基于區(qū)塊鏈的不動產(chǎn)電子證照存儲與查詢研究

夏學(xué)亮，劉 超，劉從軍，3

（1 江蘇科技大學(xué)計算機(jī)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212100； 2 鎮(zhèn)江市不動產(chǎn)登記交易中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；3 江蘇科大匯峰科技有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

0 引 言

為推進(jìn)政務(wù)服務(wù)“一網(wǎng)通辦”［1］，國務(wù)院辦公廳印發(fā)了進(jìn)一步推進(jìn)政務(wù)服務(wù)的方案，要求加快不動產(chǎn)電子證照應(yīng)用推廣和跨部門、跨區(qū)域互認(rèn)共享［2］。 一些政務(wù)部門數(shù)據(jù)共享不及時，部門協(xié)作困難，監(jiān)管缺失，無法驗證用戶出示的不動產(chǎn)電子證照真實性，造成為用戶辦理部分業(yè)務(wù)時電子證照不可信的問題［3］。 傳統(tǒng)的不動產(chǎn)電子證照一般采用中心化方式存儲［4］，容易被篡改，數(shù)據(jù)存儲量大，如何確保在原始數(shù)據(jù)提交、處理及管理過程中各階段的數(shù)據(jù)一致性、以及如何確保能快速響應(yīng)電子證照越來越頻繁的應(yīng)用請求，已然成為需要考慮和解決的重要問題［5］。 而且具有中心化結(jié)構(gòu)的服務(wù)器，在數(shù)據(jù)安全性和隱私方面存在諸多問題［6］。

區(qū)塊鏈具有去中心化、防篡改的特性［7］，不少部門把業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存放到區(qū)塊鏈上，以備查證，提高辦事效率［8］。 文獻(xiàn)［4，9］提出了不動產(chǎn)電子證照的建設(shè)思路和系統(tǒng)框架。 文獻(xiàn)［10］提出了基于區(qū)塊鏈的電子證照庫共享交易系統(tǒng)，但無法滿足大規(guī)模的證照管理。 文獻(xiàn)［11］提出了一種去中心化的分布式存儲模型，但存在數(shù)據(jù)被篡改的風(fēng)險。 文獻(xiàn)［12－13］提出了基于聯(lián)盟鏈的電子證照隱私保護(hù)方法和系統(tǒng)的實現(xiàn)，但系統(tǒng)開銷大，查詢效率不高。

針對上述問題，本文設(shè)計了一種基于區(qū)塊鏈的不動產(chǎn)電子證照安全存儲與查詢模型。 該模型通過鏈上和鏈下結(jié)合，將不動產(chǎn)電子證照數(shù)據(jù)指紋、證照索引等信息上傳區(qū)塊鏈，保證數(shù)據(jù)的安全性；同時將不動產(chǎn)電子證照加密存儲在鏈下的分布式數(shù)據(jù)庫中。 本方案既能存儲大量的不動產(chǎn)電子證照數(shù)據(jù)，又能減輕區(qū)塊鏈的存儲壓力；同時，該方案向政務(wù)部門提供證照密文查詢接口，驗證用戶出示的不動產(chǎn)電子證照是否可信，推進(jìn)可信電子證照辦理政務(wù)，減少群眾攜帶紙質(zhì)證照的煩惱。 將不動產(chǎn)電子證照編號作為主要關(guān)鍵詞查詢，能很好地提高查詢效率。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)

1.1 區(qū)塊鏈概念

區(qū)塊鏈由中本聰提出，起源于比特幣，是一種新型的應(yīng)用模式［14］，涵蓋了點對點傳輸、分布式數(shù)據(jù)存儲、密碼學(xué)技術(shù)、共識機(jī)制等多種計算機(jī)技術(shù)。 區(qū)塊鏈主要特征有去中心化、開放性、以及可追溯性［15］。

1.2 區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€又一個區(qū)塊組成的鏈條。 區(qū)塊分為區(qū)塊頭和區(qū)塊體。 區(qū)塊頭利用時間戳把區(qū)塊進(jìn)行有序的排列連接，主要存儲有關(guān)該區(qū)塊的關(guān)鍵信息，區(qū)塊體則存儲交易信息。 區(qū)塊包含版本號、時間戳、Merker 根、交易數(shù)據(jù)與上一個區(qū)塊的鏈接的哈希值。 區(qū)塊結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Blockchain data structure

1.3 哈希算法

哈希算法能將不同的明文散列為固定二進(jìn)制字符串，計算的結(jié)果為哈希值，也稱數(shù)據(jù)指紋或者數(shù)字摘要［16］。 哈希算法具有單向不可逆，輸入敏感的特性，如果輸入不同，則哈希值不同。 目前，主流的哈希算法有SHA－224、SHA－256 和SHA－512。

1.4 共識算法

共識機(jī)制是為了保證在分布式系統(tǒng)中維護(hù)數(shù)據(jù)的一致性而設(shè)計的［17］。 本文構(gòu)建聯(lián)盟鏈存儲和共享不動產(chǎn)電子證照數(shù)據(jù)的區(qū)塊鏈系統(tǒng)，采用委托權(quán)益證明共識算法（DPOS）［18］。 該算法通過股東投票方式選出代表獲得記錄和驗證權(quán)，大幅縮短了共識達(dá)成時間，可達(dá)到秒級驗證［19］。

2 基于區(qū)塊鏈的不動產(chǎn)電子證照安全存儲與共享

2.1 不動產(chǎn)電子證照數(shù)據(jù)的存儲架構(gòu)

不動產(chǎn)電子證照安全存儲模型如圖2 所示。 由圖2 可知，不動產(chǎn)電子證照安全存儲模型主要包括以下實體：

圖2 不動產(chǎn)電子證照安全存儲模型Fig. 2 Secure storage model of real estate electronic license

（1）分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（Distributed Data－base System，DDBS）。 不動產(chǎn)電子證照存儲在DDBS 中，為了保證不動產(chǎn)電子證照數(shù)據(jù)的隱私性，通過加密算法進(jìn)行存儲。

（2）不動產(chǎn)登記中心。 負(fù)責(zé)上傳本地不動產(chǎn)電子證照文件。

（3）政務(wù)部門。 該模型對政務(wù)部門提供不動產(chǎn)電子證照查詢接口，同時驗證證照數(shù)據(jù)完整性。

（4）數(shù)據(jù)區(qū)塊。 為了防止不動產(chǎn)電子證照數(shù)據(jù)被篡改、內(nèi)容不可信，本文模型將在區(qū)塊體交易記錄中存儲不動產(chǎn)電子證照數(shù)據(jù)指紋、不動產(chǎn)電子證照元數(shù)據(jù)，以保證政務(wù)部門查詢以及進(jìn)行證照數(shù)據(jù)完整性驗證。 在區(qū)塊中，每一條交易記錄有3 個元組：不動產(chǎn)電子證照數(shù)據(jù)指紋、元數(shù)據(jù)和公鑰。

（5）區(qū)塊鏈。 記錄交易。

2.2 不動產(chǎn)電子證照數(shù)據(jù)的預(yù)處理

為了實現(xiàn)不動產(chǎn)電子證照的安全存儲以及密文查詢和完整性驗證，不動產(chǎn)登記中心上傳時應(yīng)對不動產(chǎn)電子證照文件進(jìn)行預(yù)處理。

（1）根據(jù)不動產(chǎn)電子證照文件生成不動產(chǎn)電子證照元數(shù)據(jù)。 將權(quán)利人、不動產(chǎn)電子證照編號、不動產(chǎn)單元號、時間戳等信息從不動產(chǎn)電子證照文件中提取出來作為關(guān)鍵詞，得到關(guān)鍵詞集合KW ＝（KW1，KW2，…，KWn），作為不動產(chǎn)電子證照的元數(shù)據(jù)。

（2）創(chuàng)建倒排索引：用由（1）得到的元數(shù)據(jù)來創(chuàng)建密文關(guān)鍵詞集合EKW ＝（EKW1，EKW2，…，EKWn）。 提取包含每一個密文關(guān)鍵詞的不動產(chǎn)電子證照文件Fi，將其當(dāng)作一個元組插入到索引鏈表中。 索引結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 倒排索引結(jié)構(gòu)Fig. 3 Inverted index structure

不動產(chǎn)電子證照數(shù)據(jù)在鏈上存儲時，為了保證索引的安全性，區(qū)塊鏈負(fù)責(zé)管理索引。 為了方便證照數(shù)據(jù)查詢，本文擴(kuò)展了區(qū)塊頭字段，來存儲預(yù)處理后的不動產(chǎn)電子證照文件索引，如圖4 所示。

圖4 擴(kuò)展的區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)Fig. 4 Extended blockchain structure

2.3 不動產(chǎn)電子證照數(shù)據(jù)的安全存儲

為了實現(xiàn)不動產(chǎn)電子證照數(shù)據(jù)的采集并進(jìn)行安全存儲，表1 列出了所用符號及含義。

表1 符號和含義Tab. 1 Symbols and meanings

不動產(chǎn)電子證照數(shù)據(jù)的采集存儲過程具體如下：

（1）不動產(chǎn)登記中心以自身的公鑰作為標(biāo)識，提交上傳請求至本地數(shù)據(jù)記錄節(jié)點，表示如下：

（2）本地數(shù)據(jù)記錄節(jié)點收到請求后，對不動產(chǎn)登記中心的公鑰進(jìn)行驗證。

（3）不動產(chǎn)登記中心用自己的私鑰對不動產(chǎn)電子證照數(shù)據(jù)指紋進(jìn)行數(shù)字簽名，同時使用自身的公鑰加密數(shù)據(jù)。 具體描述如下：

（4）上傳的不動產(chǎn)電子證照數(shù)據(jù)由本地數(shù)據(jù)記錄節(jié)點收集，在分布式數(shù)據(jù)庫進(jìn)行加密存儲，同時向數(shù)據(jù)記錄節(jié)點提交元數(shù)據(jù)。

（5）數(shù)據(jù)記錄節(jié)點的工作量證明：每隔10 min收集的數(shù)據(jù)被數(shù)據(jù)記錄節(jié)點Nj合并成數(shù)據(jù)集合，數(shù)據(jù)記錄管理權(quán)限由工作量證明確定，具體描述為式（4）：

（6）數(shù)據(jù)記錄節(jié)點間的區(qū)塊共識過程：本文區(qū)塊共識使用DPOS 共識算法進(jìn)行。

2.4 不動產(chǎn)電子證照查詢及文件完整性驗證

為了保證不動產(chǎn)電子證照數(shù)據(jù)的隱私性，不動產(chǎn)電子證照數(shù)據(jù)加密存儲在分布式數(shù)據(jù)庫中。 同時為了方便快速查詢不動產(chǎn)電子證照信息，本文采用可搜索加密技術(shù)進(jìn)行查詢。 下面給出了證照密文查詢以及證照文件完整性驗證過程，如圖5 所示。

圖5 查詢與驗證數(shù)據(jù)完整性過程Fig. 5 Integrity of querying and verifying data

（1）政務(wù)部門→私有云：用戶辦理相關(guān)業(yè)務(wù)時（公安戶籍管理、居民子女入學(xué)、工商注冊登記、繳稅納稅等），向政務(wù)部門出示不動產(chǎn)電子證照，工作人員獲取用戶提供的不動產(chǎn)電子證照原件，調(diào)用查詢接口，輸入關(guān)鍵詞（證照開始時間＋權(quán)利人或不動產(chǎn)電子證照電子編號＋不動產(chǎn)單元號等）進(jìn)行查詢。私有云獲取政務(wù)部門查詢請求后，系統(tǒng)先在鏈上查詢政務(wù)部門所需時間段的不動產(chǎn)電子證照信息；此后通過區(qū)塊鏈上面的時間戳找到不動產(chǎn)電子證照目標(biāo)區(qū)塊。

（2）政務(wù)部門←私有云：根據(jù)區(qū)塊鏈存儲的索引信息得到不動產(chǎn)電子證照數(shù)據(jù)密文，返回給政務(wù)部門。 政務(wù)部門解密數(shù)據(jù)密文，查看不動產(chǎn)電子證照數(shù)據(jù)。

（3）政務(wù)部門?區(qū)塊鏈：在查詢到相關(guān)不動產(chǎn)電子證照數(shù)據(jù)的同時，根據(jù)區(qū)塊交易記錄政務(wù)部門獲取相關(guān)不動產(chǎn)電子證照數(shù)據(jù)指紋，將該數(shù)據(jù)指紋與用戶出示的不動產(chǎn)電子證照計算得出的數(shù)據(jù)指紋，進(jìn)行比對，若兩者一致，說明用戶出示的不動產(chǎn)電子證照f未經(jīng)篡改，證照可信，繼續(xù)辦理相關(guān)業(yè)務(wù)。 若兩者不一致，說明用戶出示的不動產(chǎn)電子證照被惡意篡改，電子證照不可信，終止辦理相關(guān)業(yè)務(wù)。

2.5 安全性分析

（1）數(shù)據(jù)隱私性問題。 不動產(chǎn)登記中心利用加密算法將電子證照密文上傳至分布式數(shù)據(jù)庫中，同時使用系統(tǒng)預(yù)設(shè)的哈希算法（SHA－256）計算出每個不動產(chǎn)電子證照文件的哈希值，鏈上只保存了哈希值以及加密的證照元數(shù)據(jù)，有效保護(hù)了用戶的證照隱私，節(jié)約了鏈上寶貴的存儲空間。

（2）數(shù)據(jù)完整性問題。 鏈下使用分布式數(shù)據(jù)庫存儲加密數(shù)據(jù)，鏈上保存原始數(shù)據(jù)哈希值，如果數(shù)據(jù)被篡改，則哈希值改變。 而且每一個節(jié)點數(shù)據(jù)都有備份，可有效防止數(shù)據(jù)丟失，以保證其完整性。

（3）數(shù)據(jù)可追溯性問題。 節(jié)點采集到的不動產(chǎn)電子證照數(shù)據(jù)都需附上數(shù)字簽名等信息，可以據(jù)此保證節(jié)點的合法性和數(shù)據(jù)來源的真實性。

本文將基于區(qū)塊鏈的不動產(chǎn)電子證照安全存儲方案與一些電子證照存儲方法進(jìn)行方案對比，結(jié)果見表2。

表2 存儲方案對比Tab. 2 Comparison of storage schemes

3 仿真實驗

不動產(chǎn)電子證照的聯(lián)盟鏈?zhǔn)褂肑ava 語言進(jìn)行開發(fā)，jdk 版本為1.8。 該鏈部署在3 臺物理機(jī)和4臺VM（ubuntu16.04）虛擬機(jī)中，即該鏈有7 個節(jié)點；Hadoop 文件存儲系統(tǒng)作為鏈下的分布式數(shù)據(jù)庫，同時偽分布式集群環(huán)境在1 臺物理機(jī)上進(jìn)行搭建，版本為Hadoop3.2.2。

為了驗證在確保安全性的前提下本文所提方案的查詢效率，本文將使用倒排索引的證照查詢方法與傳統(tǒng)的區(qū)塊鏈上查詢證照的方法進(jìn)行查詢時間對比，不動產(chǎn)電子證照元數(shù)據(jù)保持相同數(shù)量存儲在數(shù)據(jù)區(qū)塊中，隨著不動產(chǎn)電子證照的一直增加，記錄2種方案的證照查詢時間。 本文以某市不動產(chǎn)登記中心2020～2021年的辦理的不動產(chǎn)電子證照為測試數(shù)據(jù)集進(jìn)行查詢，不動產(chǎn)電子證照數(shù)量從10 000增加到300 000，隨著證照數(shù)量的不斷增加，記錄查詢方案耗費的時間。 實驗過程中，每個測試數(shù)據(jù)均為實驗運行20 次所取的平均值，2 種查詢方案查詢耗時對比如圖6 所示。

圖6 不動產(chǎn)電子證照查詢時間Fig. 6 Query time of real estate electronic licenses

從圖6 中可以看出，由于不動產(chǎn)電子證照存儲規(guī)模的不斷擴(kuò)大，2 種方案的查詢時間也慢慢變長，本文所提出的鏈上查詢方案在提高安全性的基礎(chǔ)上，查詢耗時以較慢的趨勢增加，傳統(tǒng)區(qū)塊鏈查詢的方法耗時的增長趨勢較快，本文方案在增長速度上明顯較好。 本文鏈上查詢使用倒排索引，查詢效率和區(qū)塊數(shù)量有關(guān)，時間復(fù)雜度為O（｜KW｜?｜N｜），其中｜N ｜為區(qū)塊數(shù)量，｜KW ｜是關(guān)鍵詞數(shù)量。 由于不動產(chǎn)電子證照的獨特性，將不動產(chǎn)電子證照編號作為主要關(guān)鍵詞，能夠提高查詢效率。 傳統(tǒng)的區(qū)塊鏈查詢證照根據(jù)區(qū)塊順序進(jìn)行查找，區(qū)塊數(shù)量越多，查詢時間越長，隨著證照數(shù)量的增多，耗時也快速增加。 本文方案查詢耗時的增加并不快速，總體來說，本文中查詢方案的效率性能較好。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于區(qū)塊鏈的不動產(chǎn)電子證照安全存儲與查詢方案。 該方案通過使用鏈上鏈下結(jié)合的方法，既能實現(xiàn)不動產(chǎn)電子證照的大量存儲，也能防止不動產(chǎn)電子證照信息被惡意篡改，保證了電子證照的安全可信。 同時，在不占用計算資源的情況下采用DPOS 共識算法，確保了不動產(chǎn)電子證照數(shù)據(jù)的一致性；此外，本方案對政務(wù)部門提供了不動產(chǎn)電子證照密文查詢接口，政務(wù)部門可以通過查詢關(guān)鍵詞獲取相關(guān)的不動產(chǎn)電子證照信息，驗證不動產(chǎn)電子證照文件完整性。 該方案保證了不動產(chǎn)電子證照數(shù)據(jù)的完整性、安全性、隱私性以及可信，同時為推進(jìn)可信不動產(chǎn)電子證照辦理政務(wù)提供了一條新的思路。