CN113886856A - 基于区块链的双重可验证云存储方法 - Google Patents

基于区块链的双重可验证云存储方法 Download PDF

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CN113886856A CN202111218019.XA CN202111218019A CN113886856A CN 113886856 A CN113886856 A CN 113886856A CN 202111218019 A CN202111218019 A CN 202111218019A CN 113886856 A CN113886856 A CN 113886856A
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冯涛
孔繁琪
柳春岩
方君丽
马蓉
杨璞
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Abstract

基于区块链的双重可验证云存储方法，属于区块链数据隐私保护安全技术领域，数据拥有者使用同态加密技术对数据加密和签名后，用户将密文和签名上传至云服务器；云服务器将密文聚合结果上传到区块头，数据拥有者分别将上传各密文对应的信息记录到区块1至n；数据使用者向云服务器请求数据结果，云服务器返回计算结果；数据使用者向挖矿者节点发送验证总数据任务，挖矿者节点接收验证任务后，先在区块链头进行总体验证；如果验证数据正确，云服务器就可以得到服务费，完成交易；如果验证数据不完整，则挖矿者节点进行单个验证，分别访问区块1至区块n，对恶意用户进行追溯。

Description

基于区块链的双重可验证云存储方法
技术领域
本发明涉及区块链数据隐私保护安全技术领域。
背景技术
区块链技术是分布式的网络数据管理技术，利用密码学技术和分布式共识协议保证网络传输与访问安全，实现数据交叉验证、全网一致、不易篡改。随着区块链技术的发展，其可以提供完美的透明度和分布式可验证性，以及利用密码学技术和共识协议来保证网络安全传输，为可验证计算增加了更多的应用场景和功能性，创建了更安全可信的数据共享平台。同时，区块链与可验证计算共同进行数据隐私保护，有利于数据分布式储存，以及对云端数据的完整性进行检验，有效控制数据破坏行为所造成的数据安全问题，也有利于监管部门对外包计算等场景进行有效监管，追踪恶意输入。
云存储为数据的存储和分析提供了高质量的按需服务，但在网络访问和数据上传过程中，带来的隐私泄露问题也日趋严重。云服务器或敌手恶意获取和篡改用户的数据，导致敏感信息泄露，且对恶意用户无法追踪，从而导致恶性循环。如智能家居制造商WyzeLabs证实，从2019年12月4日到12月26日，三个多星期的时间内就发生了大约240万客户详细信息数据被云服务器泄漏事件。由此可见，云存储数据的机密性、完整性对工业物联网健康发展的重要性。因此，针对数据处理的可信性和安全性问题，以保障用户查询真实数据，研究一种基于区块链的可验证云存储方案具有重要意义。
同态哈希函数：当我们需要验证一个文件是否被篡改的时候，一般会去验证文件的哈希函数是否被篡改。可以单独计算单个文件块的哈希值，然后通过组合所有单个文件块的哈希值算出整个文件的哈希值。也就是说一个文件的哈希值既可以通过对整个文件哈希值得到，也可以对部分文件哈希，然后把部分文件的哈希值组合起来得到。
同态加密技术：同态加密可以在密文上进行特定数学运算并且解密结果等于对应明文进行运算后的结果。在数据聚合、隐私保护等方面有着重要的应用。分为对称加密和非对称加密。对称加密是指加密和解密用的同一个密钥，采用这种方式显著降低了计算开销；而非对称加密用公钥加密，私钥解密。非对称加密体制中，加解密操作实现复杂度较大，效率较低，对于资源的占用也较多。本方案使用对称隐私同态加密技术对原始数据进行加密，加密速度快，容易实现。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于区块链的双重可验证云存储方法。
本发明是基于区块链的双重可验证云存储方法，包括数据加解密聚合算法、总体验证算法、单个验证算法，其步骤为：
首先是数据拥有者使用同态加密技术对数据加密和签名后，多用户将密文和签名上传至云服务器；
其次，云服务器将密文聚合结果上传到区块头，数据拥有者分别将上传各个密文对应的信息摘要记录到区块1至区块n上；
然后，数据使用者向云服务器请求数据结果，云服务器返回计算结果；
再其次，数据使用者向挖矿者节点发送验证总数据任务，挖矿者节点接收验证任务后，先在区块链头进行总体结果验证，并返回总数据验证结果；
再然后，如果验证数据正确，云服务器就可以得到服务费，完成交易；如果验证数据不完整，则把错误结果返回给云服务器并终止交易；云服务接收到错误结果反馈后则再次向挖矿者节点发送验证单个数据信息任务；
最后，挖矿者节点收到验证任务后，分别访问区块1至区块n，将单个验证结果返回给云服务器；追溯到的恶意用户将会受到损失保证金的惩罚，并且用户可拒绝支付。
与现有方法相比，本发明的有益之处是：
(1)通过区块链技术可实现数据的一致存储和难以篡改，增加了上链数据造假的难度和成本，从而可以消除大部分使用者对数据信用的顾虑。
(2)将采用同态加密技术对数据加密，解决了隐私泄露和传输不安全等方面的问题，保证计算过程的可靠性和可信度。
(3)应用具有同态性质的哈希函数，云服务器可以聚合多用户的签名，并对聚合数据进行总体验证，解决了通信负担大、计算效率低等方面的问题。需要追溯上传虚假数据的恶意用户时，再进行单独验证。解决了在分布式计算和云存储时，对恶意用户的追溯问题，有效避免了恶性循环。
附图说明
图1为基于区块链且支持双重验证的云存储方案模型。
具体实施方式
如图1所示，本发明是基于区块链的双重可验证云存储方法，引入同态加密和同态哈希函数，以实现数据的隐私保护和可追溯恶意用户；包括数据加解密聚合算法、总体验证算法、单个验证算法，其步骤为：
首先是数据拥有者使用同态加密技术对数据加密和签名后，多用户将密文和签名上传至云服务器；
其次，云服务器将密文聚合结果上传到区块头，数据拥有者分别将上传各个密文对应的信息摘要记录到区块1至区块n上；
然后，数据使用者向云服务器请求数据结果，云服务器返回计算结果；
再其次，数据使用者向挖矿者节点发送验证总数据任务，挖矿者节点接收验证任务后，先在区块链头进行总体结果验证，并返回总数据验证结果；
再然后，如果验证数据正确，云服务器就可以得到服务费，完成交易；如果验证数据不完整，则把错误结果返回给云服务器并终止交易；云服务接收到错误结果反馈后则再次向挖矿者节点发送验证单个数据信息任务；
最后，挖矿者节点收到验证任务后，分别访问区块1至区块n，将单个验证结果返回给云服务器；追溯到的恶意用户将会受到损失保证金的惩罚，并且用户可拒绝支付。
以上所述的基于区块链的双重可验证云存储方法，包括数据加解密聚合算法、总体验证算法、单个验证算法，具体为：
(1)数据加解密聚合算法步骤为：
步骤(1-1)数据准备阶段流程为：
分步骤(1-1-1)密钥分配；在密钥分配阶段，***为每个数据使用者广播由基于密钥长度可变的流加密算法簇(RSA Data Security，RC4)算法产生的密钥；
分步骤(1-1-2)计数器；为了使云服务平台能检验出数据拥有者上传的是否是最新数据，每个数据拥有者产生一个计数，并对其进行初始化，通过此方法来保证数据的实时性和抵御重放攻击能力；
分步骤(1-1-3)数据加密；数据拥有者L将原始数据mL进行加密后，再上传至云服务器，这保证了数据的隐私性，其加密算法为cL＝Enc(mL)＝mL+rt*kL。
步骤(1-2)云服务平台聚合密文阶段流程为：
分步骤(1-2-1)密文聚合处理；云服务器将V个数据拥有者上传的密文通过加密算法进行聚合；由于采用的是加法同态加密，所以不需要对密文进行解密，可以直接对上传数据进行相关运算；这既降低了计算开销，也增加了方案的安全性，减少了隐私泄露的风险；其聚合函数为CAGG＝c1+c2+…+cV＝Enc(m1)+Enc(m2)+…+Enc(mv)；
分步骤(1-2-2)数据解密；云服务器收到数据拥有者上传的密文后，对其进行解密处理，其解密函数为Dec(CAGG)＝CAGG－rt*K＝m1+m2+…+mv。
(2)总体验证算法步骤为：
在可验证计算方案中，单独验证每个用户的密文会导致过多的通信量，所以需要云服务器将每个签名聚合，先进行总体验证工作；
步骤(2-1)***建立阶段(Setup)阶段流程为：
设***中一共有V个数据拥有者，每个数据拥有者将自己数据加密后存储在云服务平台上，聚合数据F＝{m1,m2,…,mV}；其中每个数据拥有者l的数据又分为n个数据块，即Fl＝{ml,1,ml,2,…,ml,n}；
分步骤(2-1-1)密钥生成KeyGen(1k)；以安全参数k作为输入，数据拥有者l随机选择两个素数p＝2p′+1和q＝2q′+1,满足p和q也是大素数保证p，q长度相等，计算Nl＝p×q和
Figure BDA0003311462650000041
随机选择整数
Figure BDA0003311462650000042
满足
Figure BDA0003311462650000043
并计算整数dl满足
Figure BDA0003311462650000044
安全地销毁p、q、
Figure BDA0003311462650000045
选择安全的同态哈希函数
Figure BDA0003311462650000046
则用户的公钥pkl＝(Nl,el)，私钥skl＝(dl)；
分步骤(2-1-2)SignGen(Fl,skl)；数据拥有者选择数据Fl的标识符
Figure BDA0003311462650000047
对每个i∈{1,2,…,n}，用户计算签名
Figure BDA0003311462650000048
用σl表示签名的集合Φl＝{σl,1,σl,2,…,σl,i}；。
为了保证namel的完整性，用户计算tl＝namel||Signskl(namel)作为文件Fl的标签，Signskl(namel)是在私钥skl下的签名，用户将Fl和(Φl,tl)发送给云服务器；
步骤(2-2)挑战阶段(Challenge)阶段流程为：
挖矿者节点检索文件标签tl，并使用pkl验证签名tl，如果验证失败，则终止交易；如果验证成功，则恢复其namel；
假设挖矿者节点需要验证V个数据拥有者上传数据的完整性，其随机生成一个含有c个元素的子集I＝{sj}1≤j≤c且s1≤s2≤…≤sc，对每个i∈I，云服务平台随机选择
Figure BDA0003311462650000049
生成挑战消息chal＝{i,vi}i∈I，并将其发送给云服务器和区块链。
步骤(2-3)证据生成阶段(ProofGen)阶段流程为：
ProofGen({ml,i}i∈I,Φl,chal,pkl)，云服务平台收到挑战chal＝{i,vi}i∈I后，云服务平台选择数据{ml,i}i∈I，然后发送viml,i给云服务器；云服务器随机选择
Figure BDA00033114626500000410
即
Figure BDA00033114626500000411
为了盲化μ′l，令μl＝μ′l+rl，令
Figure BDA00033114626500000412
其次，云服务器计算聚合签名
Figure BDA00033114626500000413
然后给挖矿者节点和区块链发送存储完整性的证据{μ,{σl}1≤l≤V,Y}。
步骤(2-4)数据验证阶段(Verification)阶段流程为：
ProofVeriy(Proof,pkl)，挖矿者节点收到云服务器发送过来的Proof＝{μ,{σl}1≤L≤V,Y}，并验证下式
Figure BDA0003311462650000051
如果该等式成立，挖矿者节点返回TRUE；否则，返回FALSE，并进行单独验证，追溯恶意用户。
(3)单个验证算法步骤为：
步骤(3-1)***建立阶段(Setup)流程为：
设数据拥有者L的数据有n个数据块，为F′＝{mL,1,mL,2,…,mL,n}；***首先执行以下算法生成密钥对和***参数；
分步骤(3-1-1)KeyGen(1k)，输入安全参数k，生成公钥pk＝(N,e)，私钥sk＝d；
分步骤(3-1-2)SignGen(F',sk)，数据拥有者随机选择数据F′＝{mL,1,mL,2,…,mL,n}的标识符
Figure BDA0003311462650000052
对每个数据块mL,n，i∈{1,2,…,n}计算签名σL,i＝(H(name||i)H(mL,i))d，用σ′L表示签名的集合Φ′L＝{σL,1,σL,2,…,σL,n}；
为了保证name的完整性，用户计算t＝name||Signsk(name)作为文件F′的标签，Signsk(name)是在私钥d下的签名；假设挖矿者节点知道F′的块数n，用户将F′和(Φ′L,t)发送给云服务平台。
步骤(3-2)挑战阶段(Challenge)流程为：
挖矿者节点检索文件标签t，并使用pk验证签名t，如果验证失败，则终止交易；如果验证成功，则恢复其name；
为检查F′＝{mL,1,mL,2,…,mL,n}的完整性，用户向挖矿者节点发送验证请求；挖矿者节点收到验证请求后，随机生成一个含有c个元素的子集I＝{sj}1≤j≤c且s1≤s2≤…≤sc，对每个i∈I，挖矿者节点随机选择
Figure BDA0003311462650000053
生成挑战消息chal＝{i,vi}i∈I，并将其发送给云服务器。
步骤(3-3)证据生成阶段(ProofGen)流程为：
ProofGen({mL,i}i∈I,Φ′L,chal,pk)，收到挑战chal＝{i,vi}i∈I后，云服务平台选择数据{mL,i}i∈I，然后发送vimL,i给云服务器；云服务器随机选择r∈Zp，计算Y＝H(r)，并汇总各数据拥有者发送的数据。即
Figure BDA0003311462650000054
为了盲化μ′，令μ＝μ′+r；
同时，云服务器计算聚合签名
Figure BDA0003311462650000061
然后将{μ,σ′L,Y}作为存储完整性的证据发送给挖矿者节点。
步骤(3-4)验证阶段(Verification)流程为：
ProofVeriy(Proof,pk)，收到来自云服务器发送过来的Proof＝{μ,σ′L,Y}，挖矿者节点验证
Figure BDA0003311462650000062
如果上述等式成立，挖矿者节点返回TRUE；反之，返回FALSE，并找出恶意用户。

Claims (2)

1.基于区块链的双重可验证云存储方法，包括数据加解密聚合算法、总体验证算法、单个验证算法，其特征在于，其步骤为：
首先是数据拥有者使用同态加密技术对数据加密和签名后，多用户将密文和签名上传至云服务器；
其次，云服务器将密文聚合结果上传到区块头，数据拥有者分别将上传各个密文对应的信息摘要记录到区块1至区块n上；
然后，数据使用者向云服务器请求数据结果，云服务器返回计算结果；
再其次，数据使用者向挖矿者节点发送验证总数据任务，挖矿者节点接收验证任务后，先在区块链头进行总体结果验证，并返回总数据验证结果；
再然后，如果验证数据正确，云服务器就可以得到服务费，完成交易；如果验证数据不完整，则把错误结果返回给云服务器并终止交易；云服务接收到错误结果反馈后则再次向挖矿者节点发送验证单个数据信息任务；
最后，挖矿者节点收到验证任务后，分别访问区块1至区块n，将单个验证结果返回给云服务器；追溯到的恶意用户将会受到损失保证金的惩罚，并且用户可拒绝支付。
2.根据权利要求1所述的基于区块链的双重可验证云存储方法，其特征在于：
(1)数据加解密聚合算法步骤为：
步骤(1-1)数据准备阶段流程为：
分步骤(1-1-1)密钥分配；在密钥分配阶段，***为每个数据使用者广播由基于密钥长度可变的流加密算法簇算法产生的密钥；
分步骤(1-1-2)计数器；为了使云服务平台能检验出数据拥有者上传的是否是最新数据，每个数据拥有者产生一个计数，并对其进行初始化，通过此方法来保证数据的实时性和抵御重放攻击能力；
分步骤(1-1-3)数据加密；数据拥有者L将原始数据mL进行加密后，再上传至云服务器，这保证了数据的隐私性，其加密算法为cL＝Enc(mL)＝mL+rt*kL；
步骤(1-2)云服务平台聚合密文阶段流程为：
分步骤(1-2-1)密文聚合处理；云服务器将V个数据拥有者上传的密文通过加密算法进行聚合；由于采用的是加法同态加密，所以不需要对密文进行解密，可以直接对上传数据进行相关运算；这既降低了计算开销，也增加了方案的安全性，减少了隐私泄露的风险；其聚合函数为CAGG＝c1+c2+…+cV＝Enc(m1)+Enc(m2)+…+Enc(mv)；
分步骤(1-2-2)数据解密；云服务器收到数据拥有者上传的密文后，对其进行解密处理，其解密函数为
Figure FDA00033114626400000215
(2)总体验证算法步骤为：
在可验证计算方案中，单独验证每个用户的密文会导致过多的通信量，所以需要云服务器将每个签名聚合，先进行总体验证工作；
步骤(2-1)***建立阶段阶段流程为：
设***中一共有V个数据拥有者，每个数据拥有者将自己数据加密后存储在云服务平台上，聚合数据F＝{m1,m2,…,mV}；其中每个数据拥有者l的数据又分为n个数据块，即Fl＝{ml,1,ml,2,…,ml,n}；
分步骤(2-1-1)密钥生成KeyGen(1k)；以安全参数k作为输入，数据拥有者l随机选择两个素数p＝2p′+1和q＝2q′+1,满足p和q也是大素数保证p，q长度相等，计算Nl＝p×q和
Figure FDA0003311462640000021
随机选择整数
Figure FDA0003311462640000022
满足
Figure FDA0003311462640000023
并计算整数dl满足
Figure FDA0003311462640000024
安全地销毁p、q、
Figure FDA0003311462640000025
选择安全的同态哈希函数
Figure FDA0003311462640000026
则用户的公钥pkl＝(Nl,el)，私钥skl＝(dl)；
分步骤(2-1-2)SignGen(Fl,skl)；数据拥有者选择数据Fl的标识符
Figure FDA0003311462640000027
对每个i∈{1,2,…,n}，用户计算签名
Figure FDA0003311462640000028
用σl表示签名的集合Φl＝{σl,1,σl,2,…,σl,i}；
为了保证namel的完整性，用户计算
Figure FDA0003311462640000029
作为文件Fl的标签，
Figure FDA00033114626400000210
是在私钥skl下的签名，用户将Fl和(Φl,tl)发送给云服务器；
步骤(2-2)挑战阶段流程为：
挖矿者节点检索文件标签tl，并使用pkl验证签名tl，如果验证失败，则终止交易；如果验证成功，则恢复其namel；
假设挖矿者节点需要验证V个数据拥有者上传数据的完整性，其随机生成一个含有c个元素的子集
Figure FDA00033114626400000211
且s1≤s2≤…≤sc，对每个i∈I，云服务平台随机选择
Figure FDA00033114626400000212
生成挑战消息chal＝{i,vi}i∈I，并将其发送给云服务器和区块链；
步骤(2-3)证据生成阶段流程为：
ProofGen({ml,i}i∈I,Φl,chal,pkl)，云服务平台收到挑战chal＝{i,vi}i∈I后，云服务平台选择数据{ml,i}i∈I，然后发送viml,i给云服务器；云服务器随机选择
Figure FDA00033114626400000213
即
Figure FDA00033114626400000214
为了盲化μ′l，令μl＝μ′l+rl，令
Figure FDA0003311462640000031
其次，云服务器计算聚合签名
Figure FDA0003311462640000032
然后给挖矿者节点和区块链发送存储完整性的证据{μ,{σl}1≤l≤V,Y}；
步骤(2-4)数据验证阶段流程为：
ProofVeriy(Proof,pkl)，挖矿者节点收到云服务器发送过来的Proof＝{μ,{σl}1≤L≤V,Y}，并验证下式
Figure FDA0003311462640000033
如果该等式成立，挖矿者节点返回TRUE；否则，返回FALSE，并进行单独验证，追溯恶意用户；
(3)单个验证算法步骤为：
步骤(3-1)***建立阶段流程为：
设数据拥有者L的数据有n个数据块，为F′＝{mL,1,mL,2,…,mL,n}；***首先执行以下算法生成密钥对和***参数；
分步骤(3-1-1)KeyGen(1k)，输入安全参数k，生成公钥pk＝(N,e)，私钥sk＝d；
分步骤(3-1-2)SignGen(F',sk)，数据拥有者随机选择数据F′＝{mL,1,mL,2,…,mL,n}的标识符
Figure FDA0003311462640000034
对每个数据块mL,n，i∈{1,2,…,n}计算签名σL,i＝(H(name||i)H(mL,i))d，用σ′L表示签名的集合Φ′L＝{σL,1,σL,2,…,σL,n}；
为了保证name的完整性，用户计算t＝name||Signsk(name)作为文件F′的标签，Signsk(name)是在私钥d下的签名；假设挖矿者节点知道F′的块数n，用户将F′和(Φ′L,t)发送给云服务平台；
步骤(3-2)挑战阶段流程为：
挖矿者节点检索文件标签t，并使用pk验证签名t，如果验证失败，则终止交易；如果验证成功，则恢复其name；
为检查F′＝{mL,1,mL,2,…,mL,n}的完整性，用户向挖矿者节点发送验证请求；挖矿者节点收到验证请求后，随机生成一个含有c个元素的子集I＝{sj}1≤j≤c且s1≤s2≤…≤sc，对每个i∈I，挖矿者节点随机选择
Figure FDA0003311462640000035
生成挑战消息chal＝{i,vi}i∈I，并将其发送给云服务器；
步骤(3-3)证据生成阶段流程为：
ProofGen({mL,i}i∈I,Φ′L,chal,pk)，收到挑战chal＝{i,vi}i∈I后，云服务平台选择数据{mL,i}i∈I，然后发送vimL,i给云服务器；云服务器随机选择r∈Zp，计算Y＝H(r)，并汇总各数据拥有者发送的数据。即
Figure FDA0003311462640000043
为了盲化μ′，令μ＝μ′+r；
同时，云服务器计算聚合签名
Figure FDA0003311462640000041
然后将{μ,σ′L,Y}作为存储完整性的证据发送给挖矿者节点；
步骤(3-4)验证阶段流程为：
ProofVeriy(Proof,pk)，收到来自云服务器发送过来的Proof＝{μ,σ′L,Y}，挖矿者节点验证
Figure FDA0003311462640000042
如果上述等式成立，挖矿者节点返回TRUE；反之，返回FALSE，并找出恶意用户。
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