CN111865563A - 一种基于联盟链的民航乘客数据安全保护及防纂改方案 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于联盟链的民航乘客数据安全保护及防纂改方案，采用数字签名、对称加密和区块链等技术手段，旨在解决目前民航乘客数据隐私保护和安全存储等问题。乘客需注册id账号，机场生成与其相关的对称加密密钥Msk，将私人信息M运行AES对称加密算法得到密文C。机场上传C至云服务数据库，获得数据地址指针P，并将机场号、乘客ID、密文哈希、BLS签名和地址指针P作为一个消息体公开发布。联盟链各节点获取消息体后进行BLS签名验证，验证通过后将该消息加入至自身的区块体信息列表。在建立新区块中，需要执行改进的BLS门限签名算法来保证安全性和权威性。由于上传至数据库中的信息均是以密文形式，且在区块链中的信息不可篡改、永久保存，本发明对乘客信息的隐私性和安全性都提供了有力的保障。

Description

一种基于联盟链的民航乘客数据安全保护及防纂改方案
技术领域
本发明涉及信息隐私保护和区块链技术领域，特别涉及一种基于联盟链的民航乘客数据安全保护及防纂改方案。
背景技术
随着中国经济的快速发展，我国民航业也得到了飞速发展。截至2018年年底，中国民航全年完成旅客运输量6.60亿人,比上年增长7.9％,完成旅客周转量11705.12亿人公里,增长9.3％。其中,国内航线完成旅客运输量5.75亿人,增长7.0％,民航运输机场完成旅客吞吐量13.52亿人,比上年增长6.9％。完成货邮吞吐量1710.0万吨,增长2.1％。
越来越多的人在出行时都选择了飞机作为交通工具，由此也带来了一系列的个人信息安全问题。互联网中存在诸多不安全的因素，被动攻击如网络窃听对乘客信息的安全性和隐私性造成极大的危害。一旦乘客信息遭到泄露，就会被不法分子利用获取不当利益。此外，乘客的历史信息还有可能遭到他人恶意删除或篡改，同样也会带了不可预估的后果。
目前，国内对民航乘客信息安全方案的研究较少，本发明针对以上民航乘客数据的安全性和隐私保护能力不强、易被他人篡改和信息丢失等问题，提出了一个基于联盟链的民航乘客数据安全及隐私保护方法，成功解决了以上问题。
发明内容
本发明提出了提出一种基于联盟链的民航乘客数据安全保护及防纂改方案，采用数字签名、对称加密和区块链等技术手段，旨在解决目前民航乘客数据隐私保护和安全存储等问题。
一种基于联盟链的民航乘客数据安全保护及防纂改方案，包括以下步骤：
S1：***初始化，由可信授权中心机构为每个机场Ai生成密钥对
Figure BDA0002603129330000021
并将公钥公开。
S2：乘客Bi向机场Ai提供自己的私人信息(如证件信息、指纹)注册id账号，由可信授权中心运行确定性加密算法得到乘客唯一的身份标识符ID；
S3：乘客Bi在机场活动而产生个人信息M(如航班信息、座位代码、起飞到达时间、附加服务等)后，自动上传到待加密缓存区，机场Ai根据用户的ID等信息生成针对本次消息M的AES加密密钥
Figure BDA0002603129330000022
S4：机场Ai利用
Figure BDA0002603129330000023
对明文M进行AES加密得到密文C,计算密文C的哈希值和包含其他身份信息的全域哈希值h，上传C到云服务数据库。
S5：在上传数据完毕后，机场Ai得到C在数据库中的地址指针Pi，利用私钥
Figure BDA0002603129330000024
计算出关于消息M的BLS数字签名
Figure BDA0002603129330000025
将签名和其他信息组合成消息体，公开发布，等待联盟链节点进行下一步操作。
S6：联盟链各个节点获取到的消息体中的信息后，首先验证BLS签名
Figure BDA0002603129330000026
是否合法，若不是，直接删除；否则进行下一步。
S7：根据指针位置Pi，验证是否云服务数据库中的密文C是否存在，若存在数据，则计算云端数据的SHA-256的哈希值,比较其与消息体中的哈希值HSHA-256(C)是否相等，若不相等则将拒绝该信息并反馈给机场，等待检查重发；否则，即可将消息体加入区块体信息列表。
S8：生成新区块时，联盟链节点z需将区块体信息列表中所有记录用Merkle哈希算法压缩行成Merkle根，计算前一区块的区块头的SHA-256哈希值Hp,生成当前时间戳T，以上三个数据用于生成联盟链节点z的签名σz。
将(σz,Hp,T,Merkle,区块体信息列表)作为准区块发布，其余联盟链节点验证准区块内容。本方案中，联盟链的门限签名是一种基于BLS签名的改进算法。假设有t-1个联盟链节点验证通过，则各个联盟链节点向节点z发送自己的签名σ1,σ2,...,σt-1,节点z就可以生成门限签名。之后节点z就可以生成新区块并全网公布。联盟链其余节点利用群公钥验证门限签名后，将生成的新区块加入至现有区块链中，完成区块链更新；并将各自消息池中有关该区块体中的消息删除，完成消息池更新。
S9：当乘客想查询自己的信息时，首先向机场Ai提交申请，包括ID等信息。验证通过后，机场给乘客发送加密密钥
Figure BDA0002603129330000031
和指针Pi，乘客即可从云服务数据库下载密文C并解密得到信息M。
作为本发明的进一步补充，乘客注册生成id账号时，根据其身份证号及生物特征信息(指纹、虹膜)等，并绑定手机号、邮箱、地址等。利用唯一的身份信息或者是生物特征得到与其唯一对应的ID认证，保证了id账号的安全可靠。
作为本发明的进一步补充，个人信息通过短信、邮件或其他私密信道发送给机场,进一步增强了信息的可靠性。且当***认为不安全时，需要再次认证，例如开启摄像头进行面部识别。
作为本发明的进一步补充，机场Ai采用对称加密算法AES加密乘客信息M，得到的密文C储存在云端，杜绝了信息M的直接泄露；采用BLS数字签名体制对包括消息M在内的消息块进行签名，可高效得到相比RSA签名更短的短签名，节省空间，也保证了云端消息C的来源安全可靠。联盟链中的门限签名是一种基于BLS签名的改进算法，同样可高效实现，通过联盟链的各节点参与验证，进一步保证了区块链的不可篡改。
作为本发明的进一步补充，在S3步骤中，生成AES加密密钥运用到了哈希函数和截断函数，来保证得到符合AES加密长度要求的128bit的密钥，具体例子如
Figure BDA0002603129330000046
其中F'是截断函数。由于加密信息M是通过AES对称加密算法，其安全性得到了充足的保证。且本方法产生的密钥
Figure BDA0002603129330000041
对于同一用户的不同消息也是不同的，即使密钥泄露，也能最大程度上降低信息的泄露。
作为本发明的进一步补充，云数据库保存数据按照约定好的协议存储信息，方便读取。用户可以随时整合自己的信息，提交待加密整合信息M后，可根据协议生成新的加密密钥
Figure BDA0002603129330000042
重新写入云服务器并被区块链记录。
作为本发明的进一步补充，区块体中每条信息包括机场Ai、乘客身份标识ID、密文哈希HSHA-256(C)、机场签名
Figure BDA0002603129330000043
文件指针Pi，以上五个内容构成了一个完整的区块体信息记录。机场Ai提供了验证签名时的公钥信息，乘客身份标识ID便于快速恢复AES密钥
Figure BDA0002603129330000044
密文哈希用于确认云端服务器中信息完整性，机场签名
Figure BDA0002603129330000045
提供了来源和权威性，文件指针Pi指出了对应的密文C。
作为本发明的进一步补充，区块头中包括：门限签名σ、生成该区块的联盟链节点签名σz、前一区块头的哈希值Hp、时间戳T、Merkle根。
本发明提出一种基于联盟链的民航乘客数据安全保护及防纂改方案，采用BLS数字签名技术保证了云存储数据可验证和权威性，采用AES对称加密技术保证了隐私安全，采用区块链技术保证了数据可追踪且不可篡改。由于上传至数据库中的信息均是以密文形式，且在区块链中的信息不可篡改、永久保存，本发明对乘客数据的隐私性和安全性都提供了有力的保障。
附图说明
附图1为本发明提出的一种基于联盟链的民航乘客数据安全保护及防纂改方案的流程图。
附图2为本发明提出的一种基于联盟链的民航乘客数据安全保护及防纂改方案的***模型。
附图3为本发明一个实施例的区块结构示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施方式和附图对本发明进行详细描述，但需要理解的是，所述实施例和附图仅用于对本发明进行示例性的描述，而并不能对本发明的保护范围构成任何限制。所有包含在本发明的发明宗旨范围内的合理的变换和组合均落入本发明的保护范围。
附图1为本发明提出的一种基于联盟链的民航乘客数据安全保护及防纂改方案的流程图，具体实施步骤如下：
S1：***初始化，由可信授权中心机构为每个机场Ai运行密钥生成算法,***选择两个阶数为质数q的循环群(G1,G2),g1和g2是G1和G2的生成元，且(G1,G2)是co-GDH群对，即群上CDH问题是困难的，DDH问题是简单的。随机选择x←Zp，计算v←g2 x∈G2。则Ai的密钥对为
Figure BDA0002603129330000051
S2:乘客Bi向机场Ai提供自己的私人信息(如证件信息、指纹)注册id账号，由可信授权中心运行确定性加密算法，如HMAC算法，得到乘客唯一的身份标识符ID；
S3：乘客Bi在机场活动产生了个人信息M(如航班信息、座位代码、起飞到达时间、附加服务等)后，自动上传到待加密缓存区，机场Ai(即数据拥有者)根据不同的信息类别采取不同的输入计算AES密钥。如对于围绕航班及一系列的服务信息，可使用ID、航班号和航班日期作为SHA-256哈希函数的输入，计算得到Hash←HSHA-256(ID||date||idplane)，为了保证在下一步满足AES加密密钥长度为128bit的要求，使用截断函数得到密钥
Figure BDA0002603129330000061
S4:机场Ai利用密钥
Figure BDA0002603129330000062
对明文M进行AES加密得到密文C,再计算密文C的哈希值HSHA-256(C)和h←H(Ai||ID||HSHA-256(C))，注意此处的哈希函数H是一个全域哈希函数,满足H{0,1}*→G1。完成以上的计算后，机场Ai通过安全信道上传密文C到云服务数据库。
S5：待上传数据至云服务数据库完毕，机场Ai可得到数据库存储的密文C地址指针Pi。之后并根据私钥
Figure BDA0002603129330000063
和h∈G1，在G1上计算
Figure BDA0002603129330000069
即可得到关于乘客Bi消息M的BLS签名
Figure BDA0002603129330000064
将信息
Figure BDA0002603129330000065
记为一个消息体，公开发布至消息池中，等待区块联盟链节点进行下一步操作。
S6：联盟链各个节点获取消息池中的消息后，首先需要验证消息是否合法，这可通过验证其BLS签名
Figure BDA0002603129330000066
实现。联盟链节点通过搜索机场序号Ai在公钥库中获取到其公钥
Figure BDA0002603129330000067
计算出h'←H(Ai||ID||HSHA-256(C))，验证
Figure BDA0002603129330000068
是否是co-DDH组，若不是，则说明该消息为伪消息，直接删除；否则进行下一步。
S7：根据指针位置Pi，验证是否云服务数据库中的数据是否存在，若存在数据，则计算云端数据的SHA-256的哈希值,比较其与消息体中的哈希值HSHA-256(C)是否相等，若不相等则将该拒绝该信息并反馈给机场，等待检查重发；否则，即可将消息体加入区块体信息列表。验证哈希值是否相等，进一步保证了云服务储存的信息未遗漏或遭到篡改。
S8：在区块链建立中，首先要由可信授权中心进行初始化。本方案中，联盟链的门限签名是一种基于BLS签名的改进算法。取联盟链节点个数为n，执行门限签名联盟链节点个数为t。令p是一个大质数，算法构建在群Zp上，且存在一个循环群G满足双线性性质，其中g是该循环群的一个生成元。本方案使用了一个全域哈希函数满足：H{0,1}*→G。
首先由中央机构生成私钥x←Zp，u←G，和公钥v←gx。之后随机选取次数至多为t-1的多项式ω∈Zp[X]，使得ω(0)＝x。对于n个节点来说，分别被给与各自的私钥ωi＝xi，之后发布群公钥pk＝(v,u)和n个节点的公钥
Figure BDA0002603129330000071
在生成新区块时，联盟链节点z需将区块体信息列表中所有记录用Merkle哈希算法压缩行成Merkle根，计算前一区块的区块头的SHA-256哈希值Hp,生成当前时间戳T，以上三个数据用于生成联盟链节点z的签名σz。
设M←(Hp||T||merkle)∈{0,1}*,节点z可以用自己的私钥ωz＝xz生成签名
Figure BDA0002603129330000072
将(σz,Hp,T,Merkle,区块体信息列表)作为准区块发布，其余联盟链节点验证准区块内容，即验证e(σz,g)＝e(H(M)·uM,vz)是否成立。验证通过后各个联盟链节点向节点z发送自己的签名
Figure BDA0002603129330000073
不失一般性，假设共有t个节点签名完成了σ1,σ2,...,σt,节点z就可以生成群公钥pk＝(v,u)下完整的门限签名：
Figure BDA0002603129330000074
其中：
Figure BDA0002603129330000075
之后节点z就可以生成新区块并全网公布，本方案区块内容如图3所示。联盟链其余节点利用群公钥验证门限签名后，将生成的新区块加入至现有区块链中，完成区块链更新；并将各自消息池中有关该区块体中的消息删除，完成消息池更新。
S9：当乘客Bi想查询自己的信息时，首先通过id账号、指纹或其他身份信息向机场提交查询申请。验证通过后，机场即可根据要查询的不同的消息记录，恢复出待查询消息的AES密钥
Figure BDA0002603129330000076
(由于不同消息生成的主密钥方式不同)，发送密钥和密文指针Pi给乘客。乘客即可从云服务数据库下载密文C并解密得到信息M。
以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于联盟链的民航乘客数据安全保护及防纂改方案，其特征在于，包括步骤：
S1：***初始化，由可信授权中心机构为每个机场Ai生成密钥对
Figure FDA0002603129320000011
并将公钥公开。
S2：乘客Bi向机场Ai提供自己的私人信息(如证件信息、指纹)注册id账号，由可信授权中心运行确定性加密算法得到乘客唯一的身份标识符ID；
S3：乘客Bi在机场活动而产生个人信息M(如航班信息、座位代码、起飞到达时间、附加服务等)后，自动上传到待加密缓存区，机场Ai根据用户的ID等信息生成针对本次消息M的AES加密密钥
Figure FDA0002603129320000012
S4：机场Ai利用
Figure FDA0002603129320000013
对明文M进行AES加密得到密文C,计算密文C的哈希值和包含其他身份信息的全域哈希值h，上传C到云服务数据库。
S5：在上传数据完毕后，机场Ai得到C在数据库中的地址指针Pi，利用私钥
Figure FDA0002603129320000014
计算出关于消息M的BLS数字签名
Figure FDA0002603129320000015
将签名和其他信息组合成消息体，公开发布，等待联盟链节点进行下一步操作。
S6：联盟链各个节点获取到的消息体中的信息后，首先验证BLS签名
Figure FDA0002603129320000016
是否合法，若不是，直接删除；否则进行下一步。
S7：根据指针位置Pi，验证是否云服务数据库中的密文C是否存在，若存在数据，则计算云端数据的SHA-256的哈希值,比较其与消息体中的哈希值HSHA-256(C)是否相等，若不相等则将拒绝该信息并反馈给机场，等待检查重发；否则，即可将消息体加入区块体信息列表。
S8：生成新区块时，联盟链节点z需将区块体信息列表中所有记录用Merkle哈希算法压缩行成Merkle根，计算前一区块的区块头的SHA-256哈希值Hp,生成当前时间戳T，以上三个数据用于生成联盟链节点z的签名σz。
将(σz,Hp,T,Merkle,区块体信息列表)作为准区块发布，其余联盟链节点验证准区块内容。本方案中，联盟链的门限签名是一种基于BLS签名的改进算法。假设有t-1个联盟链节点验证通过，则各个联盟链节点向节点z发送自己的签名σ1,σ2,...,σt-1,节点z就可以生成的门限签名。之后节点z就可以生成新区块并全网公布。联盟链其余节点利用群公钥验证门限签名后，将生成的新区块加入至现有区块链中，完成区块链更新；并将各自消息池中有关该区块体中的消息删除，完成消息池更新。
S9：当乘客想查询自己的信息时，首先向机场Ai提交申请，包括ID等信息。验证通过后，机场给乘客发送加密密钥
Figure FDA0002603129320000021
和指针Pi，乘客即可从云服务数据库下载密文C并解密得到信息M。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，乘客注册生成id账号时，根据其身份证号及生物特征信息(指纹、虹膜)等，并绑定手机号、邮箱、地址等。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，个人信息通过短信、邮件或其他私密信道发送给机场。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，机场Ai采用对称加密算法AES加密乘客信息M，采用BLS数字签名体制对包括消息M在内的消息块进行签名；联盟链中的门限签名是一种基于BLS签名的改进算法。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在S3步骤中，生成AES加密密钥运用到了哈希函数和截断函数，来保证得到符合长度要求的密钥，具体例子如
Figure FDA0002603129320000031
其中F'是截断函数。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，云数据库保存数据按照约定好的协议存储信息，方便读取。用户可以随时整合自己的信息，重新写入云服务器并被区块链记录。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，区块体中每条信息包括机场Ai、乘客身份标识ID、密文哈希HSHA-256(C)、机场签名
Figure FDA0002603129320000032
文件指针Pi，以上五个内容构成了一个完整的区块体信息记录。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，区块头中包括：门限签名σ、生成该区块的联盟链节点签名σz、前一区块头的哈希值Hp、时间戳T、Merkle根。
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