CN116192850A - 一种基于区块链与秘密共享的物联网隐私数据分布式存储方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于区块链与秘密共享的物联网隐私数据分布式存储方法与系统，包括以下步骤：数据收集、秘密共享、链上存证、云端存储和秘密重构。基于云边端协同架构来处理物联网数据，边缘服务器对收集到的有隐私保护需求的物联网数据，使用秘密共享算法将数据切分成若干个数据块，并为每份数据块生成哈希信息，随后调用云服务接口获取存储数据块的地址，然后将数据块的哈希信息及其对应的云端存储地址存到区块链上，最后将数据块信息分布式存储至不同的云服务器中。本发明有效解决了物联网隐私数据在云存储中面临的数据泄露和篡改等问题，有效保护了数据的隐私与完整性。

Description

一种基于区块链与秘密共享的物联网隐私数据分布式存储方 法与系统

技术领域

本发明涉及区块链与数据存储技术领域，特别涉及一种基于区块链与秘密共享的物联网隐私数据分布式存储方法与系统。

背景技术

随着物联网的发展，迅速增长的物联网设备采集了大量的数据，推动着智慧医疗、智能制造和智能交通的快速发展。目前，大规模的物联网数据通常外包给第三方云服务提供商(Cloud Service Provider，CSP)进行存储和计算。但是，云服务提供商是不完全可信的，可能由于自身利益等原因，对存储在云服务器上的隐私数据进行修改和删除，甚至泄露隐私数据，例如，智慧医疗中个人电子健康记录，智能制造中的生产数据等。这些物联网隐私数据存储在云服务器上存在着隐私泄露等问题。因此，研究存储在云端的物联网隐私数据的保护具有重要的意义。

目前，针对云端存储的隐私数据，一般采用加密的方式来保护数据隐私，即在将数据发送到云端之前进行加密，然后以密文形式存储在云端。但是，随着时间的推移，加密可能会变得脆弱，存在着对加密数据的暴力攻击。数据一旦被破解，则全部数据都将泄露。此外，数据存储在某一特定的云服务器上也存在单点故障问题，数据泄露和篡改的风险较大。因此，将隐私数据分布式存储在不同的云服务器中相对于将所有数据存储在特定的云服务器上是更为安全的。本发明利用秘密共享技术将物联网隐私数据拆分为若干个数据块，然后分布式存储到云端。并在需要数据时，通过收集数据块来恢复原始数据。不同于其它数据拆分技术，经秘密共享技术拆分后的少量数据块不能推出原始数据，也无法得到有关原始数据的任何信息，因为云服务器之间通常是互不可信的。因此，通过秘密共享技术将物联网隐私数据进行拆分并分布式存储，能有效保护数据的隐私性。

通过秘密共享技术处理后存储在云服务器上的数据块也面临着篡改的风险，在进行数据重构的时候影响原始数据的恢复。因此，必须对云服务器上存储的数据块的完整性进行保护。区块链是一种具有防篡改和去中心化等特点的分布式账本技术。本发明将数据块的完整性验证信息存储至区块链，保证了存储在云端的数据的完整性。

发明内容

本发明的首要目的是提出一种基于区块链与秘密共享的物联网隐私数据分布式存储方法，采用秘密共享与区块链技术，解决存储在云服务器上的物联网隐私数据的隐私性与完整性问题，提高数据的安全性。

本发明的进一步目的是提供一种基于区块链与秘密共享的物联网隐私数据分布式存储系统。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于区块链与秘密共享的物联网隐私数据分布式存储方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：数据收集，获取物联网设备产生的数据，即将各种物联网设备采集的数据传输到所有者信任域内的边缘服务器；

步骤2：秘密共享，对步骤1获取到的物联网数据进行处理，使用预先初始化好的秘密共享算法将数据切分为若干个数据块；

步骤3：链上存证，对步骤2处理好的数据，边缘服务器应用哈希算法生成每份数据块的哈希信息，并调用云服务接口获得存储数据块的地址，通过向区块链发起数据交易，其中调用存证智能合约，将每一份数据块的哈希信息及其对应的存储地址存到区块链上；

步骤4：云端存储，边缘服务器获将数据块信息分布式存储到不同的云服务器节点；

步骤5：秘密重构，当数据需求者需要数据时，通过向区块链发送数据请求，调用数据查询合约从云服务器请求数据并发送给边缘服务器进行秘密重构，恢复原始数据并返回给数据需求者。

进一步地，步骤2中，秘密共享过程如下：

步骤2.1：选择一个大质数P构造域GF(P)；

步骤2.2：设置秘密共享算法的n与t值，n为需要将数据切分的份数，t为恢复原始数据所需数据份数的阈值；

步骤2.3：随机选择t-1个任意数字，即a₁至a_t-1，并在域GF(P)上构造一个t-1阶的拉格朗日多顶式f(x)＝a₀+a₁x+a₂x²+...+a_t-1x^t-1，其中a₀为物联网数据，记为S；

步骤2.4：在域GF(P)上任意选取n个互异且不为零的x值，计算出n个数据块，S_i＝f(x_i)mod P，i＝1，2，3，...，n。

进一步地，步骤3中，链上存证过程如下：

步骤3.1：边缘服务器应用哈希算法计算每个数据块S_i的哈希信息H_i；

步骤3.2：边缘服务器调用云服务接口获得存储数据块的地址Addr；

步骤3.3：边缘服务器向区块链发起数据交易，具体来说交易数据包括数据块哈希H_i，数据块对应的云端存储地址Addr，数据ID，物联网设备ID，数据所有者DO；

步骤3.4：区块链节点执行存证智能合约，将交易数据存储至链上。

进一步地，步骤4中，云端存储过程如下：

对于n份数据块信息；

步骤4.1：对于获取到的存储地址Addr，将其编号为1至N，且n＝N；

步骤4.2：对于数据块S_i，将其存储至第i个云服务器节点Addr_i中，1≤i≤N。

优选地，每个云服务器节点均做主从备份。

进一步地，步骤5中当数据需求者需要数据时，秘密重构具体流程为：

步骤5.1：数据需求者向边缘服务器发起数据请求，边缘服务器返回键值；

步骤5.2：数据需求者通过键值向区块链查询数据，区块链执行数据验证合约验证云端数据的完整性；

步骤5.3：云端数据验证通过后，调用数据查询合约向云服务器请求数据；

步骤5.4：云服务器向边缘服务器发送k(k≥t)份数据块，调用存证合约将此次数据请求过程上链；

步骤5.5：边缘服务器根据收到的k份数据块，由公式(1)解方程，计算结果，恢复原始数据并发送给数据需求者。

其中，公式(1)基于拉格朗日插值多项式原理，t个点可唯一确定一个t-1阶多项式，并且对于t个点，f(x)是唯一的，收集到大于等于t个数据块即可恢复原始数据S，即{S₁，...，S_t，S_k}→S。

一种基于区块链与秘密共享的物联网隐私数据分布式存储系统，包括：

数据收集模块，所述数据收集模块获取物联网数据；

隐私数据处理模块，所述处理模块包括秘密共享和秘密重构2个部分，对有隐私保护需求的物联网数据，秘密共享部分将数据切分为若干个数据块，秘密重构部分将切分后的多个数据块进行重构，恢复原始数据；

数据存证模块，所述数据存证模块把切分后的每一份数据块的哈希信息及其对应的云端存储地址存储至区块链；

数据分布式存储模块，所述分布式存储模块将秘密共享后的每一份数据块信息存储至不同的云服务器节点中。

相较于现有的技术方案，本发明的有益效果为：

1.本发明利用秘密共享技术，通过将物联网数据切分成多个秘密数据块并存储于不同的云服务器节点，有效保护了物联网数据的隐私性。

2.本发明引入区块链技术，利用区块链的不可篡改、去中心化、信息可追溯等特性，对云端存储的数据块进行验证并将验证结果记录在区块链上，有效保证了数据的完整性以及计算过程的可信度。同时，将云端存储地址上链，方便查找与追溯数据。

3.本发明具有较强的抗攻击性和容错性。即使某些云服务器中的数据被丢失或篡改，也可以通过区块链来恢复并验证原始数据，并且少量的数据块泄露或篡改也不能重构出原始数据。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为本发明的系统架构图。

图3为本发明的系统流程图。

图4为本发明的系统时序图。

图5为本发明的系统模块图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

本实施实例提供一种基于区块链与秘密共享的物联网隐私数据分布式存储方法，图1为本申请实施例所提供的方法流程图，包括：

数据收集：物联网设备将实时数据发送到边缘服务器；

秘密共享：对有隐私保护需求的物联网数据，使用(t，n)secret sharing秘密共享算法将数据切分成若干个数据块；

链上存证：对秘密共享后的数据，边缘服务器应用SHA-256算法生成每个数据块的哈希信息，并调用云服务接口获得存储数据块的地址，通过向区块链发起数据交易，其中调用存证智能合约，将每一份数据块的哈希信息及其对应的存储地址存到区块链上；

云端存储：边缘服务器将数据块信息分布式存储到不同的云服务器节点；

秘密重构：当数据需求者需要数据时，通过向区块链发送数据请求，调用数据查询合约从云服务器请求数据并发送给边缘服务器进行秘密重构，恢复原始数据并返回给数据需求者。

实施例2

基于实施1，本实施例结合系统，其中包括四个实体，分别是物联网设备、边缘服务器、区块链和云服务器，系统架构如图2所示。

结合附图3与附图4，本实施例具体实施流程如下：

步骤1：物联网设备采集数据并封装后上传到本地信任域内的边缘服务器。其中，物联网数据包括数据文件S和元数据信息，元数据信息包括数据所有者DO、数据ID、数据长度和物联网设备ID等信息。

步骤2：边缘服务器提供计算，对获取到的物联网数据文件进行处理，使用预先初始化好的(t，n)secret sharing秘密共享算法将数据切分成若干个数据块。

进一步地，在步骤2中，预先设置秘密共享算法的切分数量n与恢复阈值t，秘密共享计算后的物联网数据包括metaData与S_i，metaData包括数据所有者DO、数据ID、数据长度和物联网设备ID等信息，S_i为物联网数据文件切分后的数据块。

步骤3：对步骤2处理好的数据，边缘服务器对切分后的每一份数据块都会应用SHA-256算法生成数据块的哈希信息H_i，并调用云服务接口获得存储数据块的地址Addr，通过向区块链发起数据交易，其中调用存证智能合约，将每一份数据块的哈希信息及其对应的存储地址存到区块链上。

进一步地，在步骤3中，边缘服务器向区块链发起数据交易，交易数据包括元数据信息metaData、数据块哈希H_i与云端存储地址Addr，区块链节点执行存证智能合约，将元数据信息metaData、云端存储地址Addr与数据块哈希H_i存储至链上。

步骤4：边缘服务器将每一份数据块信息存储至不同的云服务器节点，对于n份数据块信息，存储规则如下：

Step4.1：对于获取到的存储地址Addr，将其编号为1至N，且n＝N；

Step4.2：对于每份数据块S_i，将其存储至第i个云服务器节点Addr_i中，1≤i≤N。

进一步地，每个云服务器节点均做主从备份，以支持集群对数据存储的容灾需要。

步骤5：当数据需求者需要数据时，通过向区块链发送数据请求，调用数据查询合约从云服务器请求数据并发送给边缘服务器进行秘密重构，恢复原始数据并返回给数据需求者。

进一步地，步骤5中具体流程为：

Step5.1：数据需求者向边缘服务器发起数据请求，边缘服务器返回键值；

Step5.2：数据需求者通过键值向区块链查询数据，区块链执行数据验证合约验证云端数据的完整性；

Step5.3：云端数据验证通过后，调用数据查询合约向云服务器请求数据；

Step5.4：云服务器向边缘服务器发送k(k≥t)份数据块，调用存证合约将此次数据请求过程上链；

Step5.5：边缘服务器根据收到的k份数据块，由公式

解方程，计算结果，恢复原始数据并发送给数据需求者。

进一步地，步骤Step5.2中云端数据验证合约验证过程如下：

首先，从密文数据集合{S₁，…，S_i，S_n}中随机挑取c(t<＝n)个块索引{S₁，S₂，…，S_c}，并且为每一个索引S_i应用SHA-256哈希算法生成哈希值Hs；

其次，将两者组合在一起生成挑战请求challenge＝{S_i，Hs}1≤i≤c；

再次，证据生成：GenProof(pk，H，challenge)→P，该算法生成完整性证据P，输入参数包括公钥pk、链上数据块哈希H和挑战请求challenge，返回该次请求的完整性证据P；

最后，证据检测：CheckProof(pk，challenge，P)→(“true”，“false”)，由智能合约运行，对服务器返回的证据P进行判断，输入参数为公钥pk，挑战请求challenge及P，返回验证成功或失败。

进一步地，验证结果会通过区块链发送给数据所有者，同时将本次验证结果记录到区块链上。

实施例3

为了能够表述的更加清楚，本实施例通过数值算例来对数据的秘密共享和重构过程作进一步地描述。

随机选取一个大素数p＝199，构建有限域GF(p)，假设需要共享的物联网秘密数据S＝6。要求在5个参与者之间共享S，并且至少需要3个参与者才能够恢复秘密数据S，即(t,n)门限秘密共享方案中，t＝3，n＝5。

在GF(p)上任意选取5个互异且不为零的x值，假设分别为x1＝1，x2＝2，x3＝4，x4＝6，x5＝8。构造一个t-1阶多项式，并且f(0)＝S，f(x)＝(6+3x+2x2)mod 199。

秘密数据分发过程计算结果如下：

y1＝f(x1)＝11mod 199＝11；

y2＝f(x2)＝20mod 199＝20；

y3＝f(x3)＝50mod 199＝50；

y4＝f(x4)＝96mod 199＝96；

y5＝f(x5)＝158mod 199＝158；

即5组共享的秘密为(1,11)，(2,20)，(4,50)，(6,96)，(8,158)。

任意选择其中3组(1,11)，(2,20)，(6,96)并代入公式F(x)即可恢复原始秘密S。

原始数据为S＝(11×(0-2)×(0-6)×((1-2)×(1-6))-1+20×(0-1)×(0-6)×((2-1)×(2-6))-1+96×(0-1)×(0-2)×((6-1)×(6-2))-1)mod 199＝(26.4-30+9.6)mod199＝6mod 199＝6。

实施例4

本实施实例提供一种基于区块链与秘密共享的物联网隐私数据分布式存储系统，如图5所示，包括：

数据收集模块，所述数据收集模块获取物联网数据；

隐私数据处理模块，所述处理模块包括秘密共享和秘密重构2个部分，对有隐私保护需求的物联网数据，秘密共享部分将数据切分为若干个数据块，秘密重构部分将切分后的多个数据块进行重构，恢复原始数据；

数据存证模块，所述数据存证模块把切分后的每一份数据块的哈希信息及其云端存储地址存储至区块链；

数据分布式存储模块，所述分布式存储模块将秘密共享后的每一份数据块信息存储至不同的云服务器节点中。

以上所述实施例仅是为清楚地说明本发明而作的举例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于区块链与秘密共享的物联网隐私数据分布式存储方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：数据收集，物联网设备将实时数据发送到边缘服务器；

步骤2：秘密共享，对步骤1获取到的有隐私保护需求的物联网数据进行处理，使用秘密共享算法将数据切分为若干个数据块；

步骤3：链上存证，对步骤2处理好的数据，边缘服务器应用哈希算法生成每份数据块的哈希信息，并调用云服务接口获得存储数据块的地址，通过向区块链发起数据交易，其中调用存证智能合约，将每一份数据块的哈希信息及其对应的存储地址存到区块链上；

步骤4：云端存储，边缘服务器将数据块信息分布式存储到不同的云服务器节点；

步骤5：秘密重构，当数据需求者需要数据时，通过向区块链发送数据请求，调用数据查询合约从云服务器请求数据并发送给边缘服务器进行秘密重构，恢复原始数据并返回给数据需求者。

2.如权利要求1所述的一种基于区块链与秘密共享的物联网隐私数据分布式存储方法，其特征在于，步骤2中，秘密共享算法处理过程具体为：

第一步，选择一个大质数P形成域GF(P)；

第二步，设置秘密共享算法的n与t值，n为需要将数据切分的份数，t为恢复原始数据所需数据份数的阈值；

第三步，随机选择t-1个任意数字，即a₁至a_t-1，并在域GF(P)上构造一个t-1阶多项式f(x＝a₀+a₁x+a₂x²+…+a_t-1x^t-1，a₀为物联网数据；

第四步，应用秘密共享算法将数据切分为n份，记为数据块S_i，1≤i≤n。

3.如权利要求1所述的一种基于区块链与秘密共享的物联网隐私数据分布式存储方法，其特征在于，步骤3中链上存证具体如下：

第一步：边缘服务器应用哈希算法生成每份数据块的哈希信息，记为H_i，1≤i≤n；

第二步：边缘服务器调用云服务接口获得存储数据块的地址；

第三步：边缘服务器向区块链发起数据交易，其中调用存证智能合约，将每一份数据块的哈希信息及其对应的存储地址存到区块链上。

4.如权利要求1所述的一种基于区块链与秘密共享的物联网隐私数据分布式存储方法，其特征在于，步骤4中数据云端存储具体如下：

对于n份数据块信息；

第一步，对于获取到的存储地址的数量，记为N，且n＝N；

第二步，对于每份数据块S_i，将其存储至第i个云服务器节点中，1≤i≤N。

5.根据权利要求4所述的基于区块链与秘密共享的物联网隐私数据分布式存储方法，其特征在于，每个云服务器节点均做主从备份。

6.如权利要求1所述的一种基于区块链与秘密共享的物联网隐私数据分布式存储方法，其特征在于，步骤5中，重构原始数据步骤如下：

第一步，数据需求者向边缘服务器发起数据请求，边缘服务器返回键值；

第二步，数据需求者通过键值向区块链查询数据，区块链执行数据验证合约验证云端数据的完整性；

第三步，云端数据验证通过后，调用数据查询合约向云服务器请求数据；

第四步，云服务器向边缘服务器发送数据，调用存证合约将此次数据请求过程上链；

第五步，边缘服务器进行秘密重构，恢复原始数据并发送给数据需求者。

7.一种基于区块链与秘密共享的物联网隐私数据分布式存储系统，其特征在于，包括：

数据收集模块，所述数据收集模块获取物联网数据；

隐私数据处理模块，所述处理模块包括秘密共享和秘密重构2个部分，对有隐私保护需求的物联网数据，秘密共享部分将数据切分为若干个数据块，秘密重构部分将切分后的多个数据块进行重构，恢复原始数据；

数据存证模块，所述数据存证模块把切分后的每一份数据块的哈希信息及其对应的云端存储地址存储至区块链；

数据分布式存储模块，所述分布式存储模块将秘密共享后的每一份数据块信息存储至不同的云服务器节点中。

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