CN117834303A - 一种面向去中心化存储的数据审计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种面向去中心化存储的数据审计方法，属于完整性审计技术领域。包括：将待审计的原始文件分割获得的文件块及文件块签名上传至P2P节点，并将标识信息发送至以太坊智能合约；P2P节点获取以太坊的区块信息并生成第一随机数，将第一随机数与预设阈值比对确认是否入围；入围节点将公钥添加至第一随机数中生成第二随机数，根据第二随机数及文件索引值映射关系选择文件块，获得挑战集合；入围节点基于入围数据块及对应签名，通过待证明问题的证明密钥生成零知识证明；入围节点将挑战集合、零知识证明和随机数集合发送至智能合约进行待证明问题的验证，完成审计。本发明保证了审计的公平性和安全性，提升了审计的效率。

Description

一种面向去中心化存储的数据审计方法

技术领域

本发明涉及数据完整性审计技术领域，尤其涉及一种面向去中心化存储的数据审计方法。

背景技术

随着去中心化互联网（Web3.0）概念的提出，存储和计算范式发生深刻变革，基于区块链的去中心化存储因其安全、公开、去信任等特点被认为是去中心化互联网关键性基础设施。去中心化存储采用链上链下混合架构，使用区块链可信地存储少量元数据，使用点对点（P2P，peer to peer）存储网络存储原始数据，链上链下信息通过数据哈希或签名进行锚定。

可验证性是去中心化存储系统区别于云存储系统的重要标志之一，也是构建安全可靠的存储服务的关键。可验证性要求链下存储的所有数据在链上存有完整性证明，以使得审计者能够利用链上公开信息对链下P2P存储节点展开审计、确认链下数据完整性，这种在链上定期执行的数据完整性审计（on-chain auditing）是确保链下数据可靠性最有效的手段。

远程数据审计(RDA，Remote Data Auditing)的主要思想是在不下载远程文件的情况下执行数据的完整性验证，主要有两种审计模式1）私有验证，即数据所有者负责审计；2）公共验证，即允许由第三方代替用户完成审计过程。然而基于第三方审计者（TPA,Third-Party Auditor）的公开验证审计方案会面临两种问题：1）单点故障，一旦TPA服务器发生物理故障或人为破坏，审计将被暂停或终止，此外，攻击者可能会通过控制TPA来操纵审计过程，这种单点故障是基于TPA固有的且无法解决的；2)审计过程不透明，由于审计是私下进行的，审计过程中的大多数信息，用户和存储提供商无从得知，因此TPA极容易捏造审计结果，例如，在生成挑战集合阶段，如果一些数据故意不被检查，会导致数据被删除或破坏，数据所有者也不会察觉。

因此为避免上述问题，应采取公开透明的去中心化审计方案。当前用户和存储节点大多使用普通硬件设备加入网络，假如链下执行的数据预处理和证明生成过程计算开销过大，将影响用户加入去中心化系统的意愿；另一方面，区块链的存储和计算能力有限，因此链上执行的验证算法应尽可能高效，且链上存储的信息应尽可能少，现存的方案大多无法在高易用的同时保证安全性。

发明内容

本发明旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一，为此，本发明提供一种面向去中心化存储的数据审计方法。

本发明提供一种面向去中心化存储的数据审计方法，包括：

S1：将待审计的原始文件分割获得的文件块及文件块签名上传至P2P节点，并将所述文件块对应的标识信息发送至以太坊中的智能合约；

S2：所述P2P节点获取以太坊的区块信息，并根据所述区块信息生成第一随机数，将所述第一随机数与智能合约预设阈值进行比对以确认入围节点；

S3：P2P节点中被选中的入围节点将公钥添加至所述第一随机数中，生成第二随机数，根据所述第二随机数及所述原始文件中的索引值映射关系选择文件块，获得挑战集合；

S4：所述入围节点基于所述挑战集合包括的被选中的入围数据块及所述入围数据块的签名，通过待证明问题的证明密钥生成零知识证明；

S5：所述入围节点将所述挑战集合、所述零知识证明和包括第一随机数及第二随机数的随机数集合发送至智能合约，智能合约执行待证明问题的验证算法，获得验证结果。

根据本发明提供的一种面向去中心化存储的数据审计方法，步骤S1中的所述标识信息包括所述文件块的用户名及文件标识符。

根据本发明提供的一种面向去中心化存储的数据审计方法，步骤S1中，将待审计的原始文件分割获得的文件块及文件块签名上传至P2P节点的步骤进一步包括：

S11：通过纠删码对所述原始文件进行编码处理及分割处理，获得多个文件块；

S12：对于每个文件块进行BLS签名，获得文件块签名。

根据本发明提供的一种面向去中心化存储的数据审计方法，步骤S12中的所述文件块签名的表达式为：

其中，为BLS哈希函数，/>为群的生成元，/>为第/>个文件块，/>为文件块索引值，为第/>个文件块对应的文件块签名，/>为BLS私钥。

根据本发明提供的一种面向去中心化存储的数据审计方法，步骤S2进一步包括：

S21：所述P2P节点通过API接口获取以太坊区块信息，所述区块信息包括区块头哈希值、时间戳及节点公钥哈希；

S22：根据所述区块信息组建随机种子；

S23：所述P2P节点通过自身私钥对所述随机种子进行加密计算，获得第一随机数。

根据本发明提供的一种面向去中心化存储的数据审计方法，步骤S22中的所述随机种子的表达式为：

其中，为获得的随机种子，/>为区块头哈希值，/>为时间戳，/>为入围节点自身的公钥哈希；

步骤S23中的所述第一随机数的表达式为：

其中，为第一随机数，/>为当前P2P节点的自身私钥。

根据本发明提供的一种面向去中心化存储的数据审计方法，步骤S3中的所述第二随机数的表达式为：

其中，为第二随机数，/>为当前入围节点自身的公钥哈希；

步骤S3中的所述索引值映射关系的表达式为：

其中，为映射法则，/>为第二随机数所有取值对应的集合，/>为数据块对应的索引值集合。

根据本发明提供的一种面向去中心化存储的数据审计方法，步骤S4进一步包括：

S41：将待证明问题转化为算术电路；

S42：通过所述算术电路生成证明密钥、验证密钥；

S43：所述入围节点通过所述证明密钥对所述入围数据块进行证明，获得零知识证明。

根据本发明提供的一种面向去中心化存储的数据审计方法，步骤S41中的所述算术电路的表达式为：

其中，为设定操作，/>为安全参数，/>为获得的算术电路，/>为证明密钥，/>为验证密钥；

步骤S43的零知识证明的表达式为：

其中，为获得的零知识证明，/>为证明操作，/>为公开声明，/>为见证者。

根据本发明提供的一种面向去中心化存储的数据审计方法，步骤S5中所述验证算法的表达式为：

其中，为验证操作，/>为验证结果，当/>时表示验证失败，当/>时表示验证成功。

本发明提供的一种面向去中心化存储的数据审计方法，为生成公开可验证、不可预测的挑战集合以及不泄露文件内容的完整性证明，以实现文件的均匀采样及文件隐私友好为主要优化目标，通过使用以太坊区块的公开信息生成随机数、生成具有零知识属性的完整性证明，保证了审计的公平性和安全性，由以太坊中的智能合约完成证明验证，减少了三者间的交互次数，提升了审计的效率。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种面向去中心化存储的数据审计方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

一般地，一次审计执行过程包含如下四个阶段。1）预处理阶段：用户对文件进行处理生成数据块及其签名，并将相应信息分别上传到存储网络和区块链；2）挑战阶段：随机选中某个存储节点及其所存数据的一个随机子集；3）证明阶段：存储节点利用被选中的数据块计算完整性证明；4）验证阶段：对完整性证明执行验证并决定审计是否通过。

在审计执行过程中，挑战生成算法是在链下执行，仅将结果放在链上以供验证，而证明验证算法是在链上的智能合约中进行，本发明从审计安全性角度出发，挑战生成算法和证明验证算法作为审计协议的核心，应放在链上执行以确保审计的可信可靠。

下面结合图1描述本发明的实施例。

本发明提供一种面向去中心化存储的数据审计方法，包括：

S1：将待审计的原始文件分割获得的文件块及文件块签名上传至P2P节点，并将所述文件块对应的标识信息发送至以太坊中的智能合约；

本阶段首先用户使用纠删码将文件进行编码、分块处理，对于每个文件块，其中/>，进行BLS签名，然后将文件块/>与签名/>上传至P2P节点，将用户名/>和文件标识符/>上传至智能合约。

进一步的，步骤S1中的所述标识信息包括所述文件块的用户名及文件标识符。

进一步的，步骤S1中，将待审计的原始文件分割获得的文件块及文件块签名上传至P2P节点的步骤进一步包括：

S11：通过纠删码对所述原始文件进行编码处理及分割处理，获得多个文件块；

S12：对于每个文件块进行BLS签名，获得文件块签名。

进一步的，步骤S12中的所述文件块签名的表达式为：

其中，为BLS哈希函数，/>为群的生成元，/>为第/>个文件块，/>为文件块索引值，为第/>个文件块对应的文件块签名，/>为BLS私钥。

用户存储文件前，为提高文件块丢失的容错率，会对文件进行纠删码处理，然后生成安全参数、密钥对文件签名，签名后将原始文件和签名一并保存到P2P节点上，将文件标识符和用户名上传到以太坊中的智能合约上。

S2：所述P2P节点获取以太坊的区块信息，并根据所述区块信息生成第一随机数，将所述第一随机数与智能合约预设阈值进行比对以确认入围节点；

本阶段节点首先通过API获取以太坊区块信息：区块头哈希值、时间戳/>以及节点公钥哈希/>，三者之和组成随机种子/>，节点用自身的私钥/>对/>进行加密计算得到随机数/>。

进一步的，步骤S2进一步包括：

S21：所述P2P节点通过API接口获取以太坊区块信息，所述区块信息包括区块头哈希值、时间戳及节点公钥哈希；

S22：根据所述区块信息组建随机种子；

S23：所述P2P节点通过自身私钥对所述随机种子进行加密计算，获得第一随机数。

进一步的，步骤S22中的所述随机种子的表达式为：

其中，为获得的随机种子，/>为区块头哈希值，/>为时间戳，/>为入围节点自身的公钥哈希；

步骤S23中的所述第一随机数的表达式为：

其中，为第一随机数，/>为当前P2P节点的自身私钥。

上述的以太坊的区块信息中区块头哈希和时间戳都是公开可获取以及不能被提前预测的，所以将这些信息作为随机种子保证了生成的随机数的公开可验证以及不可预测的性质，智能合约根据审计文件数量提前设定阈值，节点会将生成的随机数与阈值进行对比，来判断自身是否被选中。

S3：P2P节点中被选中的入围节点将公钥添加至所述第一随机数中，生成第二随机数，根据所述第二随机数及所述原始文件中的索引值映射关系选择文件块，获得挑战集合；

本阶段中，被选中的节点首先将节点公钥哈希添加到随机种子中，并计算新的随机数，根据随机数与文件索引值的映射关系来判断哪些文件块被选中，以此来确定挑战集合。

进一步的，步骤S3中的所述第二随机数的表达式为：

其中，为第二随机数，/>为当前入围节点自身的公钥哈希；

进一步的，步骤S3中的所述索引值映射关系的表达式为：

其中，为映射法则，/>为第二随机数所有取值对应的集合，/>为数据块对应的索引值集合。

上述的文件索引值的映射关系的释义为，对于中的每一个数/>，/>按照法则/>，在值域/>中有唯一的元素/>与之对应。

在一些实例中，挑战阶段，用户会运行生成挑战集合算法，然后将结果发到智能合约上，然而这样的做法较难控制用户发出挑战频次的稳定性。

因此本发明将不再由用户生成挑战集合，而是由存储文件的节点生成，节点通过生成公开可验证、无偏以及不可预测的随机数来确定挑战集合，随机数会发送到智能合约上，任何用户均可检验随机数的正确性，减少了用户在审计过程中的交互次数以及通信开销。

S4：所述入围节点基于所述挑战集合包括的被选中的入围数据块及所述入围数据块的签名，通过待证明问题的证明密钥生成零知识证明；

本阶段中，存储节点利用被选中的数据块及其签名计算具有零知识属性的完整性证明，并将随机数、挑战集合以及证明发送到智能合约上，其中步骤S4中放在链上的完整性证明不会泄露文件的内容，具有零知识属性。

进一步的，步骤S4进一步包括：

S41：将待证明问题转化为算术电路；

S42：通过所述算术电路生成证明密钥、验证密钥；

S43：所述入围节点通过所述证明密钥对所述入围数据块进行证明，获得零知识证明。

进一步的，步骤S41中的所述算术电路的表达式为：

其中，为设定操作，/>为安全参数，/>为获得的算术电路，/>为证明密钥，/>为验证密钥；

步骤S43的零知识证明的表达式为：

其中，为获得的零知识证明，/>为证明操作，/>为公开声明，/>为见证者。

节点生成的挑战集合以及证明都会作为审计记录公开在区块链上，将证明公开在区块链上可能会引发用户数据泄露的风险，零知识证明可以在不泄露文件内容的情况下，向验证者证明正确地保存了该文件，因此本发明中由节点生成具有零知识属性的完整性证明，并将挑战集合、随机数集合和相应证明一并发送到智能合约上。

S5：所述入围节点将所述挑战集合、所述零知识证明和包括第一随机数及第二随机数的随机数集合发送至智能合约，智能合约执行待证明问题的验证算法，获得验证结果。

本阶段中，智能合约首先验证随机数，验证正确后，合约执行验证算法，然后将验证结果添加到审计记录表中，完成数据完整性审计。

进一步的，步骤S5中所述验证算法的表达式为：

其中，为验证操作，/>为验证结果，当/>时表示验证失败，当/>时表示验证成功。

在一些实例中，智能合约在收到节点发送的信息后，会将证明发送给文件所有者进行验证，但会降低审计效率以及增加通信开销，因此在本发明中，智能合约在收到节点信息后，首先验证随机数集合的正确性，只有随机数正确才会执行验证证明算法，并将结果存储在链上的审计记录表中。

本发明提供的一种面向去中心化存储的数据审计方法，由于只存在节点与区块链之间的信息传递，大幅度减少了审计方案的通信开销，审计时间明显缩短；通过生成不可预测、公开可验证的随机数来确定挑战集合，使得审计结果的可信度增加；节点根据智能节约预先设定的阈值，判断自己是否入围，防止了存储节点为获取奖励，发起高频挑战；所有存储节点均需参与随机数的生成，两轮审计不参与，会被判定为节点故障、数据丢失，存储节点将获取不到任何奖励，在一定程度上预防存储节点一直不参与审计；智能合约首先验证随机数的正确性，可以过滤掉一部分试图故意浪费计算资源的恶意节点，然后自动执行验证算法，大大提升了审计效率。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种面向去中心化存储的数据审计方法，其特征在于，包括：

S1：将待审计的原始文件分割获得的文件块及文件块签名上传至P2P节点，并将所述文件块对应的标识信息发送至以太坊中的智能合约；

S2：所述P2P节点获取以太坊的区块信息，并根据所述区块信息生成第一随机数，将所述第一随机数与智能合约预设阈值进行比对以确认入围节点；

S3：P2P节点中被选中的入围节点将公钥添加至所述第一随机数中，生成第二随机数，根据所述第二随机数及所述原始文件中的索引值映射关系选择文件块，获得挑战集合；

S4：所述入围节点基于所述挑战集合包括的被选中的入围数据块及所述入围数据块的签名，通过待证明问题的证明密钥生成零知识证明；

S5：所述入围节点将所述挑战集合、所述零知识证明和包括第一随机数及第二随机数的随机数集合发送至智能合约，智能合约执行待证明问题的验证算法，获得验证结果。

2.根据权利要求1所述的一种面向去中心化存储的数据审计方法，其特征在于，步骤S1中的所述标识信息包括所述文件块的用户名及文件标识符。

3.根据权利要求1所述的一种面向去中心化存储的数据审计方法，其特征在于，步骤S1中，将待审计的原始文件分割获得的文件块及文件块签名上传至P2P节点的步骤进一步包括：

S11：通过纠删码对所述原始文件进行编码处理及分割处理，获得多个文件块；

S12：对于每个文件块进行BLS签名，获得文件块签名。

4.根据权利要求3所述的一种面向去中心化存储的数据审计方法，其特征在于，步骤S12中的所述文件块签名的表达式为：

其中，为BLS哈希函数，/>为群的生成元，/>为第/>个文件块，/>为文件块索引值，/>为第/>个文件块对应的文件块签名，/>为BLS私钥。

5.根据权利要求1所述的一种面向去中心化存储的数据审计方法，其特征在于，步骤S2进一步包括：

S21：所述P2P节点通过API接口获取以太坊区块信息，所述区块信息包括区块头哈希值、时间戳及节点公钥哈希；

S22：根据所述区块信息组建随机种子；

S23：所述P2P节点通过自身私钥对所述随机种子进行加密计算，获得第一随机数。

6.根据权利要求5所述的一种面向去中心化存储的数据审计方法，其特征在于，步骤S22中的所述随机种子的表达式为：

其中，为获得的随机种子，/>为区块头哈希值，/>为时间戳，/>为入围节点自身的公钥哈希；

步骤S23中的所述第一随机数的表达式为：

其中，为第一随机数，/>为当前P2P节点的自身私钥。

7.根据权利要求6所述的一种面向去中心化存储的数据审计方法，其特征在于，步骤S3中的所述第二随机数的表达式为：

其中，为第二随机数，/>为当前入围节点自身的公钥哈希；

步骤S3中的所述索引值映射关系的表达式为：

其中，为映射法则，/>为第二随机数所有取值对应的集合，/>为数据块对应的索引值集合。

8.根据权利要求1所述的一种面向去中心化存储的数据审计方法，其特征在于，步骤S4进一步包括：

S41：将待证明问题转化为算术电路；

S42：通过所述算术电路生成证明密钥、验证密钥；

S43：所述入围节点通过所述证明密钥对所述入围数据块进行证明，获得零知识证明。

9.根据权利要求8所述的一种面向去中心化存储的数据审计方法，其特征在于，步骤S41中的所述算术电路的表达式为：

其中，为设定操作，/>为安全参数，/>为获得的算术电路，/>为证明密钥，/>为验证密钥；

步骤S43的零知识证明的表达式为：

其中，为获得的零知识证明，/>为证明操作，/>为公开声明，/>为见证者。

10.根据权利要求9所述的一种面向去中心化存储的数据审计方法，其特征在于，步骤S5中所述验证算法的表达式为：

其中，为验证操作，/>为验证结果，当/>时表示验证失败，当/>时表示验证成功。