，所述二级验证方法按步骤A到步骤G进行：

步骤A、对于本地待验证真实性的水冷磁体实验数据，所述数据验证客户端根据实验时 间、水冷磁体的编号查询获得实验数据的编号、IPFS文件地址IpfsAddr_exp、私有区块链的交 易哈希TxHash_pri；

步骤B、根据IPFS文件地址IpfsAddr_exp获取IPFS星际文件系统存储的实验数据，并与 本地待验证真实性的水冷磁体实验数据进行比较；若实验数据内容相同，则表示本地实验数 据与IPFS星际文件系统存储的实验数据一致，否则，表示本地实验数据或IPFS星际文件系 统存储的实验数据存在篡改；

步骤C、根据私有区块链的交易哈希TxHash_pri，在私有区块链网络中查询所对应交易存 储的水冷磁体实验数据的数字签名Sigature_exp，并通过水冷磁体对应私有区块链客户端的公钥 PK_priChain解开所述数据签名Sigature_exp，得到数据签名解密结果Decrypt_sigature；

步骤D、利用Hash算法计算待验证水冷磁体实验数据的数据摘要，并与所述数据签名解 密结果Decrypt_sigature进行比较；若相同，则表示一级验证通过，否则，表示一级验证不通过；

步骤E、当一级验证通过后，对于本地待验证真实性的水冷磁体实验数据，所述数据验 证客户端根据实验时间、水冷磁体的编号查询获得实验数据的编号、私有区块链的交易哈希 TxHash_pri、公有区块链的交易哈希TxHash_pub；

步骤F、根据公有区块链的交易哈希TxHash_pub，在公有区块链网络查询中所对应交易存 储的水冷磁体实验数据的数字签名Sigature_sum，并通过水冷磁体对应公有区块链客户端的公 钥PK_pubChain解开所述数据签名Sigature_sum，得到数据签名解密结果Decrypt_sigatureSum；

步骤G、本地数据库查询其他包含相同公有区块链的交易哈希TxHash_pub的记录条目，并 获取各记录条目中存储的私有区块链的交易哈希；

根据交易哈希，在私有区块链网络中查询各交易存储的水冷磁体实验数据的数字签名， 并与本地待验证真实性的水冷磁体实验数据的数字签名共同组成字符串后计算其Hash值，再 与所述数据签名解密结果Decrypt_sigatureSum进行比较，若相同，则表示二级验证通过，否则， 表示二级验证不通过。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在于：

1、本发明通过设计一种基于分布式账本及分布式存储技术的数据存证方法，能够为水冷 磁体实验数据提供有效的数据真实性保障，确保了基于水冷磁体实验数据的研究成果具备真 实可信、可验证追溯的特性，为科研诚信构建一种有效的查证技术工具。

2、本发明实现基于私有区块链与公有区块链的两级数据可信存证与验证模式，可降低实 验数据区块链存证成本，同时确保了实验数据存证的有效性；本发明可在水冷磁体实验完成 后第一时间内将实验数据的数字指纹自动上链，确保最原始的记录反映科学实验的即时状态， 减少了数据的人为计算和处理带来的干扰。

3、基于本发明方法，水冷磁体实验数据的所有者可以将数据在区块链的存证地址直接附 在论文等各类成果中，存疑的用户可以通过区块链以及存储系统自行进行查证，验证论文发 表者所使用数据是否为未经过篡改的原始数据；实验数据认证的查验方式在具有便捷性、直 观性的同时，还能够确保认证的权威可信性。

4、本发明方法具有一定普适性，可进一步推广至其他科研仪器设备的实验数据可信管理， 为科学实验数据可信存证及追溯、实验数据的开放共享等提供技术方案，有助于确保科研诚 信，提升了科学实验数据管理效能。

附图说明

图1为本发明的水冷磁体实验数据可信存证方法的时序示意图；

图2为本发明数字签名在私有区块链与公有区块链的上链存储方式示意图；

图3为本发明的水冷磁体实验数据可信验证方法的时序示意图。

具体实施方式

本实施例中，一种水冷磁体实验数据的认证方法，是基于分布式账本及分布式存储技术， 能实现实验数据的可追溯、可查伪。具体的说，是应用于由水冷磁体实验数据采集器、水冷 磁体实验数据存证客户端、水冷磁体实验数据验证客户端、支持智能合约的私有区块链与公 有区块链、私有IPFS星际文件系统所共同组成的信息化网络环境中，并包括可信存证方法和 可信验证方法；

如图1所示，水冷磁体实验数据的可信存证是按如下步骤进行：

步骤1、每个水冷磁体对应运行一个区块链客户端，如Geth，通过构造创始区块、配置 节点参数、启动节点，创建账户等操作，构建形成一个私有Ethereum区块链网络，并保持网 络运行状态，以确保后续数据上链时获得及时确认；每个私有区块链客户端持有一对私有区 块链公钥和私钥(PK_priChain/SK_priChain)；所有水冷磁体对应运行一个区块链客户端Geth，通过 配置RPC地址、同步公网以太坊区块等操作，连接至公网以太坊区块链(Ethereum)网络，客 户端持有一对公有区块链公钥和私钥(PK_pubChain/SK_pubChain)，公钥对外公开，用于水冷磁体 的数据存证检验。

步骤2、每个水冷磁体对应运行一个水冷磁体实验数据存证客户端，监听水冷磁体实验 数据采集器发送的实验数据采集完毕的命令，并执行以下步骤2.1-2.8操作；其中实验数据的 数字签名在私有区块链与公有区块链的上链存储方式如图2所示；

步骤2.1、获取实验数据文件File_exp，并通过Hash算法(如SHA256)计算其数据摘要Digest_exp；

步骤2.2、使用私有区块链客户端的私钥SK_priChain对数字摘要Digest_exp进行签名，生成数 字签名Sigature_exp；

步骤2.3、调用私有区块链客户端，以私有区块链客户端公钥地址为发起方，发送一笔区 块链交易，将签名Sigature_exp附在交易信息中，并获取交易确认完成后生成的交易哈希 TxHash_pri；

步骤2.4、将File_exp发送到私有IPFS系统进行保存，并获取返回的IPFS文件地址IpfsAddr_exp；如实验数据文件具有保密需求，可以加密后再保存于IPFS系统；

步骤2.5、完成m次水冷磁体实验数据签名Sigature_1_exp、Sigature_2_exp…Sigature_m_exp在私有区块链的存储后，将这m次签名按顺序连接成一个字符串，并计算该字符串的Hash 值Hash_sum；

步骤2.6、使用公有区块链客户端的私钥SK_pubChain对步骤2.5生成的Hash_sum进行签名， 生成数字签名Sigature_sum；

步骤2.7、调用公有区块链客户端，以公有区块链客户端公钥地址为发起方，发送一笔区 块链交易，将步骤2.7生成的Hash_sigaturesum附在交易信息中，并获取交易确认完成后生成的交 易哈希TxHash_pub；

步骤2.8、获取水冷磁体编号、实验开始时间、实验用户信息，实验数据文件信息，私有 区块链交易哈希、实验数据IPFS地址、公有区块链交易哈希，生成实验元数据存储在本地数 据库。如采用json格式构建实验元数据结构，示例如下：

水冷磁体实验数据的可信验证时序如图3所示，具体可以分为一级验证，二级验证；一 级验证可以确保待验证实验数据与私有区块链上链数据一致；二级验证可以确保待验证实验 数据与公有区块链上链数据一致；一级验证按步骤1、2、3、4进行，二级验证按步骤5、6、 7进行：

步骤1、对于待验证真实性的水冷磁体实验数据，水冷磁体实验数据验证客户端根据实 验时间、水冷磁体编号查询获得实验数据编号，IPFS存储地址IpfsAddr_exp、私有区块链交易 哈希TxHash_pri；

步骤2、根据IPFS存储地址IpfsAddr_exp获取IPFS系统存储的实验数据，与待验证真实 性的水冷磁体实验数据比较；如不同，则表明待验证水冷磁体实验数据真实可靠性存疑；如 相同，则表明待验证水冷磁体实验数据与IPFS系统存储的数据相同，但由于IPFS系统存在 被篡改的可能性，需要进一步对比私有链存储的信息；

步骤3、根据私有区块链交易哈希TxHash_pri，在私有区块链中查询所对应交易存储的水 冷磁体实验数据签名Sigature_exp；并通过水冷磁体对应私有区块链公钥PK_priChain解开该数据签 名，得到Decrypt_sigature；

步骤4、利用步骤2.1中使用的相同Hash算法，计算待验证水冷磁体实验数据的数据摘 要，并与上个步骤获取的Decrypt_sigature比较；如不同，表明待验证水冷磁体实验数据真实可 靠性存疑；如相同，表明水冷磁体实验数据通过一级验证。但由于私有区块链的可靠程度与 公有区块链相比仍有一定差距，对于数据真实性检验有更高要求的场景，可以进行二级验证；

步骤5、当一级验证通过后，对于待验证真实性的水冷磁体实验数据，水冷磁体实验数 据验证客户端根据实验时间、水冷磁体编号查询获得实验数据编号、私有区块链交易哈希 TxHash_pri、公有区块链交易哈希TxHash_pub；

步骤6、根据公有区块链交易哈希TxHash_pub，在公有区块链查询中所对应交易存储的水 冷磁体实验数据签名Sigature_sum；并通过水冷磁体对应公有区块链公钥PK_pubChain解开该数据 签名，得到Decrypt_sigatureSum；

步骤7、本地数据库查询其他具有相同公有区块链交易哈希TxHash_pub记录的条目，获取 各条目中存储的私有区块链交易哈希TxHash_pri，并根据交易哈希，在私有区块链中查询各交 易存储的水冷磁体实验数据签名，与待验证真实性的水冷磁体实验数据签名共同组装成字符 串后，再计算其Hash值，并与上个步骤获取的Decrypt_sigature比较，若相同，则表示二级验证 通过，否则，表示二级验证不通过。

Claims (1)

1.一种水冷磁体实验数据的认证方法，其特征是应用于由数据采集器、数据存证客户端、数据验证客户端、私有区块链客户端、公有区块链客户端、私有区块链、公有区块链、私有IPFS星际文件系统所共同组成的信息化网络环境中；并包括可信存证方法和可信验证方法；

所述可信存证方法是按如下步骤进行：

步骤1、每个水冷磁体对应一个私有区块链客户端，所有私有区块链客户端共同构建形成一个私有区块链网络；每个私有区块链客户端持有一对私有区块链公钥PK_priChain和私钥SK_priChain；所有水冷磁体对应一个公有区块链客户端并接入外部的公有区块链网络，公有客户端持有一对公有区块链公钥PK_pubChain和私钥SK_pubChain，其中，公钥PK_pubChain对外公开；

步骤2、每个水冷磁体对应一个数据存证客户端，所述数据存证客户端实时监听所述数据采集器发送的水冷磁体实验数据的采集完毕命令，当监听到所述采集完毕命令时执行以下操作：

步骤2.1、获取实验数据文件File_exp，并通过Hash算法计算其数据摘要Digest_exp；

步骤2.2、使用私有区块链客户端的私钥SK_priChain对所述数字摘要Digest_exp进行签名，生成数字签名Sigature_exp；

步骤2.3、以私有区块链客户端公钥PK_priChain的地址为发起方，向所述私有区块链网络发送一笔区块链交易，并将签名Sigature_exp附在交易信息中；当交易确认完成后，所述私有区块链网络生成交易哈希TxHash_pri，从而完成签名Sigature_exp在私有区块链网络的存储；

步骤2.4、将实验数据文件File_exp发送到所述私有IPFS文件系统中进行存储，并获取返回的IPFS文件地址IpfsAddr_exp；

步骤2.5、按照步骤2.1-步骤2.3的过程完成m次水冷磁体的实验数据的数字签名Sigature_1_exp、Sigature_2_exp…Sigature_m_exp以及在所述私有区块链网络的存储后，将m次数字签名按顺序连接成一个字符串，并计算所述字符串的Hash值；

步骤2.6、使用公有区块链客户端的私钥SK_pubChain对所述字符串的Hash值进行签名，生成数字签名Sigature_sum；

步骤2.7、以公有区块链客户端公钥PK_pubChain的地址为发起方，向公有区块链网络发送一笔区块链交易，将所述数字签名Sigature_sum附在交易信息中；当交易确认完成后，所述公有区块链网络生成交易哈希TxHash_pub，从而完成签名Sigature_sum在公有区块链网络的存储；

步骤2.8、从数据采集器中获取水冷磁体的编号、实验开始时间、实验数据文件信息，并获取私有区块链的交易哈希TxHash_pri、实验数据的IPFS文件地址IpfsAddr_exp、公有区块链的交易哈希TxHash_pub，从而生成实验元数据后存储在本地数据库；

所述可信验证方法分为一级验证方法和二级验证方法；

所述一级验证方法按步骤A到步骤D进行，所述二级验证方法按步骤A到步骤G进行：

步骤A、对于本地待验证真实性的水冷磁体实验数据，所述数据验证客户端根据实验时间、水冷磁体的编号查询获得实验数据的编号、IPFS文件地址IpfsAddr_exp、私有区块链的交易哈希TxHash_pri；

步骤B、根据IPFS文件地址IpfsAddr_exp获取IPFS星际文件系统存储的实验数据，并与本地待验证真实性的水冷磁体实验数据进行比较；若实验数据内容相同，则表示本地实验数据与IPFS星际文件系统存储的实验数据一致，否则，表示本地实验数据或IPFS星际文件系统存储的实验数据存在篡改；

步骤C、根据私有区块链的交易哈希TxHash_pri，在私有区块链网络中查询所对应交易存储的水冷磁体实验数据的数字签名Sigature_exp，并通过水冷磁体对应私有区块链客户端的公钥PK_priChain解开所述数据签名Sigature_exp，得到数据签名解密结果Decrypt_sigature；

步骤D、利用Hash算法计算待验证水冷磁体实验数据的数据摘要，并与所述数据签名解密结果Decrypt_sigature进行比较；若相同，则表示一级验证通过，否则，表示一级验证不通过；

步骤E、当一级验证通过后，对于本地待验证真实性的水冷磁体实验数据，所述数据验证客户端根据实验时间、水冷磁体的编号查询获得实验数据的编号、私有区块链的交易哈希TxHash_pri、公有区块链的交易哈希TxHash_pub；

步骤F、根据公有区块链的交易哈希TxHash_pub，在公有区块链网络查询中所对应交易存储的水冷磁体实验数据的数字签名Sigature_sum，并通过水冷磁体对应公有区块链客户端的公钥PK_pubChain解开所述数据签名Sigature_sum，得到数据签名解密结果Decrypt_sigatureSum；

步骤G、本地数据库查询其他包含相同公有区块链的交易哈希TxHash_pub的记录条目，并获取各记录条目中存储的私有区块链的交易哈希；

根据交易哈希，在私有区块链网络中查询各交易存储的水冷磁体实验数据的数字签名，并与本地待验证真实性的水冷磁体实验数据的数字签名共同组成字符串后计算其Hash值，再与所述数据签名解密结果Decrypt_sigatureSum进行比较，若相同，则表示二级验证通过，否则，表示二级验证不通过。

Images