一種基于區塊鏈上的數據安全共享加密方案

郭敏 金泳

（湖南恒茂高科股份有限公司，湖南 醴陵 412200）

信息爆炸時代的到來，數據已成為一種重要的戰略性資源。數據共享的潛在價值越來越大，數據資源的廣泛應用同時帶來了隱私安全保護問題，傳統的數據中心化的共享方案雖能夠解決共享中互不信任、數據無法共享的問題，但也存在一定的缺點。數據都集中存儲在第三方機構中，一旦第三方機構受到攻擊，數據在共享時無法避免被刪除或更改的風險。區塊鏈技術的非對稱加密、哈希算法保證數據不被篡改、以及全透明去中心化的特點，能夠有效解決惡意攻擊篡改數據、改變目前傳統的中心化機制共享的問題。但是區塊鏈公開透明的特點導致了存在隱私數據共享時的泄露。傳統的哈希函數加密方法已不足以支撐部分隱私數據的安全共享，以此需要采用一種新的加密算法，確保隱私數據既能加密共享，又能降低隱私數據的泄露程度。同態加密是一種能夠在區塊鏈本身原有加密基礎上使用、無需提前解密已加密數據就執行計算的方法。通過使用同態加密技術，在區塊鏈上存儲數據、共享數據時不會改變區塊鏈的屬性，也不會造成任何重大的變動，可以達到一種完美的平衡。因此本文采用同態加密技術，提出一種基于區塊鏈上的數據安全共享的方案，以期為數據安全共享提供一定的借鑒。

數據安全共享是目前國內外學者研究的熱點，Shen.WT提出了一種遠程數據完整的審計共享方案，借助云存儲服務，實現了隱藏在遠程數據完整審計中的敏感信息的共享[1]。陳真勇以現代技術相互融合為起點，提出了一種數據共享安全和融合框架，分析得出數據共享和融合是建設智慧城市的首要核心問題[2]。孫曉燕[3]、莊倩[4]、S.B.Linek等[5]、K.Williamson[6]等對科研數據共享提出了框架、模型、算法等研究。區塊鏈因其去中心化、公開透明的特點，在其基礎上的數據共享已成為新的挑戰。董祥千等認為數據開放共享式推動數據相關產業發展的源動力，為了保證數據的安全，借助區塊鏈技術建立了一種全新的去中心化數據共享模型，模型中采用的是安全多方計算及差分隱私技術保障數據所有者的計算和輸出隱私[8]。醫療數據安全共享困難一直都是醫療行業的一大痛點，薛騰飛等提出了一個基于區塊鏈的醫療數據共享模型，適用于解決各醫療機構數據安全共享的難題[10]。針對能源互聯網企業與外間的數據共享中存在的一些隱患問題，王繼業結合區塊鏈的去中心化、資助對等、難以更改的技術特征，構建了基于區塊鏈的數據安全共享網絡體系[11]。由此不難看出，由于共享經濟獨特的發展特征，數據之間的安全共享已經變得越來越重要。近年，我國學者在同態密碼學研究上發表了一些成果，在探索過程中，將同態加密技術應用多在云計算、多方計算、匿名訪問、電子商務等領域[12]。但也有一些學者結合了區塊鏈與同態加密的特征，設計發明了一些專利，例如鄭珂威設計發明了基于完全同態加密的區塊鏈信息加密方法、華為公司也利用了同態加密的算法以實現區塊鏈的安全隱私保護。在梁秀波等[13]人發明的基于加法同態加密的區塊鏈的隱私保護方法中，文中采用的是加法同態加密，很好的保護了區塊鏈上交易數據的隱私，提高了交易的安全性。

一、相關知識

（一）區塊鏈相關技術

目前，關于區塊鏈的研究越來越多，但卻尚未形成一個公認的區塊鏈定義，最為廣泛的定義是區塊鏈是一種以塊鏈結構存儲數據，并由多方共同維護，使用密碼學技術保證傳輸和訪問安全，能夠實現數據永久存儲、無法篡改、無法侵入的技術體。換言之，區塊鏈就是利用計算機程序在全網記錄所有交易信息的一個分布式中心化賬本[14]。區塊鏈分為狹義區塊鏈和廣義區塊鏈，狹義區塊鏈主要是以區塊鏈技術應用，只是一個分布式賬本，是業內一種“弱區塊鏈”的觀點。廣義的區塊鏈其實才是核心。從廣義來說，區塊鏈技術則是一種去中心化的分布式計算范式[10]。以加密鏈式來驗證與存儲數據、以分布式共識算法來生成和更新數據，以及智能合約（自動化腳本）來編程和操作數據。

區塊鏈的安全機制實則是依據它的原理決定的，區塊鏈采用的是分布式存儲，利用點對點的組成方式聯結網絡。每一個節點都可以保存區塊鏈全部數據的信息，如此是為了避免由傳統的中心節點存儲時，一旦中心節點受到攻擊而全部的數據信息受到損失的情況。點對點的分布式存儲可以建立節點之間的信任關系，也可以避免對于單一節點的過量訪問導致網絡擁擠的現象。

（二）同態加密基本知識

同態加密的概念首次提出于Rivest等學者1978年的《On databanks and privacy homomorphic》[15]論文中，是允許用戶直接對密文進行特定的代數運算后，得到的數據仍是加密的結果，也就是說，對明文進行同樣的代數運算操作后，得到的結果也是一樣的加密。

同態加密一般是由四個部分組成：密鑰的生成、同態加密、同態解密以及同態賦值。密鑰的生成是由安全參數λ生成公鑰pk、私鑰sk。同態加密是指給出指定明文m∈{0，1}*，用公鑰pk將其加密，得到密文c。同態解密是指輸入私鑰sk和密文c進行解密計算，輸出明文m’。同態賦值是指輸入公鑰pk，t個輸入的電路C，一組密文c=(c1,c2,…,ct)，輸出c*=evaluate(pk，C，c)，且 滿 足dec(sk，c*)=C（m1,m2,…mn）。其中evaluate算法是完全同態加密中最重要的部分，通過evaluate算法可以對任意函數進行計算。

二、區塊鏈數據加密共享機制

區塊鏈技術的本身使得數據對每個參與方都是可達的，即用戶的數據對各個參與方是透明的，任何組織都可以訪問到相同的數據。目前，大部分的區塊鏈并沒有滿足數據的隱私性要求，針對該問題本文提出了提一種隱私數據安全共享加密機制，保障了需求數據在共享過程中不泄露隱私數據。如下圖1所示，政府、人社局、公積金中心、公安部門和部門隱私數據都各自成為區塊鏈的對等節點，實現去中心化，共享政務部門數據。在區塊鏈網絡節點中，執行的所有操作都是防篡改的，便于記錄與控制。在節點間進行數據交易時，調用智能合約技術實現同態加密的合約。保證在不受信任方實現隱私數據的共享，在各方共同存儲與計算數據的同時保證數據共享中完全隱私的目的。

圖1同態加密區塊鏈數據交易示意圖

本文提出了的一種基于區塊鏈上的數據安全共享機制，步驟如下：

1.生成一對同態密鑰作為全網的同態密鑰；公開公鑰，私鑰保存在自身手中，可用于本人的申請操作可見數據分享情況；2.拆分數據擁有者的數據，需要分享的數據以及不分享的隱私數據；3.使用全網公開的公鑰加密拆分后分享的數據以及不分享的數據，此加密采用加法同態加密算法；4.使用數據接收方的公鑰加密需要分享的數據，此加密算法采用加法同態加密算法；5.數據擁有者發起數據共享的交易，將加密后的密文發送至區塊鏈，區塊鏈選取一個代表節點進行驗證交易數據。

三、性能分析

（一）安全性分析

安全性分析的主要內容是關于方案可能受到的攻擊。從加密方案的層面上講，如果數據申請訪問方想成功的訪問加密的數據，首先必須要擁有全網同態加密密文的密鑰，但私鑰是保存在第三可信方中，在本文的環境下，假設申請者從未向全網公開自己的身份，意味著他的身份在全網是不予認證通過的，他無法得到第三可信方的信任，也就無法獲得密文的私鑰，從而降低了方案的被攻擊性。從攻擊區塊鏈的層面看，區塊鏈技術本身擁有許多的礦工，從博弈論的角度來看，本文的方案抵御了這種攻擊。

（二）私密性分析

本文的方案可以從以下幾個方面為數據共享時提供高質量的隱私保護服務：首先，本文基于區塊鏈上采用底層的哈希函數來保證數據存儲的完整性和真實性，同時在數據共享時使用同態加密方案來確保數據共享過程中的安全性。通過在全網生成同態密鑰，私鑰保存在第三可信方中，數據在共享時只以密文的形式出現在臉上。該機制可以為數據安全共享提供更好的隱私保護。其次，與其他隱私保護方案相比，本文密鑰管理更方便。由于私鑰是保存在第三可信方中，當用戶在丟失了自己的數據申請情況下，通過本人的申請操作重新找回私鑰，也就是說，密鑰管理的復雜性相對較低。

四、總結

同態加密方案主要是加密隱私數據，而區塊鏈技術的“分布式、去中心化”的明顯特征，使得隱私數據安全共享具有較好的應用優勢和前景。不少的學者在區塊鏈技術與加密算法的結合應用方面給出了確保數據安全共享先進的研究。本文通過先分析數據共享在如今社會的影響性以及普及性，提出了結合基于區塊鏈技術下數據共享的發展研究；再以區塊鏈技術作為底層技術，提出了一種區塊鏈技術下的隱私數據安全共享機制研究，結合了目前在區塊上數據的共享過程以及在同態加密算法下的數隱私據共享保密方案，在經典的Paillier同態加密方案的基礎上，結合本文的數據共享機制引入了一種變體的同態加密算法，在隱私數據安全共享方面給予了保障。本文提出的加密方案可以幫助隱私數據安全共享，以滿足如今的共享經濟的發展需求。希望本文可以對數據安全共享時減少隱私數據的泄露提供一個好的借鑒，以便于為未來的研究發展提供有益的啟發。