基于聯盟區塊鏈的高校數據平臺安全共享研究

摘 "要： 為打破數據孤島，確保學校各部門之間高校數據共享時不被非法訪問，提出一種基于聯盟區塊鏈的高校數據平臺安全共享方法。在分析聯盟區塊鏈模式下高校數據平臺共享的技術架構后，設計一種基于聯盟區塊鏈智能合約的高校數據平臺安全共享機制，此機制使用基于改進RSA加密算法的數據安全共享方法為數據發布方提供數據加密服務，為數據需求方提供數據解密服務。雙方的數據共享交易主要由聯盟區塊鏈智能合約完成，智能合約按照高校數據共享的加解密信息授權結果、共享約束條件，在無第三方干預的情況下進行數據共享交易。經測試，使用所提方法進行業務數據共享時，提升了數據傳輸速率，且業務數據非法提取次數為0。

關鍵詞： 聯盟區塊鏈； 高校數據平臺； 安全共享機制； 改進RSA加密算法； 智能合約； 數字孿生技術

中圖分類號： TN919.2?34； TP391 " " " " " " " " " 文獻標識碼： A " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2024）18?0052?05

Research on colleges and universities data platform secure sharing

based on alliance blockchain

BAI Hao， LIU Zhipeng

（East China Normal University， Shanghai 200062， China）

Abstract： In order to break the data island and ensure that colleges and universities data sharing between various departments will not be accessed illegally， a method of colleges and universities data platform secure sharing based on alliance blockchain is proposed. After analyzing the technical architecture of colleges and universities data platform sharing under the alliance blockchain mode， a colleges and universities data platform secure sharing mechanism based on alliance blockchain smart contract is designed. In this mechanism， a method of data secur sharing based on improved RSA encryption algorithm is used to provide data encryption services for data publishers and data decryption services for data demanders. The data sharing transaction between both parties is mainly completed by means of the alliance blockchain smart contract. The smart contract can conduct data sharing transactions without third?party intervention in accordance with the authorization results of encryption and decryption information and sharing constraints of the affairs data sharing. After testing， it is found that when the proposed method is used for the colleges and universities data sharing， the data transmission rate can be increased and the number of illegal extraction of school affair data is 0.

Keywords： alliance blockchain; colleges and universities data platform; secure sharing mechanism; improved RSA encryption algorithm; smart contract; digital twin technology

0 "引 "言

數字孿生校園的建設需要大量的數據支撐，這些數據的準確性和完整性對于數字孿生校園的有效運行至關重要。任何數據的篡改或丟失都可能影響數字孿生校園的模擬和決策效果。因此，學校需要建立完善的數據校驗和備份機制，實現數據安全共享，確保數據的完整性和可用性。

文獻[1]運用區塊鏈技術構建數據安全共享系統，通過分布式賬本與加密機制，確保物聯網數據共享安全性。智能合約的部署可增強數據加密保護性，同時，區塊鏈信任和共識機制可解決物聯網設備間的信任難題。但區塊鏈技術仍面臨技術漏洞、密碼破解和交易監控等安全風險，且缺乏有效身份驗證機制。文獻[2]應用差分隱私技術保護數據隱私，通過添加噪聲使得非法用戶難以推斷個體真實信息；同時，引入動態批量審計策略確保數據完整性，定期遠程審計防止數據被篡改。但差分隱私的實施需平衡隱私保護與數據效用，控制噪聲量，以避免影響數據分析價值。文獻[3]以信用度作為數據共享和訪問的依據，利用區塊鏈技術和智能合約實現透明化、自動化用戶數據共享。但信用度評估的準確性高度依賴于評估算法和數據的完整性，如果評估算法存在缺陷或數據被篡改，信用度評估的結果可能不準確，從而會影響數據共享的安全性。文獻[4]研究基于屬性數據完整性可驗證的數據共享方法，將數據加密、屬性基加密以及數據完整性驗證技術相結合，實現數據安全共享。但此方法更側重于個體用戶或較小群體的數據訪問控制，對于更大規模、更復雜的組織間協作可能不夠靈活和可擴展。

聯盟區塊鏈結合公有鏈的去中心化和私有鏈的隱私性，是一種部分去中心化的區塊鏈，適用于組織機構間數據交互。

本文研究基于屬性數據完整性可驗證的數據共享方法，用于數字孿生校園技術下，提高高校數據平臺的數據共享安全性。

1 "高校數據平臺安全共享方法

數字孿生校園高校數據共享平臺是智慧校園建設中的重要組成部分，它主要基于數字孿生技術，結合物聯網、大數據、人工智能等信息技術，實現校園內各類數據的集成、共享和管理。該平臺具有實時性、交互性和智能化等特點，能夠實時獲取和分析校園設施、學生活動等數據，提供精準的管理和服務。但多部門數字孿生體之間缺乏信任機制，協作性較差，在數據共享時，易出現共享失敗或存在共享風險[5?7]。為此，本文提出一種基于聯盟區塊鏈的高校數據平臺安全共享方法。該方法的技術架構如圖1所示。

本文針對數字孿生校園校務數據共享平臺的聯盟區塊鏈技術進行研究，主要利用聯盟區塊鏈智能合約技術設計校務數據平臺安全共享機制，在此機制中使用改進RSA加密算法，實現數據安全共享。

1.1 "基于聯盟區塊鏈智能合約的校務數據平臺安全共享機制

在聯盟區塊鏈中，智能合約是一個重要的組成部分。聯盟區塊鏈是一種部分去中心化的區塊鏈，它允許一組預先選定的參與者來維護區塊鏈網絡，并共同執行智能合約[8?10]。智能合約在聯盟區塊鏈中的應用可以極大地提高交易的自動化程度，減少人為干預和欺詐的可能性[11?13]，同時也能夠增強數據的透明性和安全性。因此，智能合約是聯盟區塊鏈技術中一個不可或缺的部分，智能合約在數字孿生校園數據共享平臺中發揮著核心作用，它與平臺中的各個部門共同協作，確保數據的安全、合規和有效共享。由聯盟區塊鏈智能合約編寫業務數據共享機制，數據發布方具備設置數據共享范圍、時間等約束條件的權限，智能合約根據數據發布方設定的約束條件，對數據需求方的訪問請求進行驗證。只有滿足條件的數據需求方，才能獲取到相應的業務數據。基于聯盟區塊鏈智能合約的校務數據平臺安全共享機制運行流程如下。

當校務數據需求方節點[Un]對校務數據發布方節點[Uj]發送數據共享請求時，智能合約審核[Un]身份，審核通過后，[Uj]設置共享約束條件，智能合約按照共享約束條件輸出共享數據。需要注意的是，此數據在傳輸至需求方節點[Un]之前，仍處于加密狀態，最后，需求方節點[Un]使用私鑰解密密文得到數據。具體步驟如下。

1） 數據共享請求

數據需求方節點[Un]對發布方節點[Uj]發送[j]個校務數據共享請求[Sj]。

[Un→Uj=SjE，D，T] " " " " "（1）

式中：[E]、[T]、[D]分別表示數據共享范圍、時長、次數。

為[Un]設置數據共享約束后，給予[Un]訪問特定資源或執行特定操作的權限。

2） 智能合約運行

運行智能合約時，結合設置共享約束條件、密鑰，解密共享數據，并結合每個需求方節點[Un]私鑰將共享數據進行公鑰信息審核后輸出。

3） 校務數據共享

聯盟區塊鏈智能合約技術下，數據以點對點的方式完成數據共享。[Un]獲取校務數據后，使用私鑰解密數據便可訪問校務數據。圖2是聯盟區塊鏈智能合約運行機理示意圖。

1.2 "基于改進RSA加密算法的數據安全共享方法

RSA加密算法屬于非對稱加密算法，是當下使用最多的數據加密算法。在基于聯盟區塊鏈的數據共享時，加解密步驟如下。

1） 業務方隨機選取2個大素數[?]、[φ]并秘密保存。

2） 將2個大素數[?]、[φ]相乘，獲取模數[m]，公式如下：

[m=?·φ] " " " " " " " " "（2）

[μm=?-1·φ-1] （3）

式中[μm]表示[m]的歐拉函數。模數的選定在業務數據加密中起到重要作用，目的在于限制密鑰長度和加密過程中數值的范圍。

3） 設定數據的解密私鑰是[o]，[1lt;olt;μm]且滿足：

[fo， μm=1] " " " " " " " "（4）

式中[fo， μm]表示私鑰[o]和[μm]的最大公約數。

4） 根據步驟3）中的私鑰[o]，利用公式（5）計算業務數據[s]，并將[s]設置為公鑰并將其公開。

[s×omod μm=1] （5）

5） 根據加密的公鑰[s]對數據明文[a]進行加密，具體加密方法如下：

[n=asmod m] "（6）

由公式（6）得知，業務方加密后的密文為[n]。

6） 根據步驟5）中計算的密文[n]以及校務方持有的私鑰[o]，那么根據密文[n]以及私鑰[o]，業務方執行公式（7）并將教務數據的密文解密出來，結果如下：

[a=nomod m] （7）

1.2.1 "正確性分析

由于[a=nomod m=asomod m=a]等式成立，由此得知，使用RSA的算法加密出的結果可以成功解密。

1.2.2 "安全性分析

為保證加密算法安全性，本文將原有的RSA算法進行改進，得到改進RSA加密算法。具體來說，將模數[m]的2個素數執行ASCII編碼，編碼后和前一個近鄰ASCII碼執行“同或”操作加密，實現過程如下。

1） 將兩個素數[?]、[φ]分別轉換為對應的ASCII字符，例如，素數[?]轉換為字符[c?]，而素數[φ]轉換為字符[cφ]。該轉換是通過查找ASCII表來完成的，確保每個素數都有一個唯一的ASCII碼對應。

2） 對這兩個ASCII字符執行“同或”操作以進行加密，如果[c?]是第一個字符，選擇一個固定的初始字符與[c?]進行“同或”操作，然后再與[cφ]進行“同或”操作，得到加密后的字符。

另一方面，業務數據解密方法為加密的逆運算，安全性依賴于底層的RSA方案。具體來說，假設攻擊者獲得了業務方的公鑰[s]以及加密的消息[n]，但是無法直接獲得校務方的私鑰[o]。如果要想獲得私鑰[o]，那么必須將模數[m]分解[?]、[φ]，從而通過同余方程[s×o（mod?-1φ-1 ）=1]獲得私鑰[s]。最后，攻擊者通過加密公式[a=nomod m]解密出明文數據。然而，當模數[m]足夠大時，大整數[m]分解問題是困難問題，攻擊者無法獲得私鑰，所以本文方案滿足安全性。

2 "實驗分析

2.1 "實驗環境部署

測試本文方法在數據共享問題中的使用效果，部署如圖3所示的實驗環境。

本實驗環境旨在模擬業務數據的共享過程，通過云存儲服務管理部門提供數據存儲和訪問支持，屬性頒發部門負責數據屬性的管理和授權，數字孿生校園則扮演數據發布方和數據需求方角色，參與數據共享活動。表1所示為校務數據共享時的共享數據詳情。

如表1所示，共享的業務數據主要以學生檔案信息為主，而學生檔案中包含大量的個人隱私信息，這些信息一旦被泄露或濫用，將可能對學生的個人安全造成威脅，甚至導致身份盜竊、詐騙等嚴重后果。

2.2 "本文方法功能測試

字符頻率統計是當下數據共享的安全衡量指標之一。為分析本文方法在校務數據平臺安全共享問題中的使用效果，測試本文方法使用前后校務數據共享時的明文（加密前）與密文（加密后）的字符頻率，字符頻率主要以字符點比數值作為體現。圖4與圖5為測試結果。

分析圖4與圖5測試結果，本文方法在校務數據平臺安全共享問題中使用后，校務數據得到有效加密，因此加密后校務數據字符頻率分布規律被有效置亂，這種置亂效果增加了校務數據的復雜性和不確定性，提高了數據共享的安全性。校務平臺數據共享的吞吐量變化如表2所示。

表2為使用本文方法和智能合約后，聯盟區塊鏈技術服務下，校務平臺數據共享吞吐量與安全性的各指標變化情況。

由表2數據可知，聯盟區塊鏈技術服務下，校務平臺數據共享的吞吐量明顯提升，數據共享延遲有效縮短。原因是聯盟區塊鏈技術通過智能合約實現自動化數據訪問控制和權限管理，智能合約可以自動執行數據共享的規則和條件，無需人工干預，從而減少數據共享延遲。

當數據請求滿足智能合約條件時，數據可以迅速地被訪問和傳輸，提高數據共享的實時性。除此之外，在使用智能合約后，校務數據非法提取次數為0，原因是聯盟區塊鏈智能合約技術服務下，只有被授權用戶才可提取校務數據。

本文方法改進RSA加密算法前后，校務數據共享時數據的加密效果圖如圖6、圖7所示。

由圖6與圖7可知，本文方法改進RSA加密算法后，校務數據共享時，數據加密效果更優，原始數據內容置亂效果更明顯。使用改進RSA加密算法前數據仍存在和原始明文有關聯的數據信息，原因是利用改進RSA加密算法后，使用更多的素數可以使得RSA算法的安全性更高，這意味著在加密過程中，數據會經過更多的數學變換和組合，導致加密后的數據更加混亂和難以分析。

3 "結 "論

本文提出一種基于聯盟區塊鏈的校務數據平臺安全共享方法，聯盟區塊鏈技術能夠提高校務數據共享效率和透明度，通過智能合約等技術應用，可以實現數據自動化訪問控制和權限管理，簡化數據共享流程。該方法具有很高的實用價值和應用前景，不僅能夠提高數據安全性，還能夠提高數據共享效率，為學校信息化建設和管理提供有力的支持。

注：本文通訊作者為劉志鵬。

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