導(dǎo)語(yǔ)
筆者近期正在研究基于區(qū)塊鏈和隱私計(jì)算的數(shù)據(jù)安全共享解決方案，仔細(xì)研讀了Imran Makhdoom 等人撰寫的研究論文《PrivySharing:A Blockchain-Based Framework for Privacy-Preserving and Secure Data Sharing inSmart Cities》，深受啟發(fā)，特此共享部分學(xué)習(xí)筆記，以資借鑒。
研究目標(biāo)
在智慧城市中如何應(yīng)用區(qū)塊鏈進(jìn)行數(shù)據(jù)安全共享，提出了相關(guān)協(xié)議；
如何進(jìn)行數(shù)據(jù)上鏈；
普通數(shù)據(jù)和保密數(shù)據(jù)如何處理（保密數(shù)據(jù)只存數(shù)據(jù)HASH值）；
如何利用智能合約進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)控制。
摘要部分
物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的應(yīng)用非常廣泛，從工業(yè)控制系統(tǒng)到電子健康、電子商務(wù)、智慧城市、農(nóng)業(yè)、供應(yīng)鏈管理、智能汽車、網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)等等。然而，loT系統(tǒng)收集和處理的數(shù)據(jù)，尤其是集中控制的數(shù)據(jù)，容易受到可用性、完整性和隱私威脅。
本文提出了“隱私共享”，一個(gè)基于區(qū)塊鏈的創(chuàng)新框架，用于解決在智慧城市環(huán)境中進(jìn)行批量數(shù)據(jù)共享時(shí)面臨的隱私泄露和安全保護(hù)問(wèn)題。本文所提出的方案在許多方面與現(xiàn)有的策略不同；
通過(guò)將區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)通道（Ch）來(lái)保護(hù)數(shù)據(jù)隱私，每個(gè)通道（Ch）由有限數(shù)量的授權(quán)機(jī)構(gòu)組成，并處理特定類型的數(shù)據(jù)，如健康、智能汽車、智慧能源或財(cái)務(wù)信息；
通過(guò)在智能合約中嵌入訪問(wèn)控制規(guī)則來(lái)控制對(duì)通道（Ch）內(nèi)用戶數(shù)據(jù)的訪問(wèn)；
通過(guò)分別使用私有數(shù)據(jù)收集和加密，可以進(jìn)一步隔離和保護(hù)通道（Ch）中的數(shù)據(jù)；
使客戶端能夠與區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)交互的REST API具有API密鑰和OAuth 2.0形式的雙重安全性。本文建議的解決方案符合歐盟一般數(shù)據(jù)保護(hù)條例（GDPR）中概述的一些重要要求；
提供一個(gè)名為“PrivyCoin”的數(shù)字令牌獎(jiǎng)勵(lì)系統(tǒng)，以激勵(lì)用戶與第三方分享資料；
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與單通道（Ch）區(qū)塊鏈系統(tǒng)相比，多通道（Ch）區(qū)塊鏈系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性。
重要貢獻(xiàn)
在智慧城市環(huán)境中提供隱私保護(hù)，防止大部分威脅用戶數(shù)據(jù)完整性和隱私的外部和內(nèi)部攻擊；
遵守歐盟GDPR的一些基本要求；
一個(gè)基于區(qū)塊鏈的解決方案，提供關(guān)于用戶數(shù)據(jù)的“忘記權(quán)”；
一個(gè)可伸縮的（關(guān)于區(qū)塊大小）、安全、高效的（關(guān)于能源消耗和計(jì)算需求）數(shù)據(jù)共享框架；
用戶定義的對(duì)用戶數(shù)據(jù)的細(xì)粒度訪問(wèn)控制；
提供透明和可審計(jì)的網(wǎng)絡(luò)操作，同時(shí)控制用戶私有數(shù)據(jù)的泄露；
通過(guò)REST API對(duì)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行安全的客戶端訪問(wèn)；
為與利益相關(guān)者/第三方共享數(shù)據(jù)的用戶提供獎(jiǎng)勵(lì)系統(tǒng)。
研究?jī)?nèi)容
4.1
1.在智慧城市中如何利用區(qū)塊鏈進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，提出了相關(guān)協(xié)議
（1）隱私共享：基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)安全共享
利用區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)完整性和智能合約特性，可以安全地和自主地執(zhí)行智慧城市環(huán)境中的各種操作。此外，區(qū)塊鏈還可以防止服務(wù)器入侵和篡改/修改權(quán)限的不利影響。毫無(wú)疑問(wèn)，在智慧城市環(huán)境中，人們只有在確保通過(guò)各種設(shè)備收集的個(gè)人和敏感數(shù)據(jù)得到充分保護(hù)并對(duì)其有控制權(quán)的情況下，才會(huì)在分享個(gè)人信息時(shí)感到安全。這種保證只能由精心選擇和精心設(shè)計(jì)的區(qū)塊鏈技術(shù)來(lái)提供。
為了實(shí)現(xiàn)上面提到的智慧城市用例，本研究使用了Hyperledger-Fabric作為底層區(qū)塊鏈平臺(tái)，相比其他區(qū)塊鏈平臺(tái)而言，Hyperledger-Fabric是一個(gè)私有的、受限制的許可區(qū)塊鏈，只有授權(quán)方才能參與網(wǎng)絡(luò)。區(qū)別于其他區(qū)塊鏈技術(shù)的關(guān)鍵特征是，在Hyperledger中，區(qū)塊鏈分類賬由兩個(gè)相關(guān)的部分組成，即，一個(gè)記錄TXs的區(qū)塊鏈和一個(gè)跟蹤分類賬狀態(tài)的狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)。
（2）網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)
如上圖所示，智慧城市區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，由11個(gè)組織及其相關(guān)的對(duì)等節(jié)點(diǎn)組成?？紤]到與不同利益相關(guān)方共享不同類別的用戶數(shù)據(jù)，以及確保用戶數(shù)據(jù)隱私和安全的要求，如下圖所示的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)由5個(gè)不同的數(shù)據(jù)通道（Ch）組成。
通道（Ch）提供了一組組織之間完全獨(dú)立的通信機(jī)制。而且，每個(gè)通道（Ch）都獨(dú)立于其他通道（Ch）。因此，這些通道（Ch）通過(guò)僅與授權(quán)實(shí)體安全地共享特定類型的數(shù)據(jù)來(lái)保護(hù)用戶數(shù)據(jù)的隱私。
由網(wǎng)絡(luò)配置中心（NC）指定的策略規(guī)則來(lái)控制對(duì)智慧城市網(wǎng)絡(luò)的訪問(wèn)。
組織01更新NC并將02、03和04也授予管理（admin）權(quán)限。這些組織現(xiàn)在可以創(chuàng)建聯(lián)盟和通道（Ch）來(lái)添加更多的網(wǎng)絡(luò)成員。類似地，每個(gè)通道（Ch）都由各自的通道配置（CC）中指定的策略規(guī)則管理。
每個(gè)通道（Ch）都有一個(gè)單獨(dú)的分類賬，所有的對(duì)等節(jié)點(diǎn)都必須維護(hù)一個(gè)關(guān)于其所屬的每個(gè)通道（Ch）的分類賬副本。
通道（Ch）中的數(shù)據(jù)與包括其他通道（Ch）在內(nèi)的其他網(wǎng)絡(luò)隔離。
我們提出的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的另一個(gè)重要功能是在不同層次（如網(wǎng)絡(luò)、通道（Ch）和本地/對(duì)等網(wǎng)絡(luò)）上使用會(huì)員服務(wù)提供商MSP。網(wǎng)絡(luò)MSP（NMSP）定義了誰(shuí)是網(wǎng)絡(luò)的所有成員，以及其中誰(shuí)具有管理員權(quán)限。此外，NMSP還定義了哪些RCAs/CAs是可信的。
另一方面，通道MSPs（CMSP）概述了通道（Ch）級(jí)的管理和參與權(quán)。所有的對(duì)等節(jié)點(diǎn)和ODS（訂購(gòu)服務(wù)）共享一個(gè)公共的CMSP來(lái)正確地管理和驗(yàn)證通道（Ch）成員的授權(quán)。
CMSP的用例是，例如，某個(gè)組織的管理員想要在通道（Ch）1上實(shí)例化一個(gè)SC，然后通過(guò)查看CMSP，其他通道（Ch）成員可以驗(yàn)證該管理員是否是特定組織的一部分以及他是否有權(quán)在通道（Ch）1上實(shí)例化SC。類似地，為每個(gè)客戶端節(jié)點(diǎn)/對(duì)等節(jié)點(diǎn)定義了本地MSP（LMSP）。LMSP將對(duì)等方與其組織關(guān)聯(lián)起來(lái)。它還定義了該對(duì)等節(jié)點(diǎn)的權(quán)限，并允許其在通道（Ch）上的TXs中進(jìn)行身份驗(yàn)證。
在這里可能會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題，即CC（通道配置）和CMSP有什么區(qū)別。CC包含管理該通道（Ch）的策略，即哪些組織可以管理通道（Ch）并添加新成員。而CMSP建立了節(jié)點(diǎn)與它們各自的組織之間的鏈接，并且節(jié)點(diǎn)可以在通道（Ch）中扮演什么角色，即，它可以在通道（Ch）上實(shí)例化SC嗎？
關(guān)于權(quán)力下放方面；與單個(gè)組織中的所有管理權(quán)限相比，使用專用的可信CA、區(qū)塊鏈管理員和業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)管理員可以在一定程度上分散管理權(quán)限。
4.2
2.如何進(jìn)行數(shù)據(jù)上鏈
為確保通道（Ch）內(nèi)關(guān)鍵用戶數(shù)據(jù)的私密性，在通道（Ch）中，采取了一種“私有數(shù)據(jù)收集”的方法，將部分用戶數(shù)據(jù)對(duì)某些組織保密，其中重要的私人資料只會(huì)直接發(fā)送給獲得授權(quán)的機(jī)構(gòu)。這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)高級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)中。
在被授權(quán)的節(jié)點(diǎn)上。雖然私有信息存儲(chǔ)在授權(quán)節(jié)點(diǎn)上，但只處理此數(shù)據(jù)的散列，即數(shù)據(jù)的哈希作為TX的證據(jù)，也有助于對(duì)事件狀態(tài)的驗(yàn)證。
這里一個(gè)重要的數(shù)據(jù)安全特性是，排序節(jié)點(diǎn)看不到私有數(shù)據(jù)。
但是，為了進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)隱私/機(jī)密性的級(jí)別，用戶可以選擇加密他的私有數(shù)據(jù)，這樣即使是被授權(quán)查看存儲(chǔ)在私有數(shù)據(jù)集合中的數(shù)據(jù)的對(duì)等節(jié)點(diǎn)也不能看到原始內(nèi)容。
數(shù)據(jù)使用AES-256位對(duì)稱加密密鑰進(jìn)行加密，然后存儲(chǔ)在私有數(shù)據(jù)集合中。稍后，只有有權(quán)訪問(wèn)解密密鑰的授權(quán)用戶才能查詢用戶的私有數(shù)據(jù)。
除了數(shù)據(jù)加密之外，還有一個(gè)附加的特性：對(duì)私有數(shù)據(jù)進(jìn)行簽名加密，以提高用戶身份驗(yàn)證和數(shù)據(jù)安全性。
4.3
3.普通數(shù)據(jù)和保密數(shù)據(jù)如何處理，保密數(shù)據(jù)只存數(shù)據(jù)HASH值
（1）智慧城市區(qū)塊鏈-純TX流
TXs有兩種類型：一個(gè)是普通TX，可供所有通道（Ch）成員查看，另一個(gè)是私有數(shù)據(jù)TX，僅與一些選定的同行共享通道（Ch）共享。
在這方面，例如，通過(guò)安裝在愛(ài)麗絲智能汽車中的ClientAppA來(lái)啟動(dòng)更新愛(ài)麗絲汽車在Ch2上的當(dāng)前位置狀態(tài)所需的普通TX。
此TX（如上圖5a所示）按以下步驟進(jìn)行處理。
步驟1：ClientAppA調(diào)用SCA，并根據(jù)Ch2上的SC A認(rèn)可策略將包含愛(ài)麗絲汽車當(dāng)前位置的TX提議發(fā)送給預(yù)定義的背書人。在這種情況下，背書人是E2a（RTA），E2b（警察）和E2c（汽車服務(wù)提供商）。如果TX獲得三位指定背書者中的至少兩位背書，則該TX將被批準(zhǔn)。
步驟 2：三個(gè)代言人E2a中，E2b和E2c調(diào)用SCA建議；SCA生成一個(gè)查詢或更新建議響應(yīng)，背書人E2a和E2b對(duì)提案的正確性表示認(rèn)可。
步驟3：E2a和E2b都向ClientAppA發(fā)送已簽署（認(rèn)可）的TX提案響應(yīng)和RW（讀、寫）。在此階段，背書的同行不將擬議的更新應(yīng)用于其總賬副本。
步驟4：ClientAppA驗(yàn)證從至少兩個(gè)背書人那里收到的響應(yīng)是相同的，即確定性的。但是，結(jié)果可能是在不同時(shí)間，不同分類賬的不同對(duì)等節(jié)點(diǎn)生成的結(jié)果。因此，對(duì)等節(jié)點(diǎn)可以針對(duì)相同的TX建議返回不同的TX響應(yīng)。在這種情況下，應(yīng)用程序可以簡(jiǎn)單地請(qǐng)求一個(gè)最新的建議響應(yīng)。
另一個(gè)不太可能的可能性是，SC可能是不確定的，例如，當(dāng)從某些網(wǎng)站獲取外匯（外匯匯率）數(shù)據(jù)時(shí)，TX的響應(yīng)可能會(huì)有所不同，因?yàn)橥鈪R匯率在不同時(shí)間可能會(huì)有所不同。因此，不一致的結(jié)果不能被應(yīng)用程序接受并應(yīng)用于總賬。
步驟5：一旦ClientAppA驗(yàn)證了背書人的響應(yīng)，它就會(huì)將TX發(fā)送到ODS。
步驟6：然后ODS將接收到的TXs分組到一個(gè)塊中。塊中的TXs序列不一定與排序者處的TXs到達(dá)順序相同。但是，生成的塊是最終的，沒(méi)有分叉。此外，訂購(gòu)者不托管分類賬和SCs，他們也不關(guān)心TX的值，而只是將TXs打包到塊中。
步驟7：ODS將下一個(gè)提議的塊廣播給通道（Ch）2上的所有節(jié)點(diǎn)。
步驟8：所有提交對(duì)等方均會(huì)驗(yàn)證塊中的每個(gè)TX（與它們?cè)趬K中出現(xiàn)的順序相同），以確保在將所有TX應(yīng)用于分類賬之前，它已被所有必需的背書人正確背書。一旦正確驗(yàn)證了TX，對(duì)等方將執(zhí)行分類賬一致性檢查，以確保生成建議的更新時(shí)，分類賬的當(dāng)前狀態(tài)與分類賬的狀態(tài)兼容。根據(jù)已驗(yàn)證的TX更新世界狀態(tài)。
要注意的是，失敗的TX不會(huì)應(yīng)用于分類賬上，但會(huì)保留它們用于審計(jì)。此外，步驟8中的TX驗(yàn)證不需要運(yùn)行SCs。這僅由背書人完成。因此，SC僅安裝在背書人的電腦上上。這使SC的邏輯僅對(duì)認(rèn)可組織保密。此外，對(duì)等方還將每個(gè)塊中的每個(gè)TX標(biāo)記為有效或無(wú)效。
最后，一個(gè)新的塊被附加到分類賬L2中存儲(chǔ)的哈希鏈中，并由文件系統(tǒng)中的所有對(duì)等方維護(hù)。
步驟9：生成分類賬更新事件，并通知ClientAppA。需要注意的是，在添加塊之前，要執(zhí)行版本檢查，以確保更新的狀態(tài)與SC執(zhí)行期間讀取的狀態(tài)相同。它可以防止雙重開(kāi)銷和其他數(shù)據(jù)完整性威脅。上面提到的由訂貨方協(xié)調(diào)的TX工作流程稱為“共識(shí)”，即所有的同行對(duì)TXs的內(nèi)容和順序達(dá)成一致。
（2）智慧城市區(qū)塊鏈私有數(shù)據(jù)TX流
根據(jù)上圖3所示的智能城市網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，如果Alice身上的可穿戴式血液酒精監(jiān)測(cè)設(shè)備產(chǎn)生警報(bào)，則僅由她的主要醫(yī)療中心和當(dāng)?shù)鼐炜吹?，以立即做出響?yīng)。
在這種情況下，需要保持TX私有，Ch1上除P2，P4和P5之外的其他成員不應(yīng)看到該TX。這種私有數(shù)據(jù)TX（如上圖5（b）所示）按以下步驟處理：
步驟1：ClientAppB向提議的對(duì)等節(jié)點(diǎn)E1b（主醫(yī)療中心）和E1c（警察）提交提案請(qǐng)求以調(diào)用SC功能（RW私有數(shù)據(jù)），這些對(duì)等節(jié)點(diǎn)是收集的授權(quán)組織的一部分（由關(guān)于健康警報(bào)的私有數(shù)據(jù)分發(fā)策略定義）。關(guān)于血液酒精濃度健康警報(bào)的私有數(shù)據(jù)是在提案的一個(gè)臨時(shí)字段中發(fā)送的。
步驟2：E1b和E1c模擬TX，并將私有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在瞬態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)（它們本地的臨時(shí)存儲(chǔ)區(qū)）中。背書節(jié)點(diǎn)還通過(guò)閑話將基于收集策略的私有數(shù)據(jù)分發(fā)給授權(quán)對(duì)等方。但是在這種情況下，我們只有三個(gè)對(duì)等點(diǎn)，即P2（E1b），P4（E1c）和P5。
步驟3：E1b和E1c將提案響應(yīng)與公共數(shù)據(jù)一起發(fā)送回ClientAppB，其中包括私有數(shù)據(jù)密鑰和值（酒精度）的哈希值。沒(méi)有任何私有數(shù)據(jù)以明文形式發(fā)送回ClientAppB。
步驟4：ClientAppB驗(yàn)證從E1b和E1c接收到的RW集是否相同。
步驟5：ClientAppB將帶有私有數(shù)據(jù)哈希值的TX提交給ODS。
步驟6：ODS將TX打包在最新塊中。具有散列值的塊分配給Ch1上的所有對(duì)等節(jié)點(diǎn)。
步驟7：通道上的所有對(duì)等節(jié)點(diǎn)都以一致的方式用私有數(shù)據(jù)的哈希值驗(yàn)證TX，而無(wú)需知道實(shí)際的私有數(shù)據(jù)。
步驟8：生成分類賬更新事件，并通知ClientAppB。
4.4
4.如何利用智能合約進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)控制
通過(guò)多個(gè)通道（Chs）實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)用戶數(shù)據(jù)資產(chǎn)的受限訪問(wèn)。除了通過(guò)Ch中的ACL規(guī)則限制對(duì)用戶數(shù)據(jù)資產(chǎn)的訪問(wèn)外，使用特定于數(shù)據(jù)的Chs還有助于保護(hù)用戶的數(shù)據(jù)隱私。通過(guò)本研究的PoC，我們已經(jīng)驗(yàn)證了PrivySharing智慧城市網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)Ch均獨(dú)立于其他具有相關(guān)Ch成員的Ch。
當(dāng)來(lái)自組織7的P13（不是Ch1的成員）嘗試查詢用戶的心率數(shù)據(jù)時(shí)，他將獲得拒絕訪問(wèn)錯(cuò)誤，因?yàn)樗麩o(wú)權(quán)訪問(wèn)在Ch1上傳播的任何數(shù)據(jù)資產(chǎn)。由于PrivySharing是一個(gè)許可的聯(lián)盟區(qū)塊鏈，因此所有網(wǎng)絡(luò)成員在加入網(wǎng)絡(luò)之前均已進(jìn)行了適當(dāng)?shù)淖?cè)和認(rèn)證。
但是，即使通過(guò)損壞的網(wǎng)絡(luò)管理員將未經(jīng)授權(quán)的節(jié)點(diǎn)添加到系統(tǒng)中，ACL規(guī)則也會(huì)禁止入侵者未經(jīng)授權(quán)訪問(wèn)用戶的數(shù)據(jù)資產(chǎn)。
相關(guān)知識(shí)
1.Hyperledger
Hyperledger （超級(jí)賬本）是一組開(kāi)源工具，旨在構(gòu)建一個(gè)強(qiáng)大的、業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)的區(qū)塊鏈框架。
Hyperledger （超級(jí)賬本）是區(qū)塊鏈行業(yè)中最大的項(xiàng)目之一，它由一組開(kāi)源工具和多個(gè)子項(xiàng)目組成。該項(xiàng)目是由 Linux 基金會(huì)主辦的一個(gè)全球協(xié)作項(xiàng)目，其中包括一些不同領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者們，這些領(lǐng)導(dǎo)者們的目標(biāo)是建立一個(gè)強(qiáng)大的、業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)的區(qū)塊鏈框架。
2.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)主要有三種類型：公共區(qū)塊鏈、聯(lián)盟區(qū)塊鏈，以及私有區(qū)塊鏈
Hyperledger 是一個(gè)區(qū)塊鏈框架，旨在幫助公司建立私人或聯(lián)盟許可的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，在該網(wǎng)絡(luò)中，多個(gè)組織可以共享控制和操作網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的權(quán)限。Hyperledger Fabric 是 Hyperledger 項(xiàng)目的一個(gè)組成部分，是一個(gè)區(qū)塊鏈框架的實(shí)現(xiàn)。它將成為區(qū)塊鏈應(yīng)用開(kāi)發(fā)、解決方案的基礎(chǔ)。
Fabric 框架支持組件化、可插拔的共識(shí)服務(wù)（Consensus Service）、成員服務(wù)（Membership Service）；"許可（Permissioned）"特性使之為"私有性"、"保密性"提供了可靠的解決方案；智能合約（Smart Contracts）在 Fabric 中通過(guò)"Chaincode"得以實(shí)現(xiàn)。Fabric 最初是由 Digital Asset、IBM 貢獻(xiàn)給 Hyperledger 項(xiàng)目的。
