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基于联盟链的物联网动态数据溯源机制

更新时间：2019-12-08 21:24:35 大小：2M 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：物联网 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

物联网动态数据安全保护的重点是拒绝非授权用户的篡改,实现对物联网动态数据操作的过程留痕和追踪溯源.为解决大量物联网设备产生的动态数据安全存储与共享问题,建立了物联网动态数据存储安全问题的数学模型,提出了用于实现操作实体多维授权与动态数据存储的双联盟链结构放计了基于验证节点列表的共识算法,给出了一种基于联盟链的动态数据溯源机制优化方案.进行了分析及实验,物联网操作实体个数小于106,操作实体授权特征值位数取64时,攻击者篡改授权的概率几乎为0,验证了所提方案具有较强的抵抗双重输出攻击、重放攻击及隐藏攻击的能力,能够有效杜绝攻击者对物联网动态数据的篡改、伪造等非授权访问操作,具有较好的应用价值.

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_{1000．9825，CODEN}RUXUEW

软件学报ISSN

Journal

E-mail：．ac．ca

http：／／www．jos．org．ca

Tel：+86．10．62562563

ofSoftware，2019，30(6)：1614—1631【doi：10．133280．cnki．jos．005739】

基于联盟链的物联网动态数据溯源机制

乔蕊1，一，曹琰1,2，王清贤1,2

’(信息工程大学，河南郑州450001)

2(数学工程与先进计算国家重点实验室，河南郑州450001)

通讯作者：乔蕊，E· mail：18033023@qq．corn

摘要：物联网动态数据安全保护的重点是拒绝非授权用户的篡改，实现对物联网动态数据操作的过程留痕和追

踪溯源．为解决大量物联网设备产生的动态数据安全存储与共享问题，建立了物联网动态数据存储安全问题的数学

模型，提出了用于实现操作实体多维授权与动态数据存储的双联盟链结构，设计了基于验证节点列表的共识算法，给

出了一种基于联盟链的动态数据溯源机制优化方案．进行了分析及实验，物联网操作实体个数小于106，操作实体授

权特征值位数取64时，攻击者篡改授权的概率几乎为O，验证了所提方案具有较强的抵抗双重输出攻击、重放攻击

及隐藏攻击的能力。能够有效杜绝攻击者对物联网动态数据的篡改、伪造等非授权访问操作，具有较好的应用价值．

关键词：

物联网；动态数据；溯源机制；联盟链；多维授权

中图法分类号：TP309

中文引用格式：乔蕊，曹琰，王清贤．基于联盟链的物联网动态数据溯源机制．软件学报，2019，30(6)：1614-1631．http：／1www．

jOS．org．cn／1000· 9825／5739．htm

mechanism of

data in Intemet of

based on consortium

R，Cao

QX．Traceability

dynamic

things

英文引用格式：Qiao

blockchain．Ruan Jian Xue

5739．htm

Y，Wang

Bao／Joumal of

Software，2019，30(6)：1614—163l(in Chinese)．http：／／wwwdos．org．en／1000-9825／

Data in Internet of

Based on Consortium

Things

Mechanism

Traceability

Blockc：hain

Dynamic

Ruil，-，CAO Yanl”，WANG

QIAO

Qing．Xianl’2

450001，China)

1(Information EngineeringUniversity，Zhengzhou

ofMathematical

andAdvanced

Computing，Zhengzhou 450001，China)

2(State KeyLaboratory

Engineering

Abstract：The focus of

meanwhile．tO realizethe

data

of unauthorized users，

dynamic

security protection

loT(Internet

ofthe

things)is

rejcot tampering

In order tO solve the

such

in evidence andtmck

data

dynamic

number of loT

ofloT

process

tracing

operation

problems

mathematical model forthe

security

as secure

and

data

dynamic generated by large

storage

sharing

devices，firstly,a

multidimensional authorization

tO realize

data

was established．as well as dual consortium chain structure is

dynamic

storage

proposed

nodes

and

data

consensus

based on

dynamic

storage

operational entities．Then，a

data

algorithm

vNL(verification

list)was proposed．ARer

was

scheme of

mechanism based on consortium block chain

that，an

dynamic

traceability

put forward．Finally,through

optimization

authorization is 64 andthe number

and

showsthat whenthe

ofthe

eigenvalue operation entity

open experiments

performance ^{analysis，it}

the

of the attacker is almost 0．Meanwhile

scheme Can

of loT

entities is less than

succeed

106，the

probability

proposed

attacks and SO on．Thusit

attacks andhidden

ontput attacks，replay

operation

avoid

attacks on

potential

as double

dynamicdata，such

effectively

· 基金项目：国家重点研发计划(2016YFB0800203)；河南省高校科技创新团队支持计划(171RTSTHN009)

Research

Science and

Foundation item：National

R＆D

China(20 6YFB0800203)；Program

for Innovative

Key

Project

Team(in

ofHenanProvince

7IRTSTHN009)

本文由区块链与数字货币技术专题特约编辑斯雪明教授和陈文光教授推荐．

收稿时间：2018-06．25；修改时间：2018．10．12；采用时间：2018-12-18；jOS在线出版时间：2019-03-27

Technology)in University

CNKI网络优先出版：2019．03．27 16：40：21，http：／／kns．cnki．netlkcms／detail／11．2560．TP．20190327．1640．005．html

万方数据

乔蕊等：基于联盟链的物联网动态数据溯源机制

1615

the

attackers from unauthorized

ofthe

under accession

approved

effectivelyprevent

manipulation

the

loT,such

tampering

counterfeiting

mode．The scheme has

valuewhile

data

dynamic storage security．

good application

ensuring

words：Internet of

authorization

mechanism；consortium chain；multidimensional

Key

things；dynamic data；traceability

物联网广泛应用于工业、医疗、教育、供应链等众多领域，在多方授权实体的参与下，以时间为基本维度

产生新的数据，本文称为动态数据(dynamic data，简称DD)，这些数据的操作要求安全、可追溯，以便用于各种取

证及决策掣o2。．动态数据具有以下特征．

(1) 持续性．伴随着时间的推移，在多方实体参与下持续产生新的动态数据；

(2) 时间敏感性．动态数据是对产生时间和应用时间敏感的数据，例如取某段时间内产生的动态数据对未

来进行预测等：

(3) 多维度．在不同应用场景中，动态数据存在除时间维度外的多种维度数据，如供应链系统中参与交易

的实体地址、交易额等，工业控制系统中工程文件的操作、权限的设置等【31；

(4)可用性．动态数据应具备可用性，支持用户尤其是企业用户的安全管理需求，如分析查看日志信息、了

解数据使用情况以及展开违法操作调查等．

可追溯性是确保动态数据完整性和可靠性的重要前提，是物联网系统中动态数据可用性的重要体现．因此，

保证动态数据的可追溯性具有重大意义．

动态数据的可追溯性包括动态数据本身及对动态数据的历史操作的可追溯，其目的是确保动态数据的完

整性和可靠性，即保证在存储及转移的过程中未发生篡改或伪造．近年来，网络犯罪已经从个人行为转变为有组

织的行为，攻击在数据篡改、伪造等方面越来越专业【4】．而现有的数据基础设施最初设计为应用于合法的数据存

储场景，通常采用中心数据库与访问控制、接入认证、信息加密、数字水印等传统密码学方法结合的安全手段，

将动态数据集中存储和处理【5-8】，或采用以云计算为基础的数据存储，将各种数据资源抽象成资源池【9，10】，供用户

使用．上述设计方案存在安全隐患，例如，高价值数据集中存储极易被攻击、算法复杂度高等．因此，防止动态数据

被篡改和被伪造成为具有挑战性的任务．为了提高动态数据存储的安全性，必须从两方面对数据进行保护：一方

面验证动态数据的正确性，避免被篡改、伪造；另一方面，实现对动态数据操作历史的可追溯，提供数据恢复能力．

本文提出一种动态数据溯源机制：采用区块链方式记录网络动态数据流转的全生命周期，对动态数据进行

记录、追溯、确权，以从源头保证该数字资产以及所代表信息的真实性，减少甚至阻止篡改攻击的可能性．分析

共识终端最大化自身收益的局部行为与保障动态数据存储安全性和有效性整体目标的一致性，提出适用于动

态数据存储的共识机制，减少算力浪费．采用密钥分发机制，分层传递并验证各级动态数据存储平台信息，相邻

层次间通信采用二次散列迭代的方式，利用公钥加密正反向不对称性，增加系统被攻破的难度．

本文的主要工作如下：建立了物联网动态数据存储安全问题的数学模型，提出了用于实现操作实体多维授

权与动态数据存储的双链结构；分析群体博弈过程中，单个节点进行决策的诚实行为动机及特定行业背景下分

布式节点合作的本质，提出了一种适用于动态数据存储的共识机制，以共识机制保障动态数据存储的安全性；提

出了一种动态数据溯源信息在物联网多方实体问动态流转的分层溯源机制，通过公钥机制构建通信通道，完成

动态数据在通信系统中端到端加密安全传输，利用加密运算正反向不对称性，有效防止动态数据被篡改、伪造．

本文第1节介绍相关工作．第2节抽象出对物联网动态数据操作具有通用性的方式和过程，提出动态数据

存储问题模型．第3节介绍区块链相关概念，分析联盟链解决物联网动态数据储存的适用性，基于博弈论理论分

析物联网环境下各节点达成共识的边界条件，提出基于验证节点列表的联盟链共识算法，进一步提出基于上述

共识算法的物联网动态数据存储体系结构．第4节通过理论分析及实验部署证明本方案对于抵御常见攻击，实

现动态数据操作溯源的有效性．第5节总结全文．

1相关工作

在物联网飞速发展的同时，物联网动态数据安全面临严峻的挑战，许多研究人员开展了对中心数据库和云

万方数据

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of Software软件学报V01．30，No．6，June

存储服务安全性的研究【l卜懈】．文献[12]审查了29个不同的基于USB对数据库的攻击，并将它们分为4个主要类

别．提出了一种方法来识别每个攻击的相关和脆弱的USB外围设备和硬件，但这意味着该方法允许攻击发生，

存在数据库被破坏的可能性．文献[13】提出了一种数据库入侵检测机制，通过在网站上使用SQL注入，记录入侵

者的所有活动来增强数据库的安全性．管理员可以查看详细信息，阻止攻击者向数据库注入恶意代码，窃取、销

41．

毁或修改数据库．但单方信任机制无法控制拥有高级访问权限的工作人员对动态数据进行恶意篡改或伪造【l

此外，文献[15】指出，动态数据多由智能处理终端或现场采样设备采集、编码和存储，这些设备的处理和存储性能

有限，加之动态数据的持续性特征导致其随时间增长的数据量较大，因此，复杂度较高的安全算法不适用解决动

态数据的防篡改、防伪造问题．文献[16]指出：由于云端数据允许多授权用户访问，无法对数据信息的去向和各级

主体的操作历史提供充分的证据，因此无法满足某些特殊领域(如工业控制系统、溯源系统等)对系统动态数据

的整个访问过程进行审计的需求，一旦出现问题难以定责．文献[17]为解决云平台下不受控制的恶意修改可能

破坏共享数据的可用性问题，提出了一种公共审计解决方案，可以同时保护群体成员的身份隐私和身份可追溯

性．但在云平台下，用户无法与云服务提供商建立信任，并确保服务协议仅使用Web前端接口D8]．为了避免敏感

信息被窃取、篡改和伪造，系统需要一个可靠的云平台服务提供商．

鉴于传统数据库和云存储服务存在安全隐患，且不可避免，实现动态数据的可追溯性是保障物联网动态数

据安全应用的关键．通过分析近几年溯源领域的论文，发现目前许多现代可追溯系统是基于射频识别(radio

identification

frequency

devices，简称RFID)技术【19_211．文献[19]提出了一种电子谱系的食品可追溯系统，利用射

频识别技术跟踪、定位物品在被无线传感器网络收集储存和运输过程中的温度和湿度．但针对传感器数据损坏

或丢失的问题，文中仅采用预测的方式，无法从根本上解决．文献[20]提出一种基于公钥加密技术的高级数据保

护方案，该方案能够实现RFID数据的可追溯性和链性活动．与传统的RFID安全方案相比，该方案适用于没有任

何加密功能的标准RFID标签，并且不需要中心数据库．但操作的复杂度较高，对标签性能要求较高．文献【2l】对

RFID标签的加密能力进行研究，提出了能够执行加密操作的RFID标签体系结构．但是加密功能增加了标签的

成本，并且涉及昂贵的身份验证计算．

根据物联网系统的应用特点和要求，需要采取安全措施对系统产生的动态数据进行存储和共享，实现动态

数据的可追溯．RFID在溯源系统中应用的研究仅适用于对有形资产的追溯，不适用于对物联网动态数据的追

溯．而云计算等中心化数据库仅仅实现了动态数据的存储，在抵抗恶意用户(包括具有高级权限的内部人员)篡

改、伪造动态数据方面具有天然的缺陷[22,23]．区块链在不引入第三方中介机构的前提下，可以提供去中心化、

不可篡改、安全可靠等特性保证【241．目前，已有研究来创建更具可扩展性的区块链，文献[25]提出Bitcoin．NG区

块链协议，它是拜占庭容错的，共享相同的信任模型，具有较强的鲁棒性．文献[26】提出的GHOST规则解决了提

高块创建速度的问题，这是对比特币节点构建和重新组织区块链的一种改进．文献[27】提出可以重组链，构建区

块的有向非循环图，并降低允许交易的授权规则．虽然这些模型显著提高了运算速度，但它们可扩展性较差，并

且需要复杂的数据结构或共识机制．文献[28】介绍了一种基于区块链技术的去信任物联网设备匿名共享方法，

对于解决物联网动态数据的溯源问题有一定借鉴．本文通过分析动态数据面向多机构的区块链应用场景，在联

盟链的基础上，提出一种全新的去中心化基础架构与分布式计算模型，将区块的共识及可见性限制在联盟链内

部，有效地降低了参与记账节点的数量，实现快速共识验证，可以很好地解决动态数据的存储及溯源问题．

2动态数据安全问题建模

定义1．操作实体(operation entity，简称OE)是指动态数据D生命周期数据流动过程中的所有参与实体，用

四元组(ID，FOE，ROE，D)表示．

∞是操作实体的标识符，用以对操作实体进行唯一标识；

FOE，={(以，置)『以—生÷ ∞ i t N，i≠．，}表示对操作实体∞，授权的操作实体标识∞f及授权类

型五的集合；

ROE，={(以，■)I∞，与以，i，t N，J≠i}表示操作实体ogj授权的操作实体标识∞f及授权类型

万方数据

1617

乔蕊等：基于联盟链的物联网动态数据溯源机制

咒的集合；

D，={D(皿，蕾)I(zDf，五) Roz,}表示操作实体ozj的授权操作执行后得到的动态数据集合．

定义2．实体∞的授权属性特征值用集合6表示，麒{O，1}‘一{O，l}lb {O，l}lⅣ是理想化的哈希函数，∞为

哈希后得到的特征值长度，绳授权操作DAG图中节点最大入度：

‘=占，，j={乇I岛=H(SKp．，lp，，，Df)，where(p．『)=parents(i)，J<万，i>l}．

由定义2，若操作实体的授权属性集合li中存在多个元素，表示存在多个父节点对其授权，SK。为实体OEi

父节点的私钥，从集合^中删除某个元素表示某个父节点取消授权；反之亦成立．厶=袁示其拥有根权限，仁a表

示该实体授权为空．

与图l对应的动态数据操作轨迹用多维DAG图表示，如图2所示，节点表示动态数据文件授权，其中，圆形

节点表示对应操作实体仅持有一项操作授权，将产生一份动态数据文件；柱状节点表示对应操作实体持有多项

操作授权即多维授权，将产生多份动态数据文件；有向边表示动态数据文件在新操作下的演进轨迹．

(a)操作授权

Schematic

(b)授权追溯

authorization

data

operation

Fig．1

diagram

dynamic

图1 动态数据操作授权示意图

_StrongDAG of

data

track

operation

dynamic

Fig．2

图2动态数据操作授权多维DAG图

定义3．对于DAG图中节点f，入度为西，若西 1，保持节点不变化；pl，节点为每个入度授权的集合，其元素

个数 =瓦这样得到的图称为多维DAG图．妒1时，存在多个父节点对节点f的授权，称为父节点对节点f的多维

授权．

定义4．原子操作(atomic operation，简称AO)是指操作实体拥有的某项授权操作对动态数据文件的一次实

施过程40：x40：0，i．j．

定义5．操作实体及其后继节点执行原子操作产生的动态数据文件的集合，称为该操作实体的域(domain)，

域中的动态数据文件称为该域的对象(object)；操作实体的操作授权范围覆盖自身的域；操作实体的域可以包含

其后继操作实体的域，被包含的域称为子域(sub domain，简称SD)；域所包含的子域和对象统称为该域的成员

(member)。子域所包含的成员，称为间接成员．

定义6．操作实体受到攻击导致其授权操作的动态数据均不可靠，则该操作实体域中的对象均不可靠，称为

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Software软件学报V01．30，No．6，June

该操作实体的失效覆盖集(failure

set，简称FCS)．除创始节点外的各节点均处于操作实体的多重失效覆

coverage

盖集．

实际情况下，操作实体均存在由恶意攻击导致的数据篡改或伪造的可能性，本文对动态数据存储面临的安

全威胁问题进行如下假设．

(1)每个攻击者单独到来，相互独立；

(2)在时fBq[o，f】内，系统受到的攻击数量{Ⅳ(力，f O}满足参数为旯的泊松分布；

(3)

操作实体第i次受到攻击的损失为厶，且损失随时间按负指数衰减，损失可累加；

(4)每次攻击到达的时间间隔和造成的破坏相互独立．

f=O时，损失为L；t=ti(ti>O)时，损失为Lel‘．设{厶，f 1)独立同分布，且与{Ⅳ(f)，f O}独立，那么时f日l[o，t】内不考

虑失效覆盖的损失表示为

(1)

孝(f)= 厶elo训

条件期望为

E{孝(f)IⅣ(f)=一}={ 厶

lⅣ(f)=月}

IⅣ。，=月}

Et孝。，IⅣ。，=一，=E{芝：厶e-a(t-t,)i=l

=E黔刮一)|Ⅳ(f问)

= E地IJv(f)=n}E{e1‘’‘’IJⅣ(f)=丹}

=ELe“ E{e嘶IJⅣ(f)=以}

记Yi，．．．，K为【O，妇上独立同均匀分布的随机变量，有：

￡{喜e嘶IⅣo，=一}=E{喜e4‘)=一【e“了dx=(三)· ce“一· ，．

聪(f)JⅣ(f)-加【丢)‘(1-e-ctt)EL．

所以：

即：

蹦心(f))=(等)· (1--e-at皿

因此：

(3)

蹦)}-即似f)I删}-(等]· (1-e-at)

考虑失效覆盖的情况，用FCS(i)表示节点i的失效覆盖范围，本文优化目标为

_Ⅳ(，)

_』JFCS(i)· 2EL

min_{E{孝’(，)}一}

．．j!：!：!．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．一

口· Ⅳ(f)

3基于联盟链的改进型动态数据授权操作机制

3．1区块链

学术界对区块链技术并没有统一的定义，但一般认为，区块链是一种按照时间顺序将数据区块以链条的方

万方数据

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乔蕊等：基于联盟链的物联网动态数据溯源机制

式组合形成的特定数据结构，并以密码学方式保证其不可篡改和不可伪造的去中心化、去信任的分布式共享总

账系统【291．区块链的提出是计算机科学的一个突破，它有望降低个人和组织建立、维护信任的成本【301，让没有信

任关系的人们在无中心化信任机构的情况下合作【31】．自2008年Nakamoto发表奠基性论文【32】以来，经过近年的

economic

fomm，简称

快速发展，区块链技术越来越受到政府、银行及相关研究人员的重视．世界经济论坛(world

61、区

31，区块链成为当前技术研究的热点，包括对区块链协议的分析【34_3

WEF)于2016年8月发布了研究报告【3

91．

块链技术在某些领域的应用等【37_3

区块链可以分为3类：公共链、联盟链和私有链．公共链对外公开，用户不用注册就能匿名自由出入网络，无

需授权即可访问网络和区块链，如比特网【32】和以太坊【401；联盟链仅限于联盟成员参与，区块链上的读写权限、参

与记账权按联盟规则来制订，如由多家银行参与的区块链联盟R3[4¨ 、Linux基金会支持的超级账本项目【42J都

属于联盟链架构：私有链仅在私有组织使用，区块链上的读写权限、参与记账权限按私有组织规则来制订．

联盟链可以根据应用场景来决定对公众的开放程度，其网络由成员机构共同维护，节点通过成员机构的网

关节点接入，因此适用于物联网行业背景下多成员机构对动态数据的存储、管理、授权、监控和审计．在实际

物联网应用背景下，用户、资源、服务、终端存在泛在接入与授权操作的特点，参与的多方实体存在一定的信

任前提和利益约束，实体间数据操作共识激励机制和分布式账本记账权确定等问题还需要进一步研究．

3．2达成共识的边界条件

分布式共识是构建基于区块链技术零信任动态数据溯源机制必须解决的关键问题，而达成共识的条件在

公开匿名场景下和带权限管理的场景下需求差异较大[43,44]．例如，比特币等金融系统在决策权高度分散的去中

心化系统中采用经济激励机制，使各节点高效地针对区块数据的有效性达成共识，该方式面向公有链中的任意

节点的自由加入简单有效．而动态数据常常是与特定工作过程联系紧密的行业内部数据，对动态数据的管理更

适合采用联盟链方式，仅允许核准的节点加入，货币体系背景下共识激励显然不适用于联盟链方式下对动态数

据的管理．在联盟链方式下，参与多方存在一定的信任前提和利益约束，本节通过分析该群体博弈过程中单个节

点进行决策的诚实行为动机，提出特定行业背景下分布式节点合作的本质一一使各节点在与环境的交互与分

布式计算过程中获得最大的累积效用，进一步分析动态数据可追溯系统中各节点达成共识的边界条件，优化共

识算法设计．

设动态数据可追溯系统中参与区块信息验证的节点集合为有限集，对每个参与区块信息验证的节点i有策

略空间及收益函数，即每个参与节点i在策略空间墨=(s。，S：，．．．，Sn)下的冯· 诺依曼．摩根斯坦效用为以S)，本文

将策略空间S下节点预期效用研S)作为评价各动作的价值函数．

每个参与节点的目标是最大化自己的收益，因此为了简化问题，除节点i以外的所有其他节点标记为“一f”．

通过分析节点i和一i相互作用并达成具有约束力协议的共识过程，得到节点f和一i收益矩阵见表1．

Yield matrix ofnodes and-i

Table

表1节点i和一i收益矩阵

Node．f

Nodef

Cooperative(c)

Betray(B)

Cooperative(63

Betray∞)

P。CC，P_。CC

PiBC，P—lBC

PiCB，P一。CB

P洱B，P一洱B

表1中，C表示某节点合作(cooperative)，B表示背叛(betray)，收益函数表达式中第1项为对应策略下节点i

的收益(分别为PfCC，P声C，PfCB，PiBB)，第2项为对应策略下节点一f的收益(分别为P—fCC,P一廖c，pf∞，P-dBB)．溯

源系统各节点共识模型的构建基于以下前提条件．

(1)对于节点f，在各种策略组合下的收益满足：

PfBC>PiCC>PiBB>PfCB

(5)

式(5)表明，在节点行为不一致的情况下，采取背叛策略的一方可以从牺牲其余节点的合作行为中得到比所

有节点均合作时更高的收益；在所有节点均合作，即达成共识能够获得比都背叛更高的收益；一方合作，其余节

万方数据

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