區(qū)塊鏈在加強信用數(shù)據(jù)共享及管理中的技術(shù)探究

摘要：在傳統(tǒng)的信用數(shù)據(jù)共享管理中，數(shù)據(jù)持有者缺乏數(shù)據(jù)開發(fā)動力、缺少安全管理手段、缺乏數(shù)據(jù)流通專業(yè)技術(shù)支撐能力等，是其不愿開放、不敢開放、不會開放的重要原因。區(qū)塊鏈?zhǔn)切屡d的數(shù)據(jù)共享技術(shù)，具有數(shù)據(jù)可追、可認(rèn)證和不可篡改等特性。此項技術(shù)采用去中心化的共識機制分布式存儲數(shù)據(jù)，規(guī)避數(shù)據(jù)泄露、篡改等脫離管理風(fēng)險。基于此，開展區(qū)塊鏈技術(shù)在信用數(shù)據(jù)共享及管理中應(yīng)用的研究，促進信用數(shù)據(jù)共享，為社會信用體系建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展打好數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈；信用數(shù)據(jù)；共享；管理

一、信用數(shù)據(jù)共享模型構(gòu)建

模型分為應(yīng)用層、核心層、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)層，其中核心層為去中心化的信用信息提供存證支撐。

（一）應(yīng)用層

系統(tǒng)平臺在應(yīng)用層提供多種操作功能，滿足數(shù)據(jù)管理需求，包括數(shù)據(jù)上鏈、安全認(rèn)證、安全計算、智能合約、證書管理、數(shù)據(jù)加密、共識選擇、加入節(jié)點等功能[1]。

（二）核心層

核心層功劃分為四個模塊，分別為：數(shù)據(jù)加密模塊，采用非對稱加密、默克爾樹和哈希函數(shù)，用密文形式傳輸信用數(shù)據(jù)；共識算法模塊，采用PBFT算法、Kafuka算法和Raft算法，保證在權(quán)限范圍內(nèi)訪問數(shù)據(jù)；智能合約模塊，采用數(shù)據(jù)采集智能合約、Docker、訪問控制智能合約，在授權(quán)范圍內(nèi)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享；安全計算模塊，采用CKKS加密算法、全同態(tài)加密、SEAL加密算法，確保數(shù)據(jù)具有高度的安全性。

（三）網(wǎng)絡(luò)層

建構(gòu)基于分層P2P網(wǎng)絡(luò)和Gossip協(xié)議的通信機制，用于支持信用數(shù)據(jù)存儲到區(qū)塊鏈中。通信機制納入同步機制、驗證機制和廣播機制，可以滿足發(fā)現(xiàn)與加入節(jié)點的需求。

（四）數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層是整個系統(tǒng)平臺的支撐，在此層設(shè)置數(shù)據(jù)存儲器，具備數(shù)據(jù)安全存儲、內(nèi)容加密、安全共享、隱私保護等功能。數(shù)據(jù)層由數(shù)據(jù)存儲層和處理層構(gòu)成，存儲層由信用節(jié)點和錨定節(jié)點形成信用網(wǎng)絡(luò)，分為初級信用網(wǎng)絡(luò)與高級信用網(wǎng)絡(luò)，初級信用網(wǎng)絡(luò)由多個信用節(jié)點構(gòu)成，高級信用網(wǎng)絡(luò)由多個錨定節(jié)點構(gòu)成；處理層采集來源于政府機構(gòu)、教育機構(gòu)、醫(yī)療機構(gòu)和企業(yè)等主體的數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。

二、信用數(shù)據(jù)共享模型設(shè)計方案

結(jié)合模型分層架構(gòu)以及數(shù)據(jù)信用體系對模型各個細(xì)節(jié)進行優(yōu)化設(shè)計，共分為以下五層，如圖1所示。

（一）信用數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈層

1.模塊組成

該層包括兩個部分，包括區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)和證書頒發(fā)機構(gòu)，其中區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)提供交易背書、排序、驗證、上鏈等功能，證書頒發(fā)機構(gòu)提供證書管理、分發(fā)密鑰和GP-ABB初始化等操作。信用數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈層采用分布式賬本技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點操作的數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)使用、數(shù)據(jù)更新、數(shù)據(jù)查詢等功能，該層包括高級信用通道和初級信用通道，多個信用數(shù)據(jù)提供方通過peer節(jié)點加入初級信用通道，在客戶端設(shè)計執(zhí)行命令，用于啟動各項功能[2]。

2.Raft排序服務(wù)

該層在高級信用通道中加入各個錨節(jié)點，采用Raft排序服務(wù)，各個組織中的錨節(jié)點與其他節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。將錨節(jié)點列表設(shè)置到通道中，從其他組織內(nèi)實時獲取peer信息，在錨節(jié)點更新后，通過Grossip協(xié)議實現(xiàn)peer通信，為初級通道標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)處理提供支持，保證通道中的賬本可以利用鏈碼調(diào)用。

3.fabric架構(gòu)

信用數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈層采用fabric架構(gòu)、解耦排序和多種邏輯處理方法進行設(shè)計，提升了區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)性能。具體表現(xiàn)為：客戶端根據(jù)系統(tǒng)平臺的運行情況，通過調(diào)整節(jié)點類型與個數(shù)適應(yīng)系統(tǒng)運行負(fù)載；在分層架構(gòu)中提供多通道，在部分通道實現(xiàn)細(xì)粒度權(quán)限訪問控制；提供調(diào)用接口實時監(jiān)控功能、加密功能、解密功能以及權(quán)限管理功能，提高區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)運行的安全性。

4.安全機制

區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)公開與數(shù)據(jù)安全性之間存在一定矛盾，當(dāng)在區(qū)塊鏈中直接存儲信用數(shù)據(jù)內(nèi)容源文件時必然會埋下數(shù)據(jù)安全隱患。本層對信用數(shù)據(jù)進行加密，在分布式賬本中存儲數(shù)據(jù)，再附加訪問控制權(quán)限，以保證信用數(shù)據(jù)共享的安全性。申請訪問權(quán)限流程如圖2所示。

（二）訪問控制層

1.需求分析

信用數(shù)據(jù)的所有者在主觀意愿上不想直接公開數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)屬于敏感數(shù)據(jù)，一旦出現(xiàn)泄露可能會對數(shù)據(jù)所有者產(chǎn)生重大影響。在數(shù)據(jù)共享機制下，如果在區(qū)塊鏈上直接對數(shù)據(jù)明文進行存證，那么所有人都可以在任何網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處訪問信用數(shù)據(jù)，造成信用數(shù)據(jù)無性[3]。如果信用數(shù)據(jù)所有者為保證數(shù)據(jù)的性而使用私鑰加密處理數(shù)據(jù)，那么則無法將信用數(shù)據(jù)共享給數(shù)據(jù)需求者。針對上述問題，本系統(tǒng)設(shè)計基于CP-ABE的加密訪問控制層，使用訪問控制算法提供共享訪問，滿足數(shù)據(jù)安全與數(shù)據(jù)共享的雙重需求。

2.屬性加密機制

在屬性加密中，權(quán)威機構(gòu)為證書頒發(fā)中心，采用密文策略加密數(shù)據(jù)，將加密數(shù)據(jù)屬性寫入私鑰中，滿足信用數(shù)據(jù)的細(xì)粒度訪問控制需求。訪問控制層采用CP-ABE調(diào)用架構(gòu)，包括以下三個主體：區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)fabricnetwork，在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中提供交易排序、背書、驗證和上鏈功能，分布式存儲密文數(shù)據(jù)；客戶端，提供交易發(fā)起、證書接受、密鑰接收和數(shù)據(jù)加解密操作；證書頒發(fā)中心（CA），提供證書管理、密鑰生成、密鑰分發(fā)、CP-AEB初始化操作。當(dāng)CA收到客戶端發(fā)起的證書申請時，向使用者頒發(fā)證書，初始化CP-ABE，生成和分發(fā)密鑰，設(shè)置使用者權(quán)限，在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中訪問信用數(shù)據(jù)。

3.加密數(shù)據(jù)的細(xì)粒度訪問控制

訪問控制層的執(zhí)行流程如下：

（1）初始化。信用系統(tǒng)采用隨機化算法，輸入安全系數(shù)，輸出信用系統(tǒng)公鑰和系統(tǒng)主密鑰。

（2）撤銷機構(gòu)初始化。設(shè)置使用者權(quán)限撤銷機構(gòu)，在信用系統(tǒng)公鑰生成后，形成映射表，表內(nèi)包括素數(shù)域、使用者Gid、權(quán)限撤銷列表、使用者屬性等。

（3）生成私鑰。通過輸入公鑰、主密鑰和使用者屬性集合動態(tài)數(shù)據(jù)生成私鑰，向使用者分配素數(shù)，分配過程中從素數(shù)域中刪除此素數(shù)，保持素數(shù)具備唯一性的特點，借助素數(shù)對映射表進行更新。

（4）加密。采用隨機化方法對數(shù)據(jù)進行加密，在系統(tǒng)中輸入公鑰，對加密明文信息和訪問策略進行關(guān)聯(lián)之后獲取密文CP-ABE。

（5）解密。在密文解密過程中調(diào)用系統(tǒng)中設(shè)定的確定化方法。

（6）撤銷使用者屬性。在撤銷屬性列表中輸入使用者屬性撤銷算法，自動記錄使用者權(quán)限被取消的過程。

（7）恢復(fù)使用者屬性。使用者需獲取數(shù)據(jù)恢復(fù)權(quán)限，在唯一素數(shù)對應(yīng)的撤銷列表中輸入恢復(fù)算法，恢復(fù)后對兩個映射表進行更新。通過執(zhí)行上述流程能夠?qū)用軘?shù)據(jù)進行控制。當(dāng)信用數(shù)據(jù)加密后無需獲取數(shù)據(jù)需求者的身份信息，同時也無需多次加密多個數(shù)據(jù)所有者。如果使用者擁有解密策略即可解密數(shù)據(jù)，能夠保證信用數(shù)據(jù)的安全性，實現(xiàn)對敏感性數(shù)據(jù)的精確控制[4]。

（三）安全計算層

1.加密算法

信用應(yīng)用場景中，信用機構(gòu)采用復(fù)數(shù)運算等待評估等級結(jié)果。為保證信用數(shù)據(jù)在經(jīng)過不可信第三方共享后仍然不被泄露，故此采用同態(tài)加密算法，將評估等級結(jié)果中的部分?jǐn)?shù)據(jù)集成CKKS算法后生成同態(tài)加密層。信用數(shù)據(jù)同態(tài)加密流程如下：設(shè)計CKKS參數(shù)→生成CKKS框架→建構(gòu)CKKS模塊（密鑰生成模塊、編碼器模塊、加密模塊、解密模塊、密文計算模塊）→數(shù)據(jù)發(fā)送方（利用公鑰加密）→數(shù)據(jù)接收方（利用私鑰解密）。

2.加密與解密流程

CKKS算法與Pailier同態(tài)加密算法相比，只需要計算出在誤差允許范圍內(nèi)的近似值，簡化了數(shù)據(jù)計算程序，提高了計算效率。在連接云服務(wù)器前，對信用數(shù)據(jù)進行公鑰加密處理，將信用數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)器后執(zhí)行以下加密流程。

第一，編碼。使用比例因子向量映射復(fù)數(shù)明文信息，完成信用數(shù)據(jù)編碼，滿足同態(tài)安全計算。在CKKS算法下，對多項式取整數(shù)，設(shè)定縮放因子，對實數(shù)放大后再取正數(shù)，保留有效位。

第二，初始化。采用隨機算法進行數(shù)據(jù)初始化，定義特殊模數(shù)，根據(jù)任意層的模數(shù)和模式鏈的深度計算出模數(shù)規(guī)模。

第三，生成密鑰。利用初始化向量按照模型生成實例化密鑰，同態(tài)加密處理密鑰，滿足同態(tài)乘法計算要求。

第四，加密。對明文信息編碼后進行加密，得到密文，如果對密文解密處理，則很難保證解密的精確性，當(dāng)解密出現(xiàn)錯誤時，需要利用加密參數(shù)進行修正，得到CKKS同態(tài)加密安全計算的近似值。

第五，同態(tài)加密計算。采用同態(tài)乘法計算編碼加密后的數(shù)據(jù)，在計算過程中面臨著乘法算量大和誤差大的問題，故此需增加重縮步驟，使誤差指數(shù)增長降至線性增長，將計算結(jié)果保持一定的準(zhǔn)確度。

第六，解密。利用密文和私鑰計算得到解密后的編碼，將已知編碼代入多項式，此時得到的各項系數(shù)為放大后的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)除以放大因子后得到明文。在解碼過程中，浮點型數(shù)值進行舍入計算，所以解碼后的數(shù)據(jù)可能與源數(shù)據(jù)存在誤差，屬于近似數(shù)據(jù)。

（四）數(shù)據(jù)加密層

為保證信用數(shù)據(jù)的安全性，使用ECC算法加密信用數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務(wù)器中，并設(shè)置訪問控制權(quán)限，只允許有權(quán)限的使用者調(diào)取區(qū)塊鏈中的信用數(shù)據(jù)。在信用系統(tǒng)上確定橢圓曲線，在橢圓曲線上取私鑰點和基點，利用基點生成公鑰，將公鑰發(fā)送到信用數(shù)據(jù)所有者。在數(shù)據(jù)加密時，隨機生成數(shù)據(jù)后編碼，加密后的數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器，由云服務(wù)器完成加密數(shù)據(jù)的同態(tài)計算。如果信用數(shù)據(jù)需求方提出調(diào)取數(shù)據(jù)的申請，則可以在云服務(wù)器上進行數(shù)據(jù)下載，再用數(shù)據(jù)需求方的私鑰對獲取的數(shù)據(jù)進行解碼，得到原始信用數(shù)據(jù)。

（五）數(shù)據(jù)存儲層

在信用機構(gòu)的本地數(shù)據(jù)庫中存儲信用數(shù)據(jù)，加入?yún)^(qū)塊鏈分層網(wǎng)絡(luò)，加密信息數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的同態(tài)計算和上鏈。

三、結(jié)語

綜上所述，研究設(shè)計基于區(qū)塊鏈的信用數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)是解決信用數(shù)據(jù)共享難題的有效方案，在信用數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)模型建構(gòu)中，要采用區(qū)塊鏈、同態(tài)加密算法、非對稱算法和訪問控制算法解決信用數(shù)據(jù)保護與共享之間的矛盾，將證書頒發(fā)中心作為可信第三方，授權(quán)使用者訪問權(quán)限，通過數(shù)據(jù)加密與解密完成使用者權(quán)限的細(xì)粒度控制，最大程度保護信用數(shù)據(jù)持有者，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)信用體系建設(shè)的數(shù)據(jù)共享技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展。由于該方案仍處于理論研究探索階段，未來需要通過案例實踐進行驗證或調(diào)整。

參考文獻(xiàn)

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