一種基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)完整性驗證解決方案

魏 艷，毛燕琴，沈蘇彬

(南京郵電大學(xué) 計算機學(xué)院，江蘇 南京 210023)

0 引 言

數(shù)據(jù)在當(dāng)今時代是一項非常重要的資產(chǎn)，推動著不同領(lǐng)域做出具有戰(zhàn)略意義的決策。因為數(shù)據(jù)發(fā)揮著關(guān)鍵作用，使其成為網(wǎng)絡(luò)攻擊的一個目標(biāo)。其攻擊目的是破壞數(shù)據(jù)的CIA(保密性、完整性、可用性)屬性，其中數(shù)據(jù)的完整性是數(shù)據(jù)是否可信的關(guān)鍵。2008年，一位署名為中本聰?shù)娜税l(fā)表了一篇名為《比特幣：一種點對點的電子現(xiàn)金系統(tǒng)》的技術(shù)白皮書[1]，具體闡述了交易、時間戳服務(wù)器、工作量證明、網(wǎng)絡(luò)、加密、區(qū)塊鏈技術(shù)等基于互聯(lián)網(wǎng)的、去中心的電子貨幣框架的重要理念，并且隨后上線了比特幣的系統(tǒng)。在比特幣的概念中，區(qū)塊鏈被稱為比特幣交易的公共賬本。區(qū)塊鏈的去中心化、分布式、持久性、不可篡改等屬性成為區(qū)塊鏈應(yīng)用迅速發(fā)展的主要動力，也成為具有隱私保護應(yīng)用需求的數(shù)據(jù)完整性驗證的主要關(guān)注焦點。

文中提出了面向區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)完整性驗證的區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)；提出了基于去中心化時間戳的數(shù)據(jù)完整性驗證機制，利用區(qū)塊鏈擁有的自身特性保證數(shù)據(jù)完整性。在以太坊平臺上模擬真實場景，具體實現(xiàn)了數(shù)據(jù)完整性驗證的智能合約。實驗結(jié)果表明，基于區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)完整性驗證的模型，提高了數(shù)據(jù)的安全性，確保了數(shù)據(jù)的完整性。

1 相關(guān)工作分析

數(shù)據(jù)在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下采集、傳遞、存儲的過程中，如果缺少嚴(yán)密的安全防范措施，可能會出現(xiàn)假冒的、被篡改的或者過期的數(shù)據(jù)，這些缺乏完整性保護的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)會對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用造成極大的危害。區(qū)塊鏈提供的去中心化的、匿名信任管理機制，無需將數(shù)據(jù)傳遞到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器就可以驗證數(shù)據(jù)的完整性，這樣使得區(qū)塊鏈成為目前解決具有隱私保護需求的數(shù)據(jù)完整性問題的一種優(yōu)選方法。數(shù)據(jù)完整性是指維護和確保數(shù)據(jù)在其整個生命周期內(nèi)的準(zhǔn)確性和一致性[2]。如果系統(tǒng)提供了完整性，那么系統(tǒng)就要保證數(shù)據(jù)是來自于經(jīng)過身份驗證的數(shù)據(jù)源發(fā)送給接收者的，并且要保證數(shù)據(jù)沒有被篡改，這樣在某種意義上就具有了不可抵賴性[3]。

與基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)完整性驗證方法相關(guān)的技術(shù)包括區(qū)塊鏈、共識協(xié)議、激勵機制、可信時間戳，以及已有的數(shù)據(jù)完整性驗證機制。

1.1 區(qū)塊鏈概述

區(qū)塊鏈由區(qū)塊鏈接組成，每個區(qū)塊包含一個區(qū)塊頭和一系列交易作為其負載。這一系列交易通過所有交易作為梅克爾樹的葉子節(jié)點構(gòu)成的梅克爾樹的根被包含在區(qū)塊頭中。另外這個區(qū)塊頭包含一個時間戳和前一區(qū)塊頭的哈希，一次性數(shù)等。時間戳服務(wù)器對區(qū)塊進行散列并公開發(fā)布它，從而證明區(qū)塊內(nèi)的數(shù)據(jù)在散列時就已經(jīng)存在。時間戳服務(wù)器必須驗證區(qū)塊的時間戳大于前一區(qū)塊的時間戳。區(qū)塊鏈中的每個區(qū)塊都通過包含前一區(qū)塊表示的哈希值來“鏈接”前一個區(qū)塊。這些哈希值連接成一條鏈，被稱為區(qū)塊鏈[4]。區(qū)塊中的每個交易被散列成一棵梅克爾樹[5]。梅克爾樹是具有很多葉子節(jié)點的二叉樹，而且葉子節(jié)點的樹根是它子節(jié)點的哈希[6]。

圖1 區(qū)塊的結(jié)構(gòu)

如圖1所示，一個比特幣的區(qū)塊的一部分是交易哈希值的梅克爾樹。樹中的任何不一致都會在區(qū)塊鏈中被反映，所以梅克爾樹對于區(qū)塊鏈的長期維護非常重要。區(qū)塊鏈?zhǔn)腔诰W(wǎng)絡(luò)的、可以分散可信存儲、交換和訪問數(shù)據(jù)的管理系統(tǒng)。區(qū)塊鏈不僅僅是一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，必然包括可信數(shù)據(jù)存儲、交換和數(shù)據(jù)訪問的相關(guān)操作機制。區(qū)塊鏈可以看作是一種去中心化的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，也可以看作是對等網(wǎng)絡(luò)上的一類應(yīng)用。

1.2 共識協(xié)議

基于工作量證明的區(qū)塊鏈擁有的許多特性都和數(shù)據(jù)完整性相關(guān)，主要是因為淘金過程和區(qū)塊鏈的副本存在于大量的節(jié)點中。當(dāng)一個區(qū)塊是區(qū)塊鏈的一部分，所有的淘金者都要同意其內(nèi)容，所以這個內(nèi)容是不可抵賴和持久的[7]。區(qū)塊鏈對存儲的數(shù)據(jù)的不變性有很強的保證，并且隨著時間的推移這個保證更強，因而適用于時間戳應(yīng)用程序。區(qū)塊鏈的安全性通過工作量證明保證。在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，淘金者通過在區(qū)塊中增加一個一次性數(shù)直到區(qū)塊的散列滿足指定條件的值，過程需要花費巨大的算力，因而稱工作量證明。新生成的區(qū)塊被添加在整條鏈的尾部，攻擊者若想改變此區(qū)塊中的信息，只能通過重做這個區(qū)塊之后的所有區(qū)塊的工作量證明工作才能完成，代價巨大。

1.3 激勵機制

面向區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)完整性驗證的區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)模仿比特幣的激勵機制。通過對淘金者提供獎勵，在保持去中心化的同時利用自我利益的力量驅(qū)動區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展。比特幣系統(tǒng)對區(qū)塊的創(chuàng)建者提供了比特幣的激勵，對驗證交易的一方也提供了比特幣的激勵。區(qū)塊中的第一筆交易會產(chǎn)生一個新的比特幣獎勵給區(qū)塊的創(chuàng)建者。這會激勵節(jié)點驗證交易，然后將比特幣投入流通領(lǐng)域，因為沒有中央機構(gòu)發(fā)布比特幣。第一筆交易稱為創(chuàng)幣(coinbase)交易。使用這種方法，可以激勵節(jié)點保持誠實。比特幣網(wǎng)絡(luò)大約10分鐘產(chǎn)生一個區(qū)塊。除了基于區(qū)塊創(chuàng)建產(chǎn)生的獎勵，節(jié)點通過驗證交易也會被獎勵比特幣。這種將新區(qū)塊添加到區(qū)塊鏈的過程稱為淘金[8]。最初的區(qū)塊獎勵設(shè)置為50個比特幣，后來每210 000個區(qū)塊獎勵會減半。區(qū)塊鏈的第一個區(qū)塊是創(chuàng)世區(qū)塊，用來向網(wǎng)絡(luò)提供最初的50個比特幣。區(qū)塊創(chuàng)建獎勵的減半策略會持續(xù)到獎勵低于一個聰。

1.4 去中心化可信時間戳

區(qū)塊鏈對存儲的數(shù)據(jù)的不變性有很強的保證，并且隨著時間的推移這個保證更強[9-10]。這個保證使得區(qū)塊鏈很適用于時間戳應(yīng)用程序，因為它們保證了數(shù)據(jù)在未來不會發(fā)生變化。區(qū)塊鏈可以說是一個去中心化的時間戳服務(wù)器技術(shù)[11-13]，該技術(shù)被比特幣數(shù)字貨幣系統(tǒng)引進。時間戳證明數(shù)據(jù)在某個特定時間點肯定存在，例如報紙就可以充當(dāng)一個時間證明。在區(qū)塊里，每個區(qū)塊都包含有一個時間戳，這個時間戳是淘金者根據(jù)本地系統(tǒng)時間設(shè)定的，表明區(qū)塊被成功挖掘的時間。區(qū)塊頭中包含的時間戳可以確保區(qū)塊的順序，有效預(yù)防對區(qū)塊中數(shù)據(jù)的篡改和偽造?？尚艜r間戳是驗證在某一時間點未改變的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的存在的一個過程。隨著加密貨幣的推出，區(qū)塊鏈?zhǔn)状螌崿F(xiàn)了防篡改、不可信、匿名和可自動編程的“去中心化可信時間戳”。該技術(shù)展現(xiàn)了如果數(shù)據(jù)的哈希值被嵌入到加密貨幣的交易記錄中，加密貨幣的區(qū)塊鏈(例如比特幣)充當(dāng)一個去中心化的可信時間戳服。證明數(shù)據(jù)在某個時間存在某個狀態(tài)，并且之后沒有被更改。通過使用區(qū)塊鏈技術(shù)保證和驗證數(shù)據(jù)的完整性。這個和已經(jīng)建立好的時間戳協(xié)議相比有以下優(yōu)點：(1)時間戳的去中心化的密碼完整性驗證的過程。(2)高度激勵計算節(jié)點致力于去中心化過程。區(qū)塊鏈不受限于單個實體，而是由加入到加密貨幣網(wǎng)絡(luò)中的所有計算節(jié)點進行維護，任何人都可以公開訪問。

2 基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)完整性驗證

傳統(tǒng)的方法都是使用中心化的方式為存儲的數(shù)據(jù)完整性驗證指明了光明的未來，但是這些都是依賴第三方進行數(shù)據(jù)完整性驗證的方法，存在的主要問題是第三方仍不可信。相對于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)完整性驗證，文中利用區(qū)塊鏈技術(shù)，拋棄第三方審查機構(gòu)，采用去中心化的數(shù)據(jù)完整性驗證，保證了數(shù)據(jù)完整性驗證的可信性[14-17]。

2.1 數(shù)據(jù)標(biāo)識的基本結(jié)構(gòu)

使用密碼哈希函數(shù)SHA-256實現(xiàn)數(shù)字簽名可以提供數(shù)據(jù)的完整性。數(shù)字簽名需要一對密鑰(公鑰和私鑰)，這來自于橢圓曲線算法[18]。使用哈希函數(shù)用來簽名和驗證報文的完整性。數(shù)字簽名被用來簽署交換的報文。時間戳證明數(shù)據(jù)在某個時間存在某個狀態(tài)，并且之后沒有被更改。通過使用區(qū)塊鏈技術(shù)保證和驗證數(shù)據(jù)的完整性。

數(shù)字資源一般使用URIs或者DOIs進行標(biāo)識[19]。但是它們都依賴于某些信任方或者權(quán)威機構(gòu)，而且不能保證隨著時間的推移可以檢索到相同的資源。所以在不被信任的環(huán)境下，數(shù)字資源應(yīng)該通過可以唯一識別內(nèi)容的機制進行識別，也就是數(shù)據(jù)標(biāo)識具有唯一性。隨著需要處理不同的媒體類型和慣例表示的資源，以及處理被編碼的資源，使用字節(jié)內(nèi)容的哈希值已經(jīng)成為一個普遍適用的方法。擁有可以識別資源及其數(shù)據(jù)的賬戶，就要關(guān)注數(shù)據(jù)真實性的問題，也就是允許數(shù)據(jù)的所有者提供證明，是由他們自己提供的數(shù)據(jù)。區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€合適的解決方案，因為區(qū)塊鏈允許數(shù)據(jù)的擁有者添加交易到區(qū)塊鏈中，在區(qū)塊鏈中可以加密證明數(shù)據(jù)的出處，而且不能被刪除。目前在區(qū)塊鏈領(lǐng)域，驗證數(shù)據(jù)完整性的方法是將標(biāo)識符-哈希值映射類型存儲在智能合約中。但是通過查看智能合約中的這些數(shù)據(jù)很難推斷出和其相關(guān)的任何信息。文中提出的實現(xiàn)方法是在智能合約中存儲一些與源數(shù)據(jù)相關(guān)的元數(shù)據(jù)以及哈希值。該方法通過在智能合約中增加一個Identifier結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，這個結(jié)構(gòu)包含一些附加信息也就是元數(shù)據(jù)，有數(shù)字簽名(bytes dsign)，時間戳(uint256 timestamp)，哈希值(bytes hash)，數(shù)據(jù)的所有者(address owner)。然后將這個結(jié)構(gòu)代替數(shù)據(jù)哈希值映射到智能合約中。因此標(biāo)識符的基本結(jié)構(gòu)引進去中心化的概念，具體Identifier結(jié)構(gòu)定義如下(使用solidity語言)：

struct Identifier

{

bytes dsign;//數(shù)字簽名

uint256 timestamp;//時間戳

bytes hash;//哈希值

address owner;//數(shù)據(jù)的所有者

}

2.2 數(shù)據(jù)完整性驗證的區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)

以太坊有兩種賬戶類型，一種是由賬戶控制的外部賬戶，此賬戶是由用戶控制的公-私鑰對，用A、B……表示這些賬戶。另一種是合約賬戶存儲執(zhí)行的智能合約代碼，用x表示。這兩種賬戶類型都可以存儲以太坊的貨幣“以太幣”。如果沒有用戶交互，以太坊不會在合約中執(zhí)行計算。所以，合約賬戶在它的代碼被執(zhí)行之前必須被外部賬戶激活。智能合約是一種分布式執(zhí)行代碼的機制，為了淘金者執(zhí)行代碼消耗的計算工作，以太坊會支付成比例的費用。淘金者執(zhí)行此交易的交易費是執(zhí)行代碼實際消耗的燃料乘以燃料單價。如果某些執(zhí)行需要燃料比還要高，則執(zhí)行將以異常的形式終止，狀態(tài)將恢復(fù)為初始狀態(tài)，就像一切沒有發(fā)生一樣。在這種情況下，發(fā)件人仍然必須向淘金者支付所有限定的燃料量，作為對抗資源枯竭攻擊的對策?？傊?，執(zhí)行代碼需要使用燃料，這些燃料由外部賬戶使用以太幣購買。燃料的成本實際上是一個交易費用，鼓勵淘金者去執(zhí)行代碼。

如圖2所示，A在區(qū)塊鏈上創(chuàng)建了一個合約，合約代碼放置在交易的數(shù)據(jù)字段被發(fā)送到區(qū)塊鏈。合約的地址是X。B使用第二個交易發(fā)送一定量的燃料到地址X來調(diào)用合約的一個函數(shù)。

以太坊的交易結(jié)構(gòu)如圖2所示，每個字段的含義如下：

簽名字段：來自外部賬戶的簽名，用于授權(quán)交易，也就是可以標(biāo)識發(fā)送方證明他們發(fā)送一筆交易。

接收方字段：交易的接收方，既可以是外部賬戶也可以是合約賬戶。

數(shù)據(jù)字段：數(shù)據(jù)字段是可選字段，在圖2中是指發(fā)送給一個合約賬戶的消息，包含合約代碼，用于創(chuàng)建一個新合約或者執(zhí)行合約指令。

燃料價格：使用以太幣購買燃料的轉(zhuǎn)換率，每個燃料單位的價格。

最大燃料量：這筆交易花費的燃料總量，也就是當(dāng)用戶發(fā)送交易以調(diào)用合約時，用戶必須指定愿意為執(zhí)行提供多少燃料。

以太坊中交易定義，交易是被使用在以太坊中是指已經(jīng)被簽名的數(shù)據(jù)包(data package)，這個數(shù)據(jù)包會被從一個外部賬戶(EOA)發(fā)送給區(qū)塊鏈中的另一個賬戶。這個賬戶可以是外部賬戶，也可以是合約賬戶。這個數(shù)據(jù)包存儲了一個消息(message)，這個消息數(shù)據(jù)可以是以太幣也可以是合約執(zhí)行參數(shù)(數(shù)據(jù)字段)?；谧约旱漠a(chǎn)品有兩種類型的交易，一個是創(chuàng)建新賬戶，也就是圖2的合約創(chuàng)建交易，另一個是用于消息調(diào)用，也就是調(diào)用合約交易。

圖2 基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)完整性驗證的區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)

2.3 基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)完整性驗證分析

(1)節(jié)點需要使安全哈希函數(shù)對數(shù)據(jù)進行哈希運算，得到數(shù)據(jù)的哈希值。得到的結(jié)果記為hash。

(2)節(jié)點對這個哈希值進行數(shù)字簽名，得到數(shù)字簽名dsign。利用去中心化時間戳和唯一數(shù)據(jù)標(biāo)識技術(shù)。將哈希值hash、數(shù)字簽名dsign以及交易發(fā)生的時間戳timestamp和數(shù)據(jù)所有者owner都作為附加信息添加到Identifier結(jié)構(gòu)中。最后將這個結(jié)構(gòu)代替數(shù)據(jù)哈希值映射到智能合約中。

礦體受構(gòu)造控制作用明顯。區(qū)域性的大型構(gòu)造控制著巖體的分布，次級構(gòu)造控制著礦體的分布。本區(qū)位于朱陽關(guān)—夏館—大河區(qū)域性斷裂的南側(cè)，該構(gòu)造給巖漿和成礦物質(zhì)提供了上升通道；郭莊組及劉山巖組地層內(nèi)的次級構(gòu)造為鉬礦體提供的成礦空間，發(fā)育有脈狀的鉬多金屬礦床。

(3)用戶將數(shù)據(jù)存入本地服務(wù)器中，并保留數(shù)據(jù)標(biāo)識中的元數(shù)據(jù)信息，以便實時的數(shù)據(jù)完整性驗證。

(4)用戶需要進行完整性驗證服務(wù)時，首先計算出在本地服務(wù)器中存儲的數(shù)據(jù)的哈希值hash0，然后根據(jù)保留的時間戳信息timestamp0，再進行哈希計算，最終得到一個新的哈希值hash1，最后利用用戶自身的私鑰，對hash1進行數(shù)字簽名，得到新的數(shù)字簽名dsign0。

(5)節(jié)點和數(shù)據(jù)完整性智能合約進行交互，通過使用數(shù)字簽名dsign0，搜索智能合約中Identifier結(jié)構(gòu)對應(yīng)的存儲在區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)哈希值hash。

(6)對比兩個哈希值hash和hash0，驗證數(shù)據(jù)的完整性。如果兩個值相同，該源數(shù)據(jù)就順利完成數(shù)據(jù)完整性驗證，說明數(shù)據(jù)沒有被篡改，反之，源數(shù)據(jù)就遭到篡改或者破壞。

3 仿真實現(xiàn)與測試

實驗的硬件環(huán)境是Intel(R)Core(TM)i7-8550U CPU (1.80 GHz)，RAM為8 GB。以太坊平臺運行在Ubuntu16.04LTS 64位操作系統(tǒng)上。智能合約由solidity語言實現(xiàn)，區(qū)塊鏈環(huán)境使用以太坊solidity編程語言開發(fā)框架truffle和可視化私有鏈客戶端ganache。

基于去中心化時間戳的數(shù)據(jù)完整性驗證機制如下：通過數(shù)據(jù)完整性驗證的智能合約實現(xiàn)。智能合約包含存儲函數(shù)put以及驗證函數(shù)get。該過程可以使用式1和式2表示。其中h是哈希函數(shù)本身，m是將要轉(zhuǎn)換成哈希值的報文，生成哈希值hash，timestamp是交易的時間戳，利用用戶的私鑰private，執(zhí)行數(shù)字簽名sign,生成唯一的數(shù)字標(biāo)識dsign，通過存儲函數(shù)put，數(shù)字簽名dsign，時間戳timestamp,哈希值hash,數(shù)據(jù)所有者owner被永久地存儲在以太坊區(qū)塊鏈中。通過使用唯一數(shù)據(jù)標(biāo)識符dsign作為驗證函數(shù)put的輸入，返回與此數(shù)據(jù)標(biāo)識符相關(guān)的數(shù)據(jù)。用戶交易會以交易列表的形式作為區(qū)塊的一部分。每個區(qū)塊必須指向前一區(qū)塊，因此新的區(qū)塊會確認(rèn)前一區(qū)塊的內(nèi)容。因為區(qū)塊鏈的激勵機制的存在，就會激勵節(jié)點發(fā)布一組新的交易，進而形成新的區(qū)塊。一旦區(qū)塊被確認(rèn)之后，就無法改變一個交易的時間戳。這個過程可以幫助證明數(shù)據(jù)在某一時間點存在，自某一時間點之后就沒有被改變，確保數(shù)據(jù)的完整性。存儲到區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)是很難被篡改或者偽造的，所以數(shù)據(jù)可以被安全存儲。

(1)

get=(dsign)

(2)

3.1 數(shù)據(jù)完整性存儲階段

以太坊設(shè)計了兩種方法存儲數(shù)據(jù)。一種利用賬戶存儲數(shù)據(jù)，另一種利用事件存儲數(shù)據(jù)，也稱為日志存儲。這兩種方法都在合約代碼中實現(xiàn)。以太坊中的每個賬戶都有額外的空間用于數(shù)據(jù)存儲。該存儲在以太坊虛擬機中實現(xiàn)，為256位字大小的鍵值存儲。它在合同的執(zhí)行期間可以使用值類型或者引用類型進行讀取或者寫入。將腳本編譯成以太坊虛擬機代碼之后，必須由外部賬戶發(fā)送一個特殊的報文來完成合約的創(chuàng)建。在以太坊中存儲數(shù)據(jù)的第二種方法是日志存儲，也被稱為事件。其用途就是發(fā)送返回值或者日志事件到一個特定用戶。實驗使用兩種方法結(jié)合的存儲數(shù)據(jù)方式，提高實驗的存儲效率及精確度。以太坊區(qū)塊鏈上的智能合約允許數(shù)據(jù)作為變量直接存儲在這些合約中。因為區(qū)塊鏈不易篡改的屬性，可以保證這些數(shù)據(jù)只能使用智能合約的功能進行更改，并且每次和智能合約的交互都會被看作一個交易記錄在區(qū)塊鏈上。根據(jù)區(qū)塊鏈和智能合約的這些屬性，確保數(shù)據(jù)完整性的最簡單辦法就是將所有數(shù)據(jù)通過智能合約直接存儲在區(qū)塊鏈上。

圖3為部署智能合約的過程。首先啟動一個以太坊節(jié)點(如Geth)，使用智能合約編程語言(如Solidity)編寫智能合約(后綴為.sol)。用solc編譯器將.sol合約代碼編譯成以太坊虛擬機字節(jié)碼。將編譯好的合約代碼部署到以太坊區(qū)塊鏈，需要消耗燃料，并且需要合約發(fā)起用戶使用自己的外部所有賬戶對將要部署的合約進行簽名，通過淘金者確認(rèn)后，將合約代碼存于以太坊區(qū)塊鏈上。在這一步中，用戶可獲得合約的地址，以及調(diào)用合約所需的接口，以便之后使用。編譯智能合約過程如圖4所示，部署合約過程如圖5所示。

圖3 部署智能合約的過程

圖4 編譯合約

圖5 部署合約

具體實現(xiàn)的智能合約包含一個存儲函數(shù)，該函數(shù)允許通過數(shù)據(jù)標(biāo)識包含的元數(shù)據(jù)傳遞給此函數(shù)并存儲到區(qū)塊鏈中，其中元數(shù)據(jù)dsign，timestamp，hash，owner分別代表數(shù)字簽名，時間戳，哈希值和數(shù)據(jù)所有者。運行結(jié)果如圖6所示。

contract DataIntegrity{

function put(bytes dsign,bytes hash,uint256 timestamp) public returns (bytes) {

address owner=msg.sender;

bytes32 message=prefixed(keccak256(hash,timestamp));

address recovered=recoverSigner(message,dsign);

require(recovered==msg.sender);

identifiers.push(Identifier({

dsign:dsign,

timestamp:timestamp,

hash:hash,

owner:owner

}));

}

圖6 數(shù)據(jù)存儲階段的實驗結(jié)果

3.2 數(shù)據(jù)完整性驗證階段

智能合約包含一個驗證函數(shù)，該函數(shù)允許通過將標(biāo)識符和哈希值傳遞給此函數(shù)并將它們與存儲的值進行比較來驗證存儲的數(shù)據(jù)。

contract DataIntegrity {

function get(bytes dsign) public returns (bytes,uint256,bytes,address) {

uint len=identifiers.length;

for(uint i=0;i

bytes memory sig=identifiers[i].dsign;

if(isEqual(sig,dsign)) {

return(identifiers[i].dsign,identifiers[i].timestamp,identifiers[i].hash,identifiers[i].owner);

}

}

//bytes dsign;

uint256 timestamp;

bytes hash;

address owner;

return(dsign,timestamp,hash,owner);

}

}

}

節(jié)點通過唯一標(biāo)識dsign作為輸入，輸出與此標(biāo)識相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，其中與存儲數(shù)據(jù)相對比可以看出，存儲階段和驗證階段的數(shù)據(jù)完全相同，結(jié)果如圖7所示。

但是如果以一個錯誤的標(biāo)識作為輸入，經(jīng)過對比數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)無法通過數(shù)據(jù)完整性驗證，結(jié)果如圖8所示。

以上實驗可以看出，基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)完整性驗證技術(shù)可以保證數(shù)據(jù)的存儲和驗證的正確性，從而進一步確保數(shù)據(jù)的完整性。

圖7 數(shù)據(jù)驗證階段的實驗結(jié)果

圖8 數(shù)據(jù)驗證階段的測試結(jié)果

4 結(jié)束語

區(qū)塊鏈提供有關(guān)數(shù)據(jù)完整性的可信特性，使得區(qū)塊鏈成為一項引人注目的技術(shù)。使用區(qū)塊鏈來解決數(shù)據(jù)完整性的威脅似乎是一種自然的選擇。區(qū)塊鏈的去中心化、分布式、持久性、不可篡改等屬性成為數(shù)據(jù)完整性驗證的主要關(guān)注點。文中提出的基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)完整性驗證解決方案理論上證明該方案可以保證數(shù)據(jù)完整性，并在以太坊平臺上進行實驗驗證，結(jié)果表明基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)完整性驗證的結(jié)構(gòu)確保了數(shù)據(jù)的完整性。但是依舊要考慮利用智能合約存儲到區(qū)塊鏈中的效率，以及實驗的驗證規(guī)模較小，希望未來的工作可以對此有所優(yōu)化。在未來的工作中，將計劃設(shè)計和構(gòu)建一個應(yīng)用程序，以使用豐富的數(shù)據(jù)存儲格式支持更加復(fù)雜的數(shù)據(jù)完整性驗證，并借助強大的評估模型，確定應(yīng)用程序的安全性。