CN114338717A - 基于区块链和属性密码学的数字档案管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于区块链和属性签密的数字档案管理系统。本发明数字档案管理系统包括用户、多联盟链、IPFS分布式存储系统，属性签密工具；用户完成对数字档案数据的整体管理及操作；通过服务器完成链间的数据交互；多联盟链，调用智能合约系统，包括数据链与监管链上的智能合约系统，数据链上根据数字档案文件大小分别处理并对数字档案数据的摘要信息进行存储，监管链上对数据链间数据访问行为进行存储；IPFS系统对数字档案原件内容进行存储；属性签密工具对数据进行签密及解签密。本发明可实现对数字档案数据的细粒化访问控制以及对数字档案数据来源验证，并能够确保数字档案安全性、隐私性，确保有效防止信息泄露。

Description

基于区块链和属性密码学的数字档案管理系统

技术领域

本发明属于数字档案管理技术领域，具体涉及基于区块链和属性签密的数字档案管理系统。

背景技术

档案作为一种与人或事件本身紧密相关、携带多维数据的记录，是伴随社会活动而自然形成的。作为一种旨在确保真实性的重要文档记录类型，档案目标在于准确反馈人或物的过往原始情况，因此在很多情况下具有相当程度上的参考意义，而针对档案的存储、处理与共享一直以来也是人们的关注重点。随着计算机技术、云存储技术的高速发展，数据的存储方式在逐渐发生变化，许多传统纸质保存的信息正在逐渐被转化为另一种更为方便快捷的方式存储，即以数字化信息的形式存储。

但是，尽管数字档案相比传统纸质档案尽管查阅效率更高、管理更加便捷等优点，它仍旧存在着一些不可忽视的问题，如：本地中心化存储的数字档案的安全性无法保证、数字档案的隐私性问题及访问控制问题没有得到解决、数字档案的跨机构协同管理与共享无法解决、数字档案的存在性不可伪造难以保证等。

属性签密方案是继属性密码被提出后的一种将签名与加密在一个步骤内完成的属性密码学方案，多属性授权中心的属性签密是属性签密技术的重要分支，可以同时保证消息的保密性及不可伪造性。

区块链现在已经不仅仅局限于数字货币的领域，而有了更多的应用场景。与传统的中心化系统不同，它是一种分布式系统，有着块链式的数据结构。每一个区块都是通过对数据打包后形成的集合，内含数据的全部信息，它也是区块链最基本的单位。利用属性密码学完成对数据保密性及不可伪造性的保证，保证共享同时有效防止信息泄露。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够确保数字档案安全性、隐私性的数字档案管理系统。

本发明提供的数字档案管理系统，是基于区块链和属性密码学技术的，具体包括四部分：IPFS分布式系统，区块链，属性签密工具，以及用户(称为“节点”)；其中：

所述IPFS分布式系统，即星际文件系统，是一个分布式文件管理系统，与传统的文件系统不同，提供了极为有效的文件历史版本回溯功能来防止文件记录的遗失。在IPFS中，用户可以通过哈希值寻址到文件的存储位置，进而实现对数据或文件本身的查阅；用于完成对数字档案原始数据的存储，作为数字档案原件存储平台。

所述区块链，本质上是一个“链式结构”的分布式公共账本，以区块作为基本单位，存储相关的信息与记录；通过联盟链多链结构，使用数据链及监管链用于完成对数字档案摘要及哈希地址的存储和具体的访问申请及访问记录追溯，其中，数据链作为关键信息包括摘要等的存储平台，监管链作为数据访问行为存储平台。在申请所需数据后，由监管链完成向数据链的请求，访问行为存入监管链。

所述属性签密工具，是通过属性签密算法，完成一个步骤内的签名及加密；用于完成对于关键数据的签密上链，以及关键数据的解签密；通过属性签密工具可以支持完成细粒度访问控制及签名合法性验证，使用时首先需要完成全局初始化及属性授权中心初始化，及为用户生成密钥，其中密钥是根据属性集合生成的；签密过程中，根据访问控制策略完成签密，生成对应签密密文；预解密过程中，满足访问控制策略即可生成预解密参数；解签密过程中由预解密参数获得明文消息，及签名认证。

进一步的，在属性签密工具的属性签密方案中，分为六个步骤：全局初始化、属性授权中心初始化、用户密钥生成、签密、预解密以及解签密。属性签密方案的实现操作可以分为前端操作与后端实现部分，其中，前端包括属性申请、密钥生成以及解签密，后端包括属性授权、全局初始化、属性授权中心初始化、用户密钥生成、签密、预解密以及解签密几个部分。

所述用户，作为节点具有自己的属性集合，是数据的拥有者也是数据的申请访问者，完成数字档案的上传与访问；另外，还有监管用户，负责完成属性的相关授权以及管理存储等工作；并且，监管用户还负责完成操作行为的审计工作。

本发明的数字档案管理系统，从数字档案的存储、使用角度，分为数字档案存储模块、数字档案共享模块以及数字档案人员模块；其中，数字档案存储模块涉及到上面所述的IPFS系统以及区块链部分，其中IPFS系统完成对数字档案原始数据的存储，区块链技术中的联盟链的数据链完成对关键内容签密后的上链；数字档案共享模块涉及到上文所述的区块链部分以及属性签密工具以及IPFS系统部分，数字档案共享的交互操作在数据链与监管链间进行，同时获得原始档案数据需要使用属性签密工具来完成对关键内容的解签密，完成签名合法性验证并获取IPFS中的哈希地址；数字档案人员模块则涉及到上文所述的用户，分为普通用户以及监管用户，监管用户又包括普通管理员及安全审计员，各自负责不同的管理内容。数字档案存储模块在存在数字档案新增时，将数字档案存储到IPFS私有集群中，并调用属性签密工具将数字档案地址哈希签密上链；数字档案共享模块在存在数字档案访问请求时，调用监管链智能合约返回数据，数据为签密密文，支持解签密操作，签名为数据提供身份背书；数字档案人员模块涉及系统人员划分，人员模块给予其中用户全局唯一GID，给用户以申请属性集合的权限。

本发明的数字档案管理系统，其工作流程为：

(1)普通用户注册后完成对全局身份GID的申请，完成属性申请，获得属性私钥；

(2)普通用户可以完成数字档案数据上传，通过调用属性签密工具完成数字档案数据的签密，并将其上传至数据链；

(3)普通用户可以完成数字档案数据的访问，通过调用属性签密工具完成对满足自身属性集合的签密密文的解签密，访问数据链上或IPFS系统中数字档案数据，其中，有签名认证；

(4)监管用户为“三员”用户，由权威机构担任，其中，普通管理员完成属性授权、属性私钥发放、属性公钥存储、数字档案分级脱敏关键字及密钥管理

(5)安全审计管理员查看普通用户及系统管理员操作日志，对操作行为进行审计。

本发明系统可实现对数字档案数据的细粒化访问控制以及对数字档案数据的来源验证，并能够确保数字档案安全性、隐私性，保证共享同时有效防止信息泄露。

附图说明

图1为本发明数字档案共享流程示意图。

图2为本发明属性签密方案的系统模型。

图3为本发明的系统流程示意图。

具体实施方式

实施例1

本发明提出的数字档案管理方系统，分为四部分，包括：IPFS分布式系统，区块链，属性签密工具，以及节点(用户)。数字档案管理的多链间的节点交互问题，采用中继的机制进行不同数字档案馆间的数据交互，中继链即作为监管链。一旦某个不在多链架构中的数字档案馆有与其他数字档案馆进行数据共享的需求，则需要先向监管链发出申请，加入到多链系统中。当数字档案馆A有向数字档案馆B的数据访问需求的时候，需要先对监管链发送自己的访问需求。监管链在收到访问申请之后需要先进行数据验证，即先向数字档案馆B的链上数据进行访问，数字档案馆B在接收到来自监管链的访问请求之后，将对应的数据的签密密文返回到监管链的申请节点上，并由监管链节点将数据的签密密文转发给数字档案馆A所在链。如果本次数据的共享访问成功完成，则监管链将对跨链的数据共享的相关信息进行记录，通过将访问记录上链，确保跨链访问其他档案馆的数字档案的过程是可以被追溯的，这也在一定程度上有效地规避了监管数字档案使用行为并进行追溯的困难。通过多链交互完成数字档案数据共享的过程如下图1所示。

在数字档案数据共享的访问控制方法中，尽管通过使用联盟链可以对参与到联盟链中的成员进行控制，但是对于已经加入到联盟链中的每一个成员来说，尽管都可以获得一份完整且公开的账本，但是对于每一个节点来说，它们也并非完全同等，因此并不应能够完全实现对数据内容的解密，同时，对于申请访问数据的节点来说，在对加密数据完成解密的同时，数据内容的真实性也需要通过签名或签章等方式来进行确认与保证。

针对数字档案的细粒度访问控制及验证通过属性签密方案来实现。申请访问节点在获取数字档案数据的签密密文之后，通过属性签密工具对签密密文进行解签密，如果该用户(节点)满足设置的访问控制策略，则可以顺利完成解签密，从而完成对明文数据的访问。同时，由签名为数字档案数据提供相应的身份背书，在一个步骤内完成解密与认证操作。

属性签密算法的流程为：

(1)全局初始化

在全局初始化阶段，主授权中心选取素数阶的循环群G₀和G₁，经过全局初始化，生成全局变量GP。

对于用户来说，可以满足通过哈希函数到Z_P上的对应映射生成用户的身份标识GID，并在注册时生成身份相关的密钥pk_Gid，同时对于各个属性授权中心来说，如果通过主授权中心的身份认证，则会拥有一个独一无二的属性授权中心身份标识AID。

(2)属性授权中心AA初始化

在属性授权中心初始化阶段，假定对于某一个属性授权中心I，它会得到需要管理的属性集合U_i。用户的私钥通过协作形成。系统的主公私钥由中心授权系统完成，计算得到主公钥MPK及主私钥MSK。并可以得到属性授权中心I的公钥APK_AAi,私钥ASK_AAi。

(3)用户密钥生成KeyGen

用户密钥由于设计上分为两部分生成，因此需要先由多个对应的属性授权中心来生成相称的部分属性密钥，用户的属性密钥可以用来完成签名和解签密的功能。首先输入用户身份标识GID并将其告知所有属性授权中心，并输入用户需求申请的属性集合，构造多项式使得零次项为y_K,GID＝F_SK(GID)，则部分私钥计算可得，另一部分的私钥则需要输入系统的MSK和用户身份标识GID，计算得到SK_CA，SK'_CA。令SK_Gid,i＝{SK_k,i,SK_CA,SK’_CA}，即为用户属性对应的属性私钥。

(4)签密Signc

数据签密阶段的执行中，签密者输入明文m、系统全局变量GP，以及相应的LSSS类型控制访问策略T(A,ρ)，其中函数ρ将实现矩阵A每一行到属性的映射，随机选取秘密值s∈Z_P以及v＝(s,r₂,r₃...,r_n)∈Z_P。在构造密文时，得到密文CT_S。

对于密文的签名，输入系统的主公私钥：MPK和MSK，并且输入用户的密钥{SK_ki,SK_CA,SK’_CA}。通过使用签密算法，计算明文m所对应的签名，得到签名的表示。

(5)预解密PreEnc

在预解密阶段，解签密者输入全局变量GP，以及用户所拥有的属性集合S，如果属性集合S中的属性可以满足签密密文所设置的访问策略，即满足控制访问策略T(A,ρ)，则认为可以成功完成输出预解密的参数PNum。

(6)解签密Unsignc

解签密者输入预解密参数PNum、自己的解签密密钥以及所拥有的属性集合S，完成进一步的解签密。解密过程如下：

通过计算得到m＝E/PNum，即完成对于签密密文的解密。随后进行明文消息有效性的验证，来确认签密密文是否来自正确的签密者，如果可以验证下式，即可证明有效性：

解签密的过程可以表示为以下两个部分，即解密与验证部分，具体推导如下所示：

解签密者使用自己所拥有的预解密参数PNum进行对签密密文进行进一步的解密，具体过程如下：

如果明文m的来源可以验证为真，则如下等式可以判断成立：

其中，g为G₀的生成元，α与β任取，属于Z_p，令g₂＝g^β，y_K,GID为零次项，r为随机数，任取属于Z_p。

应用场景的流程为：

(1)普通用户注册后完成对全局身份GID的申请，完成属性申请，获得属性私钥；

(2)普通用户可以完成数字档案数据上传，通过调用属性签密工具完成数字档案相关数据的签密，并将其上传至数据链，数字档案原件于IPFS备份；

(3)普通用户可以完成数字档案数据的访问，通过调用属性签密工具完成对满足自身属性集合的签密密文的解签密，访问数据链上或IPFS系统中数字档案数据，其中，有签名认证；

(4)监管用户为“三员”用户，由权威机构担任，其中，普通管理员完成属性授权、属性私钥发放、属性公钥存储、数字档案分级脱敏关键字及密钥管理

(5)安全审计管理员查看普通用户及系统管理员操作日志，对操作行为进行审计。

Claims (4)

1.一种基于区块链和属性签密的数字档案管理系统，其特征在于，包括四部分：IPFS分布式系统，区块链，属性签密工具，以及用户，称为“节点”；其中：

所述IPFS分布式系统，即星际文件系统，是一个分布式文件管理系统；在IPFS中，用户可以通过哈希值寻址到文件的存储位置，进而实现对数据或文件本身的查阅；用于完成对数字档案原始数据的存储，作为数字档案原件存储平台；

所述区块链，本质上是一个“链式结构”的分布式公共账本，以区块作为基本单位，存储相关的信息与记录；通过联盟链多链结构，使用数据链及监管链用于完成对数字档案摘要及哈希地址的存储和具体的访问申请及访问记录追溯；其中，数据链作为关键信息包括摘要等的存储平台，监管链作为数据访问行为存储平台；在申请所需数据后，由监管链完成向数据链的请求，访问行为存入监管链；

所述属性签密工具，是通过属性签密算法，完成一个步骤内的签名及加密；用于完成对于关键数据的签密上链，以及关键数据的解签密；通过属性签密工具可以支持完成细粒度访问控制及签名合法性验证；使用时首先需要完成全局初始化及属性授权中心初始化，并为用户生成密钥；其中密钥根据属性集合生成；签密过程中，根据访问控制策略完成签密，生成对应签密密文；预解密过程中，满足访问控制策略即可生成预解密参数；解签密过程中由预解密参数获得明文消息，及签名认证；

所述用户，作为节点具有自己的属性集合，是数据的拥有者也是数据的申请访问者，完成数字档案的上传与访问；另外，还有监管用户，负责完成属性的相关授权以及管理存储等工作；并且，监管用户还负责完成操作行为的审计工作。

2.根据权利要求1所述的数字档案管理系统，其特征在于，在属性签密工具的属性签密方案中，分为六个步骤：全局初始化、属性授权中心初始化、用户密钥生成、签密、预解密以及解签密；属性签密方案的实现操作分为前端操作与后端实现部分；其中，前端操作包括属性申请、密钥生成以及解签密，后端实现包括属性授权、全局初始化、属性授权中心初始化、用户密钥生成、签密、预解密以及解签密几个部分。

3.根据权利要求1所述的数字档案管理系统，其特征在于，从数字档案的存储、使用角度，分为数字档案存储模块、数字档案共享模块以及数字档案人员模块；其中：

数字档案存储模块涉及所述的IPFS系统以及区块链部分，其中IPFS系统完成对数字档案原始数据的存储，区块链技术中的联盟链的数据链完成对关键内容签密后的上链；

数字档案共享模块涉及所述的区块链部分以及属性签密工具以及IPFS系统部分，数字档案共享的交互操作在数据链与监管链间进行，同时获得原始档案数据需要使用属性签密工具来完成对关键内容的解签密，完成签名合法性验证并获取IPFS中的哈希地址；

数字档案人员模块涉及所述的用户，分为普通用户以及监管用户，监管用户又包括普通管理员及安全审计员，各自负责不同的管理内容；

数字档案存储模块在存在数字档案新增时，将数字档案存储到IPFS私有集群中，并调用属性签密工具将数字档案地址哈希签密上链；数字档案共享模块在存在数字档案访问请求时，调用监管链智能合约返回数据，数据为签密密文，支持解签密操作，签名为数据提供身份背书；数字档案人员模块涉及系统人员划分，人员模块给予其中用户全局唯一GID，给用户以申请属性集合的权限。

4.根据权利要求1-3之一所述的数字档案管理系统，其特征在于，工作流程为：

(1)普通用户注册后完成对全局身份GID的申请，完成属性申请，获得属性私钥；

(2)普通用户可以完成数字档案数据上传，通过调用属性签密工具完成数字档案数据的签密，并将其上传至数据链；

(3)普通用户可以完成数字档案数据的访问，通过调用属性签密工具完成对满足自身属性集合的签密密文的解签密，访问数据链上或IPFS系统中数字档案数据，其中，有签名认证；

(4)监管用户为“三员”用户，由权威机构担任，其中，普通管理员完成属性授权、属性私钥发放、属性公钥存储、数字档案分级脱敏关键字及密钥管理

(5)安全审计管理员查看普通用户及系统管理员操作日志，对操作行为进行审计。

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