CN111898164B - 一种支持标签区块链存储和查询的数据完整性审计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种支持标签区块链存储和查询的数据完整性审计方法，包括：客户端将数据文件分块并生成数据标签，将数据存储在云服务器上，数据标签以T‑Merkle树结构存储在区块链平台上；审计者向云服务器和区块链平台发送抽样审计质询；区块链平台执行查询算法获取数据标签，并计算密文标签证据返回给审计者，同时云服务器计算密文数据证据并返回给审计者；审计者通过双线对性质，在不需要解密的前提下直接验证数据的完整性。本发明是使用区块链平台存储数据标签，提出相应的区块链存储结构和查询方法，并设计基于ZSS短签名的双线性对验证方法，提高了***的可扩展性和数据完整性审计的安全性及高效性。

Description

一种支持标签区块链存储和查询的数据完整性审计方法

技术领域

本发明涉及一种支持标签区块链存储和查询的数据完整性审计方法，本发明 属于信息安全领域。

背景技术

云存储是云计算的一种重要服务，允许数据所有者将其数据托管在云服务器 中，并通过网络向用户提供数据访问。借助于虚拟化和分布式存储等技术，云存 储将网络中不同厂商、不同结构、不同位置的存储设备整合，构建成存储资源池。 用户以按需付费的方式根据自己的需求向云服务提供商租赁存储资源云存储作 为一种低成本、高可扩展性的基础设施服务越来越受到个人和企业的广泛关注。

随着云存储的快速发展，海量数据集中存储在云服务器上更容易遭受攻击， 导致云存储面临着比传统存储更为复杂的安全威胁。同时，数据所有者将数据存 储在云端后，失去了对数据的物理控制，导致数据的安全性高度依赖于云服务提 供商，而数据泄露和丢失事件证明云服务提供商是不能被完全信任的。由此可见， 云存储虽然能带来诸多优势和便利，但是它并不能保证客户端上传数据的完整性。

近年来，研究者提出集中式的第三方公开审计方案验证云端数据完整性。但 是存在缺陷：1)假设第三方审计完全可信的是不合理。2)审计者由于自己能力 限制可能不按照合约执行审计任务。由于具有去中心化、透明性、不可篡改和安 全等特点，区块链技术的出现为解决上述问题带来的新方法，但是面临着区块链 存储可扩展性差和查询效率低等难题。发明新的基于区块链的数据完整性审计技 术，对解决云存储中的数据完整性问题和推动云存储的广泛应用具有非常重要意 义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种支持标签区块链存储和查 询的数据完整性审计方法，旨在解决现有技术中中心化审计存在瓶颈、区块链可 扩展性差和查询效率低等问题，这些问题如果不解决将导致云存储广泛应用受到 限制。

本发明的技术方案为一种支持标签区块链存储和查询的数据完整性审计方 法，包括以下步骤：

(1)初始化设定安全参数，生成公共参数，客户端生成用于数据签名的公 钥和私钥；

(2)客户端利用数据分片技术将文件分块，并使用ZSS短签名技术为数据 块生成数据标签，将数据块存储在云服务器上，数据标签存储在区块 链平台上；

(3)审计者执行抽样审计，随机选择部分数据块子集进行验证；

(4)区块链平台收到审计请求后，利用查询算法获取数据标签，计算密文 标签证据，并返回给审计者；云服务器收到审计请求后，执行计算密 文数据证据，并返回给审计者；

(5)审计者根据双线对性质，在不需要解密的前提下验证数据证据和标签 证据是否匹配，如果匹配说明数据是完整的。

进一步的，所述步骤(1)具体包括：初始化设定安全参数λ，生成阶数为 素数q的循环加法群G₁和G₂，并且存在双线性映射关系e:G₁×G₁→G₂；客户端 随机选择sk∈Z_p作为私钥，Z_p表示[0,p-1]的整数，并计算pk＝skP作为公钥， 其中P是G₁的生成元；其中双线性映射关系具有以下性质：1)对于任意的 P,Q∈G₁，存在高效的算法计算e(P,Q)；2)e(P,P)≠1；3)对于任意的P,Q,R∈G₁和a,b∈Z_p有：e(aP,bQ)＝e(P,Q)^ab，e(P+R,Q)＝e(P,Q)·e(R,Q)。

进一步的，所述步骤(2)具体包括：

(2a)客户端将数据文件分成n块F＝{m₁,m₂,…,m_n}，并为每一个数据块m_i计算数据标签得到标签集合T＝{Tag₁,Tag₂,…,Tag_n}，其中 H₁是密码学哈希函数；

(2b)客户端将数据块存储在云服务器上，将数据标签上传到区块链平台，以 T-Merkle树的方式存储在标签区块链，每一个区块节点包含k个数据标签和相应 的索引v_j＝{Min_j,Max_j,1,Tag₁,2,Tag₂,…,k,Tag_k,H(v_j)}，其中，Min_j和Max_j是 指当前节点储存标签的索引的最小值和最大值，节点哈希值H(v_j)由当前节点和 孩子节点的哈希计算得到，H是密码学哈希函数。

进一步的，所述步骤(3)具体包括：拥有公钥和文件标识的审计者随机选 择数据块子集和相应的随机值生成质询集Chall＝{i,u_i}_i∈I，其中I＝{s₁,s₂,…,s_c}， c表示被质询的数据块数量，s_c是数据块索引[1,n]的子集，u_i是随机值，审计者 将质询集Chall发送给云服务器和区块链平台。

进一步的，所述步骤(4)具体包括：

(4a)云服务器收到质询集后计算并加密数据证据并将DP发送给审计者，e表示双线性映射关系；

(4b)区块链平台收到质询集后，利用查询算法检索被质询的标签，计算和 加密标签证据并将TP发送给审计者。

进一步的，所述步骤(5)具体包括：

(5a)审计者收到数据证据和标签证据后，利用客户端公钥pk和质询集 Chall计算

(5b)审计者根据等式TP＝DP·e(R,P)验证证据的正确性，如果等式成立， 说明云服务器上存储的数据是完整的。

进一步的，所述步骤(2)中，以T-Merkle树的方式存储在标签区块链，该 方式具有如下特点：a)数据标签存储在每一个树节点中，而不仅仅在叶子节点， 且每一个节点储存多个数据标签；b)在数据标签上附加标签索引，以支持快速 检索；c)区块头部加入当前区块包含索引的最大值和最小值；每一个T-Merkle 树节点包含当前节点索引的最小值、最大值、索引和标签集以及当前节点的哈希 值，当前节点的哈希值是由当前节点哈希值和孩子节点的哈希计算得到，计算方 法如下：

h(v_j)是当前节点的哈希值h(v_j)＝h(h(tag₁)||h(tag₂)||…||h(tag_k))，h是密码学 哈希函数，||表示字符串链接操作，rchild和lchild分别表示右孩子和左孩子节 点，当生成T-Merkle树时，首先利用数据标签构造T树，然后从叶子节点到根 节点计算每一个节点的哈希值，从而生成T-Merkle树。

进一步的，步骤(4b)中利用查询算法检索被质询的标签时，当检索索引为 ind的标签时，首先与最新区块头部的索引范围比较，如果不在当前区块中，则 检索上一区块；如果在当前区块中，则在当前区块中执行快速查找算法。

有益效果：在本发明实施例中，采用短签名技术生成数据标签，设计T-Merkle 树结构存储区块，节省了存储空间，提高了区块链存储可扩展性，提出区块链查 询算法，提高检索速度。云服务器和区块链平台利用双线性对性质加密数据证据 和标签证据。设计基于双线性对的ZSS签名验证方法，审计者在不需要解密的 前提下，能够直接验证正确的正确性。既能保护数据隐私，还有效减少了双线性 对的运算，提高了审计效率。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明中区块节点储结构图；

图3是本发明中标签区块链存储结构图；

图4是本发明中改进后的标签区块链结构图；

图5是本发明中***初始化流程图；

图6是本发明中完整性审计流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施 例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用 以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明实施例中，数据存储在云服务器上，而数据标签存储在区块链平台 上。如果直接将数据存储在区块链上，受限于区块链容量，导致***不能广泛应 用。数据标签采用短签名技术生成，采用T-Merkle结构存储。ZSS短签名技术 使用一般哈希函数(如MD5或者SHA-1)而不需要特殊构造的哈希函数，采用 更少的双线性对运算提高签名生成效率(F.Zhang,R.Safavi-Naini,and W.Susilo, “An efficient signature scheme frombilinear pairings and its applications,”in Proc. Int.Workshop Public KeyCryptogr.Berlin,Germany:Springer,2004,pp.277–290)。 附图1为本发明流程图，为了方便描述，把客户端当作审计者。其实，审计者可 以是客户端、云服务器、区块链平台或者其他第三方机构。

本发明实施例是这样实现的，支持标签区块链存储和查询的数据完整性审计 方法，包括如下步骤：

(1)***初始化阶段：生成私钥和公钥，数据分块并计算数据标签，数据 上传到云服务器存储，数据标签上传到区块链平台存储。

(2)完整性审计阶段：审计者生成质询集发给云服务器和区块链平台，云 服务器和区块链平台分别生成数据证据和标签证据返回给审计者，审 计者验证数据证据和标签证据是否匹配。

具体地，步骤(1)中***初始化阶段包括以下步骤：

(a)输入为安全参数λ，输出为循环加法群G₁和G₂，并且存在双线性映射 关系e:G₁×G₁→G₂；客户端随机选择sk∈Z_p作为私钥，并计算p＝skP 作为公钥，客户端随机选择sk∈Z_p作为私钥，Z_p表示[0,p-1]的整数， 并计算pk＝skP作为公钥，其中P是G₁的生成元；其中双线性映射关系 具有以下性质：1)对于任意的P,Q∈G₁，存在高效的算法计算e(P,Q)；

2)e(P,P)≠1；3)对于任意的P,Q,R∈G₁和a,b∈Z_p有： e(aP,bQ)＝e(P,Q)^ab，e(P+R,Q)＝e(P,Q)·e(R,Q)。

(b)客户端将数据文件分成n块F＝{m₁,m₂,,m_n}，并为每一个数据块m_i计 算数据标签得到标签集合T＝{Tag₁,Tag₂,…,Tag_n}， 其中H₁是密码学哈希函数；

(c)客户端将数据块存储在云服务器上，将数据标签上传到区块链平台，以T-Merkle树的方式形成标签链。每一个区块节点包含k个数据标签和相 应的索引v_j＝{Min_j,Max_j,1,Tag₁,2,Tag₂,…,k,Tag_k,H(v_j)}，其中节点哈 希值H(v_j)由当前节点和孩子节点的哈希计算得到。

具体地，步骤(2)中完整性审计阶段包括以下步骤：

(a)拥有公钥和文件标识的审计者随机选择数据块子集和相应的随机值生 成质询集Chall＝{i,u_i}_i∈I，其中I＝{s₁,s₂,…,s_c}，c是数据块索引[1,n]的 子集，u_i是随机值。审计者将质询集Chall发送给云服务器和区块链平 台。

(b)云服务器收到质询集后计算数据证据并DP发 送给审计者。区块链平台收到质询集后，利用查询算法检索被质询的标 签，计算标签证据并TP发送给审计者。

(c)审计者收到数据证据和标签证据后，利用客服端公钥和质询集Chall计 算审计者验证证据TP＝DP·e(R,P)，如果等式成立，说明 云服务器上存储的数据是完整的。

具体地，一种支持标签区块链存储和查询的数据完整性审计方法，所述技术 包括以下部分：

(a)短签名技术，用于计算数据标签；

(b)T-Merkle树结构，用于存储标签区块；

(c)基于T-Merkle树的查询算法，用于快速检索标签；

(d)标签证据生成算法，用于计算密文标签证据；

(e)数据证据生成算法，用于计算密文数据证据；

(f)基于ZSS短签名技术的验证算法，用于验证密文数据证据和密文标签 证据是否匹配，以确实云服务器上的数据是否完整。

本发明包含以下几个部分：标签区块链存储结构、区块快速查询技术和基于 双线性对的ZSS验证技术。

现有区块利用Merkle树存储区块数据，区块都存储在叶子节点，存储利用 低，而且检索区块时，需要遍历整个区块链。为了节省存储开销和提高查询效率， 本发明从3个方面改进了Merkle树结构：1)数据标签存储在每一个树节点中， 而不仅仅在叶子节点，且每一个节点储存多个标签。2)在数据标签上附加标签 索引，以支持快速检索。3)区块头部加入当前区块包含索引的最大值和最小值。 T-Merkle树结合了T-tree和Merkle树的特点。每一个T-Merkle树节点包含当前 节点索引的最小值、最大值、索引和标签集以及当前节点的哈希值。节点结构描 述如图2。当前节点的哈希值是由当前节点哈希值和孩子节点的哈希计算得到。

计算方法如下：

h(v_j)是当前节点的哈希值h(v_j)＝h(h(tag₁)||h(tag₂)||…||h(tag_k))，h是哈希函 数，||表示字符串链接操作。当生成T-Merkle树时，首先利用数据标签构造T树， 然后从叶子节点到根节点计算每一个节点的哈希值。如图3所示的T-Merkle树 结构，假设标签索引从1到14，每一个节点存储两个标签。为了验证{Tag₅,Tag₆}， 需要辅助信息Ω＝<H(c),H(b),h(Tag₃),h(Tag₄),h(Tag₇),h(Tag₈)>。验证者通过计 算H(a)＝h(h(Tag₅)||h(Tag₆)||H(c)||h(Tag₅)||h(Tag₆))，然后计算根节点的哈希 值H'(root)＝h(h(Tag₅)||h(Tag₆)||H(a)||H(b))。验证计算的H'(root)与存储的 H(root)值是否一致。由此证明，T-Merkle树保留了Merkle的验证特性。

区块链快速查询技术支持快速二分查找。在区块头部嵌入当前区块体中的索 引范围。当检索索引为ind的标签时，首先与最新区块头部的索引范围比较，如 果不在当前区块中，则检索上一区块；如果在当前区块中，则在当前区块中执行 二分查找。标签区块链结构如图4。查询算法如下：

基于双线性对的ZSS验证技术解决了审核过程中数据隐私保护问题。在完 整性审计过程中，审计者可能通过某些途径获取到数据隐私。对于明文数据，审 计者可能会从接收到的数据证据中获取原始的数据块。对于加密数据，审计者可 能会通过其他途径获取密钥从而能够解密数据。这样审计方案可能会给所有者的 数据带来新的安全威胁。因此，审计方法需要支持隐私保护，即审计者不能获取 数据内容。***采用交互式的审计方法，如图5,6所示。云服务器和区块链平台 在计算证据时，利用双线性对加密证据，审计者在不需要解密的情况下，利用双 线性对运算性质，直接验证数据证据和标签证据的正确性。验证表达式 TP＝DP·e(R,P)的正确性证明如下：

本发明采用抽样审计以减少通信开销和提高审计效率。假设数据块数量是n， 被损坏或者丢失的数据块数量是d，质询集大小是c，检测到块X数据块被损坏 或者丢失的概率P_X，其计算方法如下：

可以发现，无论文件是多大，当损坏率是1％时，仅仅质询300块数据即可 达到95％的检测概率。

Claims (5)

1.一种支持标签区块链存储和查询的数据完整性审计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)初始化设定安全参数，生成公共参数，客户端生成用于数据签名的公钥和私钥；

步骤(1)具体包括：初始化设定安全参数λ，生成阶数为素数q的循环加法群G₁和G₂，并且存在双线性映射关系e:G₁×G₁→G₂；客户端随机选择sk∈Z_p作为私钥，Z_p表示[0,p-1]的整数，并计算pk＝skP作为公钥，其中P是G₁的生成元；其中双线性映射关系具有以下性质：1)对于任意的P,Q∈G₁，存在高效的算法计算e(P,Q)；2)e(P,P)≠1；3)对于任意的P,Q,R∈G₁和a,b∈Z_p有：e(aP,bQ)＝e(P,Q)^ab，e(P+R,Q)＝e(P,Q)·e(R,Q)；

(2)客户端利用数据分片技术将文件分块，并使用ZSS短签名技术为数据块生成数据标签，将数据块存储在云服务器上，数据标签存储在区块链平台上；

步骤(2)具体包括：

(2a)客户端将数据文件分成n块F＝{m₁,m₂,...,m_n}，并为每一个数据块m_i计算数据标签得到标签集合T＝{Tag₁,Tag₂,...,Tag_n}，其中H₁是密码学哈希函数；

(2b)客户端将数据块存储在云服务器上，将数据标签上传到区块链平台，以T-Merkle树的方式存储在标签区块链，每一个区块节点包含k个数据标签和相应的索引v_j＝{Min_j,Max_j,1,Tag₁,2,Tag₂,…,k,Tag_k,H(v_j)}，其中，Min_j和Max_j是指当前节点储存标签的索引的最小值和最大值，节点哈希值H(v_j)由当前节点和孩子节点的哈希计算得到，H是密码学哈希函数；

所述步骤(2)中，以T-Merkle树的方式存储在标签区块链，该方式具有如下特点：a)数据标签存储在每一个树节点中，而不仅仅在叶子节点，且每一个节点储存多个数据标签；b)在数据标签上附加标签索引，以支持快速检索；c)区块头部加入当前区块包含索引的最大值和最小值范围字段；每一个T-Merkle树节点包含当前节点索引的最小值、最大值、索引和标签集以及当前节点的哈希值，当前节点的哈希值是由当前节点哈希值和孩子节点的哈希计算得到，计算方法如下：

h(v_j)是当前节点的哈希值h(v_j)＝h(h(tag₁)||h(tag₂)||…||h(tag_k))，h是密码学哈希函数，||表示字符串链接操作，rchild和lchild分别表示右孩子和左孩子节点，当生成T-Merkle树时，首先利用数据标签构造T树，然后从叶子节点到根节点计算每一个节点的哈希值，从而生成T-Merkle树；

(3)审计者执行抽样审计，随机选择部分数据块子集进行验证；

(4)区块链平台收到审计请求后，利用查询算法获取数据标签，计算密文标签证据，并返回给审计者；云服务器收到审计请求后，执行计算密文数据证据，并返回给审计者；

(5)审计者根据双线性对性质，在不需要解密的前提下验证数据证据和标签证据是否匹配，如果匹配说明数据是完整的。

2.如权利要求1所述一种支持标签区块链存储和查询的数据完整性审计方法，其特征在于：步骤(3)具体包括：拥有公钥和文件标识的审计者随机选择数据块子集和相应的随机值生成质询集Chall＝{i,u_i}_i∈I，其中I＝{s₁,s₂,…,s_c}，c表示被质询的数据块数量，s_c是数据块索引[1,n]的子集，u_i是随机值，审计者将质询集Chall发送给云服务器和区块链平台。

3.如权利要求2所述一种支持标签区块链存储和查询的数据完整性审计方法，其特征在于：步骤(4)具体包括：

(4a)云服务器收到质询集后计算并加密数据证据并将DP发送给审计者，e表示双线性映射关系；

(4b)区块链平台收到质询集后，利用查询算法检索被质询的标签，计算和加密标签证据并将TP发送给审计者。

4.如权利要求3所述一种支持标签区块链存储和查询的数据完整性审计方法，其特征在于，步骤(5)具体包括：

(5a)审计者收到数据证据和标签证据后，利用客户端公钥pk和质询集Chall计算

(5b)审计者根据等式TP＝DP·e(R,P)验证证据的正确性，如果等式成立，说明云服务器上存储的数据是完整的。

5.如权利要求3所述一种支持标签区块链存储和查询的数据完整性审计方法，其特征在于：步骤(4b)中利用查询算法检索被质询的标签时，当检索索引为ind的标签时，首先与最新区块头部的索引范围比较，如果不在当前区块中，则检索上一区块；如果在当前区块中，则在当前区块中执行快速查找算法。