基于區塊鏈的煤礦安監云數據安全訪問模型研究

譚靚潔， 李永飛， 吳瓊

（1.華北科技學院 安全工程學院，河北 三河 065201；2.華北科技學院 計算機學院，河北 三河 065201）

0 引言

煤礦安監數據涵蓋范圍廣，包含煤礦基本信息、政策法規信息、監管監察信息等，具體涉及人事管理、事故管理、行政執法、應急避難、隱患報送等方面的業務數據。一般采用行業內部開發的云平臺對該類數據進行管理和使用[1-3]，以云存儲作為數據存儲手段。目前，在國家法律和行業標準層面，如《網絡安全法》《數據安全法》《網絡安全等級保護條例》《關鍵信息基礎設施安全保護條例》等都對云數據安全保障提出了明確要求，建立了煤礦安監云數據分類分級保護制度[4]。煤礦安監信息涉及公民個人維度、公共管理維度、信息傳播維度及行業領域維度，分類應依據數據自身的共享開放要求，分級則應根據用戶層級劃分。在分類分級層面加強煤礦安監云數據的安全保障，避免出現數據安全問題及后續帶來的職責不清等問題[5]，這既是云平臺自身發展的客觀要求，也是滿足國家和行業監管的需要。因工作需要，各級工作人員需經常訪問平臺內煤礦安監云數據，執行對云數據的增加、修改、刪除等行為，并基于平臺云數據開展后續監管監察工作，存在數據泄露、篡改的風險，因此，需要對煤礦安監云數據的安全訪問進行深入研究。

目前對煤礦安監云數據安全訪問的研究主要集中在用戶權限策略的安全存儲和訪問控制功能實現2個方面。劉敖迪等[6]綜述了區塊鏈在信息安全領域的研究進展，提出了一種基于區塊鏈的分布式大數據訪問控制機制（Blockchain-Based Access Control Mechanism for Big Data Environment，BBAC?BD），并驗證了該機制的有效性。史錦山等[7]總結了去中心的區塊鏈訪問控制模型和有中心的區塊鏈訪問控制模型并分析了其性能優勢。王秀利等[8]提出了應用區塊鏈的數據訪問控制與共享模型，利用屬性基加密對企業數據進行訪問控制與共享，達到了細粒度訪問控制及安全共享的目的。付永貴等[9]將區塊鏈用于數據庫訪問控制，通過對訪問者身份、權限及行為的強化認證與監管，提高了數據庫訪問控制能力。上述基于區塊鏈的數據訪問控制研究為實現煤礦安監云數據安全訪問提供了新的思路，但對于存放在云平臺上的云數據訪問控制安全性研究還不足：一方面，現有的訪問控制方法對業務數據在管理和使用過程中的個性化安全需求考慮不足；另一方面，缺少針對數據安全管控維度的安監云數據分類分級策略。

針對上述問題，為滿足煤礦安監云數據的安全保障需求，提出了一種基于區塊鏈的煤礦安監云數據安全訪問模型。通過對煤礦安監云數據屬性和訪問對象的分析，設計了基于用戶層級和數據屬性的訪問權限模型，符合煤礦安監云數據在安全保障方面分類分級的需要；基于區塊鏈工作原理設計了4層架構的訪問控制模型，實現了基于用戶權限的安全訪問控制，并對存儲在區塊鏈上的權限信息增加隱私保護功能，進一步增強了煤礦安監云數據的安全性。

1 基于用戶層級和數據屬性的訪問權限模型

受相關制度要求，煤礦安監云數據管控十分嚴格，訪問權限的設計應滿足分類分級和安全性方面的需求。數據訪問者可以分為國家級、省級、市級、煤礦/個人4個層級，其中數據所有者和使用者分布在不同層級；從數據本身來看，涉及煤礦/個人的隱私信息、國家政策法規及決議決策信息等，種類繁雜且安全需求各不相同。因此，數據訪問權限不能簡單地用角色定義，也不能全部依賴規則來動態生成。本文從煤礦安監云數據自身屬性入手，設計了基于用戶層級和數據屬性的訪問權限模型。

1.1 數據訪問屬性分析

根據實際需求對數據的訪問屬性進行分析。首先根據數據所有者的身份及數據自身的共享和開放屬性，劃分細粒度權限；然后基于用戶層級，梳理不同用戶類別可以具備的細粒度權限；最后由不同細粒度權限集合構成各用戶角色。其中用于權限設計的數據訪問屬性包括數據來源、數據所有者、用戶層級、數據屬性等，如圖1所示。

圖1 數據訪問屬性Fig.1 Data access attribute

（1） 數據來源為煤炭行業安全監管監察真實數據。

（2） 數據所有者分為應急管理部職能部門和資源提供方。應急管理部職能部門包括辦公廳、安全監察司、政策法規司等；資源提供方包括辦公廳、省級及以下應急管理機構、應急救援機構等。

（3） 用戶層級包括國家級、省級、市級、煤礦/個人4個等級。依照歸屬部門和數據來源的要求，各層級用戶的數據訪問權限大小各不相同。

（4） 數據屬性根據煤礦安監云數據實際情況進行細分，如圖2所示。

圖2 數據屬性描述Fig.2 Data attribute description

根據煤礦安監云數據在共享和開放方面的要求，結合圖2數據屬性，劃分出11種數據屬性，見表1。

表1 煤礦安監云數據屬性Table 1 Coal mine safty supervision cloud data attribute

1.2 數據訪問對象分析

煤礦安監云數據包含具體字段、數據所有者及其他相關信息。由于結構復雜，數據量龐大，不便直接進行訪問分析，所以要先根據數據屬性對煤礦安監云數據進行分類分級，再研究云數據訪問過程。

本文以煤礦安監云數據的11種數據屬性作為條件，分別篩選出每種屬性包含的數據字段名并進行4級分類：第 1級編號為 001?013，共 13組數據；第2級編號為001?042，共42組數據；第3級編號為001?059，共59組數據；第4級編號為001?317，共317組數據。權限管控粒度到第4級，即最小查詢單位是第4級數據，待訪問數據的查詢編號由1?4級串聯構成。每一條數據都有唯一編號，在查詢數據時，根據編號即可準確對應到某一條或某一組數據。圖3為“數據屬性1：在任何條件下都不予共享且不向社會開放”包含的數據及數據所有者。該組數據在任何條件下都不予共享且不向社會開放，因此訪問者只能是數據所有者。例如，當“事故調查司”用戶查詢第4級數據“行政復議申請書信息”時，云平臺根據編號004039011094訪問到一組具體數據并返回給“事故調查司”用戶；當其查詢第3級數據“行政執法應訴”時，根據編號004039013即可查詢到。在煤礦安監云數據訪問過程中，4級編號查詢法相較于文字查詢效率更高，比模糊查詢法更準確，且增減數據字段時只需在當前級別進行添加、刪除，避免了大范圍變動。

圖3 數據訪問對象示例Fig.3 Data access object example

1.3 訪問權限模型設計

訪問權限模型根據用戶層級和數據屬性劃分訪問權限，訪問權限生成規則見表2。首先根據11種數據屬性劃分細粒度權限；然后根據用戶層級梳理細粒度權限，并進行勾選；最后結合以上2步結果構成用戶角色。訪問權限模型的用戶角色根據用戶層級和所要訪問的數據屬性共同決定，結合角色與權限對應及權限動態生成的設計理念，不同層級的用戶在訪問不同數據時權限不同，權限直觀且易于管理，具有動態靈活的特點，適合煤礦安監云數據的安全訪問需要。

表2 基于用戶層級和數據屬性的訪問權限生成規則Table 2 Generation rules of access authority based on user hierarchy and data attributes

2 基于區塊鏈的煤礦安監云數據訪問控制模型

2.1 訪問控制模型總體架構

由于煤炭行業的特殊性及相關云數據的機密性，基于區塊鏈的煤礦安監云數據訪問控制模型采用私有鏈結構或煤炭行業聯盟鏈結構，防止無關用戶或惡意用戶未經許可注冊訪問。該模型分為數據層、職能層、合約層和應用交互層4層區塊鏈架構，如圖4所示。

圖4 基于區塊鏈的煤礦安監云數據訪問控制模型架構Fig.4 Blockchain based cloud data access control model architecture for coal mine safety supervision

（1） 數據層：用于存儲區塊鏈結構和云數據。為了保障區塊鏈運行效率和煤礦安監云數據安全，將權限信息上鏈存儲，煤礦安監云數據采用鏈下存儲方式，區塊鏈上僅存儲數據地址。

（2） 職能層：包括網絡職能和共識職能。網絡職能承擔區塊鏈網絡中節點間的信息交換工作，包括點對點通信機制、廣播機制和驗證機制。共識職能采用權益證明機制對網絡中節點進行一致性檢驗，并創建新的區塊，以維持整個區塊鏈的正常運轉。

（3） 合約層：部署智能合約，實現訪問控制功能。用戶申請訪問觸發智能合約，合約自動執行調用數據層的屬性信息，判斷用戶具有的權限和能訪問的數據，從而控制用戶的數據訪問情況。

（4） 應用交互層：封裝了區塊鏈的應用場景，是存儲區塊鏈和用戶之間的接口，即用戶在應用交互層完成注冊、登錄、訪問的活動。一般權限管理功能在應用交互層實現，但為了進一步保障權限信息的安全，在數據層存儲權限信息，在合約層實現權限判別功能。

區塊存儲結構如圖5所示，其中區塊頭包含版本號、前后區塊哈希、時間戳、隨機數、Merkle根等信息，用于確定區塊位置及合法性。區塊體用于存儲具體數據，在本模型中數據包括權限信息及煤礦安監云數據地址信息。

圖5 區塊存儲結構Fig.5 Block storage structure

2.2 基于區塊鏈的權限訪問控制

權限訪問控制由區塊鏈系統實現，其安全保障的核心是權限信息的安全管理，基于區塊鏈的權限訪問控制過程如圖6所示。由于區塊鏈上所有數據（包含智能合約代碼及各種邏輯規則）公開透明，權限信息在存儲時應注意隱私保護。當有節點掃描全部區塊時，返回的權限信息應是進行加密或是匿名化處理過的密文信息。用戶申請訪問時，智能合約申請調用權限信息，進行解密或去匿名化操作，得到明文屬性信息，并提取所需屬性集合反饋給智能合約進行權限判別。

圖6 基于區塊鏈的權限訪問控制過程Fig.6 Access authority control process based on blockchain

合約層主要依靠權限請求合約和權限判別合約2個智能合約實現權限請求及判別功能。

權限請求合約流程如圖7所示，步驟如下：

圖7 權限請求合約流程Fig.7 Flow of authority request contract

（1） 輸入用戶訪問請求（包含用戶角色及請求訪問的數據），并對請求進行解析。

（2） 遍歷權限存儲區塊，尋找權限屬性集合。

（3） 判斷區塊頭部Merkle根值和解析權限請求后的flag是否相等，當二者相等時，提取對應權限屬性集合，否則重復步驟（2）和步驟（3）。

權限判別合約流程如圖8所示，步驟如下：

圖8 權限判別合約流程Fig.8 Flow of authority discrimination contract

（1） 輸入權限請求合約中獲取的權限屬性集合。

（2） 對密文進行解密，得到明文的屬性字符串。

（3） 將明文字符串按照“用戶層級”“數據”“數據屬性”進行分割。

（4） 按照訪問權限生成規則，通過步驟（3）得到權限結果并返回，用于授權。

2.3 權限信息安全存儲技術選擇

基于應用背景及訪問控制模型對于權限信息的存儲需求，應選擇具備匿名化、可逆及高實時性的技術對權限信息進行隱私保護。目前主要有3類隱私保護技術可用于權限信息安全存儲，分別是基于對稱加密的隱私保護技術、基于數據失真的隱私保護技術、基于可逆置換算法的隱私保護技術。3種隱私保護技術針對云數據權限訪問控制在安全性、實時性2個方面的性能比較結果見表3。從表3可看出，基于對稱加密的隱私保護技術在兼顧安全性和實時性需求的同時能夠適用于區塊鏈系統的數據通信，因此選擇該技術實現權限信息安全存儲。

表3 權限信息安全存儲技術性能比較Table 3 Performance comparison of secure storage technology of authority information

3 對比分析

3.1 訪問權限模型對比分析

為驗證本文設計的基于用戶層級和數據屬性的訪問權限模型的正確性，從模型特點、優劣勢及與安監云數據是否適配3個方面將本文訪問權限模型與目前應用最多的2種訪問權限模型?基于角色的訪問控制（Role-Based Access Control，RBAC）模型和基于屬性的權限驗證（Attribute-Based Access Control，ABAC）模型[10]進行對比，結果見表4。

表4 不同訪問權限模型對比Table 4 Comparison of different access authority models

基于用戶層級和數據屬性的訪問權限模型具有2個方面優勢：① 將權限管理與煤礦安監云數據分類分級和安全需求掛鉤，便于管理和應用。② 兼顧了基于角色和基于屬性的訪問權限模型的優點，同時避免了權限信息占用過多存儲空間、權限變動受限及計算開銷大等帶來的不利影響。

3.2 訪問控制模型安全特性對比分析

為驗證本文依據區塊鏈自身安全性構建的訪問控制模型的優勢，從訪問控制的實現安全、權限管理及適用場景3個方面將本文訪問控制模型與目前常用的基于第三方的訪問控制模型進行對比，結果見表5。

表5 不同訪問控制模型對比Table 5 Comparison of different access control models

從訪問控制的實現安全方面來看，本文訪問控制模型基于區塊鏈自身安全性，安全性能夠得到保障，基于區塊鏈存儲權限信息可防止非法篡改，對于鏈上的數據采取隱私保護機制可防止非法獲取，而基于第三方的訪問控制模型安全性和可靠性較低。從權限管理方面來看，本文訪問控制模型權限信息存儲在區塊鏈上，采用隱私保護機制對權限進行保護，通過智能合約管理權限信息，保障了訪問控制功能使用的安全；基于第三方的訪問控制模型權限管理通過數據庫完成，目前針對數據庫的攻擊層出不窮，權限信息安全難以保證。從適用場景來看，本文訪問控制模型利用區塊鏈技術可與眾多技術結合，能夠滿足更多場景下的訪問控制需求；基于第三方的訪問控制模型要根據訪問控制設計思路應用，特點鮮明的應用場景往往要進行功能定制，成本較高，應用范圍較小。

4 結語

針對煤礦安監云數據的訪問安全問題提出了一種基于區塊鏈的安全訪問模型，該模型包括訪問權限模型和訪問控制模型。基于用戶層級和數據屬性設計了訪問權限模型，根據數據安全在分類分級方面的要求，為安監云數據劃分訪問權限，同一層級和同一數據屬性分類下的數據擁有一類權限，實現了分類分級的安全管控；依據區塊鏈分布式實現、全程透明、防篡改等優勢構建了訪問控制模型，實現了分布式訪問控制，利用智能合約保障訪問控制安全，采用加密技術增強對權限信息的安全保護。對比分析結果表明：與常用的RBAC模型和ABAC模型相比，基于用戶層級和數據屬性的訪問權限模型實現了對煤礦安監云數據更細粒度的訪問權限劃分，用戶權限直觀，權限生成規則簡單；與基于第三方的訪問控制模型相比，基于區塊鏈的訪問控制模型利用智能合約進行訪問控制，能夠增強煤礦安監云數據的安全性，為云數據安全問題提供了新的解決思路。基于區塊鏈的安全訪問模型能夠解決煤礦安監云數據在安全管控維度的分類分級不清晰及保密性不強等問題，提高了云數據的安全性。