CN115549998A - 一种基于区块链和多密钥同态加密的数据协同方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于区块链和多密钥同态加密的数据协同方法，包括如下步骤：1）网络预认证阶段；2）任务发布阶段；3）任务初始化阶段；4）分布式计算阶段；5）多密钥同态聚合阶段；6）联合解密。这种方法实现了区块链上的任务发布、协同计算，切实保护计算方的原始数据安全和协同计算的全程可控监管，保证数据协同交易的真实性和完整性。

Description

一种基于区块链和多密钥同态加密的数据协同方法

技术领域

本发明涉及区块链、隐私计算等技术领域，具体是一种基于区块链和多密钥同态加密的数据协同方法。

背景技术

数据共享与隐私保护之间的矛盾仍然是工业互联网发展中的一个障碍，目前的工业互联网平台存在数据共享隐私保护不足、数据价值释放低、数据治理混乱等问题。供应链机构希望构建可信的工业互联网数据联盟，通过共享包括生产数据、仓库数据和转发数据进行多方协同计算，实现产业数据的贯通和核心业务的协同带来的更大数据价值。但有一个严重的问题是，一旦原始数据被共享，它可能会被窃取或无限期地重用。此外，独立企业之间的数据和计算协作仍然面临着互信的挑战。

区块链可以理解为一个不可篡改的数据库，并且通过图灵完备的智能合约可以实现链上任何逻辑的执行。但是在区块链上的任何行为，包括交易转账和合约执行，不仅需要花费经济成本，而且要经由链上所有共识节点执行一次逻辑，造成链上资源的极大浪费，也影响了区块链本身的性能，因此，区块链本质上不适用于大规模复杂运算。

安全多方计算(Secure Multi-Party Computation，简称MPC)可以表示用户在无需进行数据归集的情况下，完成数据协同计算，同时保护数据所有方的原始数据隐私。参与各方在数据保留在各自本地的情况下，执行共同的既定计算逻辑(算法)，得到计算结果。计算完成，参与各方除了自己的输入数据和输出结果外，无法获知任何额外信息。

同态加密(Homomorphic Encryption,简称HE)指将原始数据经过同态加密后，对密文进行特定的运算，得到的密文计算结果在进行同态解密后的得到的明文等价于原始明文数据直接进行相同计算所得到的数据结果。与其他加密方案一样，HE也使用加密密钥K_e加密明文并仅允许具有匹配解密密钥的文本K_d访问其数据(使用对称和非对称密钥)，但主要区别在于它增加了计算密文的评估功能，无需访问解密密钥并保持结果加密。

发明内容

本发明目的在于针对数据不出域场景下现有技术的不足，提出一种基于区块链和多密钥同态加密的数据协同方法，这种方法能实现区块链上的任务发布、协同计算，切实保护计算方的原始数据安全和协同计算的全程可控监管，保证数据协同交易的真实性和完整性。

实现本发明目的的技术方案是：

一种基于区块链和多密钥同态加密的数据协同方法，该方法涉及的三方实体定义为任务发起者、参与方和数据协同平台，即区块链节点，所述方法包括如下步骤：

1)网络预认证阶段：为了避免隐私泄露和防止数据提供者失去对数据的控制，同时为分布式计算提供公共可验证性，利用区块链技术对分布式结算进行公开审计，结合多密钥同态加密完成安全数据聚合操作，首先区块链数据协同平台对加入该平台的数据联盟方进行审核、注册，组成区块链网络，所有用户被分为两种类型：协同任务发起者即开发者联盟、计算参与方即数据持有者；

2)任务发布阶段：任务生成器负责收集计算任务，任务发起者在用户端数据协同平台即区块链节点上使用智能合约部署他/她的数据协同任务，包括任务摘要、参与方加入算法、聚合计算算法、数据审查算法即参与方身份和数据集校验，其中任务摘要包括任务描述、数据集要求、算法仓库地址，具体智能合约功能如下表：

3)任务初始化阶段：参与方根据任务摘要找到感兴趣的任务，并发起智能合约调用请求，提交数据集，区块链数据协同平台通过任务摘要提供数据集案例或数据处理模型地址，通过不经意传输即OT任务参与方通过下载模型至本地完成初步计算，并获得公共参数CRS，用于后续加密过程；

4)分布式计算阶段：参与方通过上一步智能合约摘要中的数据集案例或数据处理模型地址，对本地数据处理后并发起智能合约调用请求，提交经过同态加密的计算结果，每个数据提供者即DP会对自己的隐私数据生成佩德森承诺，以确保数据的保密性和一致性，该确认将会经过DP的签名并作为CT和ST上传到区块链进行保存，每个参与方独立生成自己的密钥并加密数据集，发送至区块链节点；

5)多密钥同态聚合阶段：当调用请求满足访问控制算法时，智能合约自动在区块链节点上执行协同计算，将参与方数据、计算过程中间信息上传至区块链完成存证，用于合约达成区块链共识，参与方得到协同计算的结果；

6)联合解密：所有参与计算的参与方共同解密密文，得到协同任务的聚合结果。

与现有技术相比，本技术方案具有以下优势：

1.基于区块链的新型数据协同***，补充了现有的数据托管/交换模型，在原始数据不出域场景下，提供数据处理即服务模式。

2.方案采用链下本地计算，链上结果聚合的方式增强方案的可拓展性和数据聚合过程的安全级别。通过区块链共识机制和智能合约自动执行，防止数据写入区块链账本后被篡改，保证数据集和计算结果的真实性和完整性。

3.通过多密钥同态加密技术在保护用户数据集隐私安全的同时，实现多方数据集结果的聚合计算，相比传统的同态加密算法，我们的方案可以处理几个不同密钥相关的加密数据，并依赖于所有合作方完成明文结果的恢复。

这种方法可以保证数据拥有者在原始数据不出域的前提下完成安全多方数据融合的产业协同任务，使用区块链技术对数据流和计算过程全程监管，保证数据协同交易的真实性和完整性。

附图说明

图1为实施例的区块链网络协同方法示意图；

图2为实施例的多密钥同态加密方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。

实施例：在工业互联网场景下，龙头企业A计划整合上下游资源与企业B、C和企业D达成合作，共同对生产的产品P进行价格预测。龙头企业A规模较大，且信息化部门较完善，担任本次协同任务的发布方。A企业通过向联盟区块链网络注册协同任务智能合约发布任务，并广播给其余参与方。企业B、C和D使用基于区块链和多密钥同态加密的数据协同方法，完成预认证、任务初始化等步骤，在数据不出域的场景下，完成整个联盟链的产品价格预测任务。

参照图1，一种基于区块链和多密钥同态加密的数据协同方法，该方法涉及的三方实体定义为任务发起者、参与方和数据协同平台，即区块链节点，所述方法包括如下步骤：

1)网络预认证阶段：为了避免隐私泄露和防止数据提供者失去对数据的控制，同时为分布式计算提供公共可验证性，利用区块链技术对分布式结算进行公开审计，结合多密钥同态加密完成安全数据聚合操作，首先区块链数据协同平台对加入该平台的数据联盟方企业A、B、C和D进行审核、注册，组成区块链网络，企业A为协同任务发起者即开发者联盟、企业B、C和D为计算参与方即数据持有者，其中协同任务发起者企业A担任扩充网络智能合约的职责，通过开发包括隐私计算、访问控制、数据融合等智能合约获取收益，实现数据处理即服务；计算参与方企业B、C和D是协同任务的参与者联盟，通过调用协同任务智能合约完成多方数据的安全融合共享；

2)任务发布阶段：任务生成器负责收集计算任务，任务发起者在用户端数据协同平台即区块链节点上使用智能合约部署他/她的数据协同任务，包括任务摘要、参与方加入算法、聚合计算算法、数据审查算法即参与方身份和数据集校验，其中任务摘要包括任务描述、数据集要求、算法仓库地址，具体智能合约功能如下表：

①初始化聚合：由任务发布者制定协同任务的聚合要求、聚合算法，并通过区块链平台进行全网广播，由参与方调用智能合约自动执行；

②参与方加入：参与方根据自身数据集和协同任务需求选择网络中合适的智能合约，校验自身信誉值或身份信息注册聚合交易成为参与方；

③设置随机数：生成***随机数作为协同任务的公共参数，并发送给参与方；

④停止：依据聚合要求在参与方数量或数据量上限后，停止参与方加入；

⑤查看参与方：调用智能合约查看参与方身份信息、数据存证以及公钥；

⑥聚合计算：利用同态加密算法对多方加密数据进行协同计算；

⑦获取聚合值：参与方调用智能合约获取聚合密文；

⑧得到随机数：获取所有参与方的公钥对用于多密钥同态解密；

3)任务初始化阶段：企业B、C和D根据任务摘要找到感兴趣的任务，并发起智能合约调用请求，提交数据集，区块链数据协同平台通过任务摘要提供数据集案例或数据处理模型地址，本例智能合约根据本次交易的安全参数λ，调用LWE.Setup(1^λ)来生成多密钥同态加密的公共参数pp^MKHE用于后续加密过程，通过不经意传输即OT任务参与方通过下载模型至本地完成初步计算，并获得公共参数pp^MKHE，用于后续加密过程；

4)分布式计算阶段：如图2所示，企业B、C和D通过上一步智能合约摘要中的数据集案例或数据处理模型地址，对本地数据处理后并发起智能合约调用请求，每个参与方根据公共参数pp^MKHE独立生成自己的密钥三元组(PK_i,BK_i,KS_i)，分别为公钥、自举密钥、密钥转换密钥，通过分布式计算模型完成本地计算后并发起智能合约调用请求，对于输入比特m∈{0,1}，运行LWE.Enc(m)并返回一个LWE密文，其中

这是一个标准的LWE加密，从Tⁿ中均匀采样得到a作为mask，从D_α中采样得到e作为误差，输出密文ct＝(b,a)∈T_n+1+1满足b+<a,

同态计算后密文的维度增加，应存储参与方的索引以便解密和进行同态操作，然后提交经过同态加密的计算结果，每个数据提供者即DP会对自己的隐私数据生成佩德森承诺，以确保数据的保密性和一致性，该确认将会经过DP的签名并作为CT和ST上传到区块链进行保存，每个参与方独立生成自己的密钥并加密数据集，发送至区块链节点；

5)多密钥同态聚合阶段：企业B、C和D发起智能合约调用请求，当调用请求满足访问控制算法时，提交经过同态加密的数据集、公共参数pp^MKHE自身公钥PK_i，智能合约自动在区块链节点上执行协同计算，将企业B、C和D数据、计算过程等进行格式审查并上链存证，结果用于合约达成区块链共识，企业B、C和D由于只掌握自身数据集的明文，只会得到协同计算的结果，当企业B、C和D数量或数据集大小等达到条件触发智能合约要求后，区块链数据协同平台对多方数据集进行记录，完成同态评估过程，并利用企业B、C和D公钥序列得到最终的LWE密文

返回企业B、C和D；

6)联合解密：所有参与计算的参与方利用BK_i共同解密密文，得到协同任务的聚合结果。

Claims (1)

1.一种基于区块链和多密钥同态加密的数据协同方法，其特征在于，该方法涉及的三方实体定义为任务发起者、参与方和数据协同平台，即区块链节点，所述方法包括如下步骤：

1)网络预认证阶段：为了避免隐私泄露和防止数据提供者失去对数据的控制，同时为分布式计算提供公共可验证性，利用区块链技术对分布式结算进行公开审计，结合多密钥同态加密完成安全数据聚合操作，首先区块链数据协同平台对加入该平台的数据联盟方进行审核、注册，组成区块链网络，所有用户被分为两种类型：协同任务发起者即开发者联盟、计算参与方即数据持有者；

2)任务发布阶段：任务生成器负责收集计算任务，任务发起者在用户端数据协同平台即区块链节点上使用智能合约部署他/她的数据协同任务，包括任务摘要、参与方加入算法、聚合计算算法、数据审查算法即参与方身份和数据集校验，其中任务摘要包括任务描述、数据集要求、算法仓库地址，具体智能合约功能如下表：

3)任务初始化阶段：参与方根据任务摘要找到感兴趣的任务，并发起智能合约调用请求，提交数据集，区块链数据协同平台通过任务摘要提供数据集案例或数据处理模型地址，通过不经意传输即OT任务参与方通过下载模型至本地完成初步计算，并获得公共参数CRS，用于后续加密过程；

4)分布式计算阶段：参与方通过上一步智能合约摘要中的数据集案例或数据处理模型地址，对本地数据处理后并发起智能合约调用请求，提交经过同态加密的计算结果，每个数据提供者即DP会对自己的隐私数据生成佩德森承诺，以确保数据的保密性和一致性，该确认将会经过DP的签名并作为CT和ST上传到区块链进行保存，每个参与方独立生成自己的密钥并加密数据集，发送至区块链节点；

5)多密钥同态聚合阶段：当调用请求满足访问控制算法时，智能合约自动在区块链节点上执行协同计算，将参与方数据、计算过程中间信息上传至区块链完成存证，用于合约达成区块链共识，参与方得到协同计算的结果；

6)联合解密：所有参与计算的参与方共同解密密文，得到协同任务的聚合结果。

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