基于區塊鏈技術的第三方電子數據存證方法研究

徐單恒， 龔建新

(1.浙江工商大學 人文與傳播學院， 浙江 杭州 310000；2.南京農業大學 信息科技學院， 江蘇 南京 210000)

0 引言

第三方電子數據存證應具備易儲存、傳輸效率高、低成本和易建立等特性，屬于具備較高的可信任性及證明性的電子數據證據[1-2]。然而當前的第三方電子數據存證依然存在較多的問題，一方面是當下所具備的存證方法大多需具備第三方平臺，而在處理關于法律事務時第三方平臺會具有較多的重復數據，令查詢數據時的效率過低；另一方面是第三方平臺所存儲數據容易遭受篡改和遺失，可信任性和安全性均較低[3]。區塊鏈是一個共享數據庫，存儲于其中的數據或信息，具有“不可偽造”“全程留痕”“可以追溯”“公開透明”“集體維護”等特征。基于這些特征，區塊鏈技術奠定了堅實的“信任”基礎，創造了可靠的“合作”機制，能夠提升第三方電子數據存證時數據的可信任性與完整性。

區塊鏈屬于一個去中心化的數據庫，能夠自中心化機構向全部加入運算的個體上轉移可信關系，通過區塊鏈內的網絡節點采用共識機制檢驗遠端的各交易，且其交易記錄具有不可篡改的特點[4]。在當前持續變化的區塊鏈應用環境中，以太坊的應用逐漸增多，可設計集合各種功能模塊[5-6]。基于此，本文提出基于區塊鏈技術的第三方電子數據存證方法，提高第三方電子數據的存證效率與存儲安全性。

1 第三方電子數據存證方法

1.1 基于區塊鏈的第三方電子數據分布式存證

以太坊(Ethereum)是建立在賬戶基礎上的模型，可針對狀態數據對繁瑣的業務邏輯予以處理。以太坊的智能合約使得網絡的作用與計算平臺相近，存證時通過以太坊構建對等網絡，當共識節點履行合約后，以太坊內的節點均能夠遵守對應的標準，達到分布式存證第三方電子數據的目的，并實現可信任存證[7-9]。第三方電子數據分布式存證的過程為：建立以太坊賬戶、智能合約部署及調用智能合約。

1.1.1 建立以太坊賬戶

本文采用Geth(Go Ethereum)作為以太坊集成開發環境(Integrated Development Environment，IDE)，其由以太坊基金會所提供的作為實現以太坊節點運行的Go語言客戶端程序開發，并通過能夠同智能合約以交互的方式實現去中心化應用程序(Decentralized App，DApp)協同開發，對區塊鏈作用進行拓展。以太坊由內部賬戶與外部賬戶組成，通過部署智能合約建立內部賬戶，并面向以太坊客戶端創建外部賬戶[10-11]。通過設定以太坊參數Nonce(任意數)、GasLimit(Gas限制額)及Difficulty(難度目標)等實現在Geth中建立創世區塊。第三方電子數據的存儲地址建立在線下節點中，并采用密鑰存儲庫(KeyStore)和ChainData分別存儲線下節點中全部賬戶文件與區塊信息。對以太坊節點的開啟可通過設定網絡監控端口和用來劃分各個網絡的獨有標識ID實現，以太坊外部賬戶可采用individual.new accounts命令建立。

1.1.2 智能合約部署

智能合約部署即以太坊交易，需通過外部賬戶實現部署，完成部署后將回到合約賬戶和合約地址建立合約賬戶[12-13]。在此將智能合約部署劃分成4個過程，具體如下。

(1) 可信任存證合約代碼編寫。可信任存證合約代碼通過Firmness實現編寫。采用某個大小不特定字符串類別的狀態變量在智能合約內對已完成集中式統一處理的存證數據予以聲明，以字符串變量作為存證函數的輸入，通過聲明存證函數實現變量值的存儲，完成交易執行之后回到交易哈希。將存證函數的輸入作為取證函數的輸出，通過對取證函數予以聲明得到變量值，回到區塊內最新存儲的數據[14-16]。任何人在合約中存儲大小不特定的字符串時此合約均予以準許，且任何人均能夠訪問該數據，對于用戶的發布無有效的預防辦法。同時任何人都能夠對存證函數進行重新調用，存儲不同數據實現對原先字符串的遮蓋，由于原始數據依然在區塊鏈的以往區塊內儲存，不能去掉和修改，所以若想增添訪問權限，可通過設定合約函數保證僅準許固定用戶能夠訪問存證函數。

(2) 智能合約編譯。通過在線編譯器Remix編譯智能合約為以太坊虛擬機(Ethereum Virtual Machine，EVM)字節碼得到應用程序二進制接口(Application Binary Interface,ABI)與合約二進制碼。合約函數的返回值與調用簽名通過ABI描述，并且智能合約的基本交互方式也為ABI，其中的交互是指以太坊所具備合約間的交互及區塊鏈外部同合約間的交互。

(3) 以太坊節點開啟。

(4) 智能合約部署。合約賬戶的建立通過建立合約對象，并對EVM字節碼和交易分別予以聲明與部署實現。此交易由智能合約內容、外部賬戶地址和合約賬戶地址組成，采用Kecca-256加密算法以發送的交易數與部署者外部賬戶為任意數輸入生成合約賬戶[17-18]。通過設定礦工賬戶、賬戶解鎖、交易發送、開啟挖礦和查驗賬戶五步實現外部賬戶交易，其中在完成交易發送之后，即將被打包的交易次數將呈現在交易池內，礦工通過耗費一些Gas完成挖礦并產生新的區塊，在新區塊內存儲交易信息，采用Geth遠程過程調用(Remote Procedure Call Protocol,RPC)向以太坊網絡發送字節碼，通過全網驗證之后可向由Geth管控的區塊鏈內輸入。

1.1.3 智能合約調用

智能合約可通過SettingData()、SettingData. shout和SettingData. sendingTransaction 3種方式實現調用。三者之間存在的差異為：SettingData()方式中，當合約函數的代碼不存在Constant標識時，執行的操作為SendingTransaction，當合約函數的代碼具有Constant標識時，執行的操作為Shout本地調用；SettingData. shout方式屬于本地調用，其返回值由合約內函數的詳細代碼決定，不存在耗費Gas的問題，所有信息不會傳播到區塊鏈網絡；SettingData.sendingTransaction方式可建立新的交易，打包交易之后回到某個交易哈希值向網絡內傳播，將導致耗費Gas。在此智能合約調用采用SettingData()方式，并且合約函數代碼不存在Constant標識，其整體調用和部署過程如圖1所示。在合約狀況值產生變化的情況下進行智能合約調用時，此調用為交易，挖礦打包交易時需礦工耗費Gas。合約實例可通過對智能合約ABI于以太坊平臺上予以聲明得到，這時為回到代碼內所設定的合約標準可通過輸入合約名稱實現，采用SettingData()方式，參數增添經過統一處理的存證數據，實現交易之后回到交易哈希值，方便以后對區塊進行定位與查找訪問存證數據。

圖1 智能合約存證過程圖

1.2 門限環簽名

門限環簽名可確保一個成員集合內最少具備數個成員加入到簽名當中，并且對簽名成員的身份予以保密，其滿足避免仿造與無約束匿名等安全性需要[19]。其中不可仿造即為外來攻擊者，若想仿造合法的門限環簽名，應具備n個簽名成員的私鑰方可實現仿造[20]；無約束匿名即為即使攻擊者得到全部有可能加入簽名成員的私鑰，并擁有超強的運算能力，對于哪個成員加入門限環簽名其所能確準的概率仍然不會高出n/m，其中n和m分別表示門限值與有可能加入簽名成員的數量。在基于區塊鏈的第三方電子數據存證中運用門限環簽名過程，提升第三方電子存證數據的安全性。

1.3 門限環簽名過程

在此列出所需要的符號與各符號對應的意義，便于之后的闡述，分別為T、Qpub、g表示主密鑰、公鑰及局部簽名私鑰；R1生成元、門限環成員、應用限期依次用Q、JBj、S表示；A和M表示具有m個成員的集合與具有n個成員的集合；φ和t表示門限環簽名和等待被簽名的報文。

1.3.1 密鑰生成

門限環簽名算法過程分為密鑰生成、簽名過程和檢驗過程3個步驟，具體如下。

(2) 各門限環成員JBj運算式為Gji=ej(i)tlbp,i=1,2,…,m；

(3) 各門限環成員JBj向JBi發送Gji，同時將GjQ,cj,1Q,…,cj,n-1Q公開；

1.3.2 簽名過程

設置A={JB1,JB2,…,JBm}表示m個門限環成員所組成的集合，用M={JB1,JB2,…,JBn}表示現實中簽名人的集合。具體簽名過程如下。

1.3.3 檢驗過程

2 實驗結果分析

為檢驗本文方法的可行性及擴展性，通過仿真實驗模擬本文方法于局域網內的第三方電子數據存證和門限環簽名過程，實驗所處檢測環境是：通過 Web3j 實現 Java 外部調用部署在 Ethereum 上的智能合約設置3臺服務器在局域網中，將各服務端程序共同運作，同用戶端交互數據，如圖2所示。

圖2 智能合約的調用

實驗選擇12條大小不等的第三方電子數據文件檢驗本文方法的性能，文件大小為300 kB—3 600 kB，分別檢驗本文方法的存證過程與門限環簽名過程，再綜合分析兩方面的檢驗結果，驗證本文方法總體性能。

2.1 數據驗證率

當用戶成功進入到系統界面后，用戶可以將個人信息和賬號地址信息輸入后進行系統電子數據上傳、下載、查詢、比對和授權功能的測試樣例及結果測試。用戶可以成功地獲取到查詢的文件信息與文件對比結果信息，可以得出原文件未被修改，成功存證。主要原因在于本文方法引入了區塊鏈技術，防止第三方電子數據存儲遭受篡改和遺失，為提升數據存證速率與安全性提供保障。

檢驗本文方法進行實驗第三方電子數據存證過程中的數據驗證率，分析本文方法的實際應用性能，各條數據文件的數據驗證率如表1所示。

通過表1能夠看出，本文方法存證的第三方電子數據的數據驗證準確率均為100%，說明本文方法存證性能好。

表1 數據驗證率

2.2 存證效率分析

記錄本文方法每次進行分布式存證各條大小不同數據文件所消耗的時間，依據檢測記錄結果繪制本文方法存證過程的消耗時間柱形圖，如圖3所示。

圖3 不同文件大小存證消耗時間

通過圖3能夠看出，本文方法在對大小不同的第三方電子數據文件進行存證時，隨數據文件增大消耗時間大致呈現上升趨勢，且12條大小不同數據文件的平均大小是1 950 kB，平均消耗時間為62.9 ms，可以得出本文方法的存證消耗時間較短，存證效率較高。

2.3 門限環簽名效率分析

對采用本文方法對實驗中各條存證數據文件進行門限環簽名密鑰保護，記錄每次所用時間，并以此為依據運算出本文方法中門限環簽名的平均消耗時間，對其效率予以分析。各次消耗時間的具體記錄如表2所示。

表2 各次消耗時間記錄

通過分析表2能夠得出，本文方法進行門限環簽名時，12次密鑰生成所消耗的平均時間為4.9 ms，簽名過程所消耗的平均時間為5.0 ms，檢驗過程所消耗的平均時間為5.3 ms，總體過程的平均消耗時間為15.3 ms，說明本文方法中針對第三方電子數據存證保護的門限環簽名過程耗時短效率高，且不受數據文件大小影響。

2.4 綜合效率分析

為綜合分析存證效率與門限環簽名效率，對本文方法的整體效率予以分析，現結合2.2小節和2.3小節中的實驗結果，繪制本文方法的整體消耗時長曲線圖，如圖4所示。

圖4 本文方法整體消耗時間

通過圖4可看出，本文方法的整體消耗時間在56.2 ms—102.0 ms之間，整體平均消耗時間為78.4 ms，整體平均耗時不足0.1 s，由此說明本文方法的整體效率較高，實際應用中更省時。

綜上所述，本文方法的整體效率較高，數據驗證準確性極為優越，實際應用中不僅能夠快速存證，并且能夠快速對存證數據予以門限環簽名安全保護，提升存證數據的安全性。

3 總結

本文針對基于區塊鏈技術的第三方電子數據存證方法展開研究，通過構建以太坊賬戶并以此部署及調用智能合約，完成分布式存證第三方電子數據的目的，并且通過門限環簽名算法保障存證數據的安全性。實驗驗證本文方法具有較高的效率與精準的數據驗證率。下一步工作可以考慮對不同類型的用戶原數據，采用分片哈希、細粒度完整性校驗或更安全高效的技術方法，在保障數據真實完整的同時，實現對原數據的安全存證。