基于區塊鏈的老年數據審計系統中可監管的匿名身份認證方案設計

摘" 要： 針對當前數據審計系統在實際應用中存在的數據泄露、數據損壞以及第三方審計人員身份泄露等隱私保護問題，設計一種基于區塊鏈的老年數據審計系統，并基于此提出一個可監管的匿名身份認證方案。系統采用非對稱加密算法和群簽名算法確保數據通信和存儲的安全性，且能夠實現身份證書的匿名性，具有一定的隱私保護能力。此外，如果第三方審計人員出現非法行為，可以從身份證書中獲取第三方審計人員的真實身份信息。

關鍵詞： 數據審計系統； 匿名身份認證； 區塊鏈； 老年數據； 隱私保護； 數據通信

中圖分類號： TN919.6?34； TP306" " " " " " " " "文獻標識碼： A" " " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2025）02?0077?08

Design of supervised anonymous identity authentication scheme in blockchain?based elderly data auditing system

ZHANG Lu1， FAN Pengfei1， 2， DU Jingyi1， 2， CHEN Xiaofeng1， 3

（1. Hangzhou Qulian Technology Co.， Ltd.， Hangzhou 310000， China;

2. High?tech Zone （Binjiang） Blockchain and Data Security Research Institute， Hangzhou 310000， China;

3. Zhejiang University， Hangzhou 310000， China）

Abstract： In allusion to some privacy protection problems in the practical application of data audit system， such as data disclosure， data damage and the disclosure of the identity of third?party auditors， an elderly data audit system based on blockchain is designed， and on this basis， a supervised anonymous identity authentication scheme is designed. In this system， the asymmetric encryption algorithm and group signature algorithm are used to ensure the security of data communication and data storage， and achieve the anonymity of identity certificates， which has a certain ability of privacy protection. In addition， if the third?party auditors have illegal behavior， the true identity information of the third?party auditors can be obtained from the identity certificate.

Keywords： data auditing system; anonymous identity authentication; blockchain; elderly data; privacy protection; data communication

0" 引" 言

2021年，我國正式頒發《中華人民共和國數據安全法》，這表明國家高度重視數據安全領域。同時，數據安全也是國民經濟的重要保障[1]，沒有數據安全就沒有我國經濟的高速發展。云計算與云存儲技術日益成熟，已經成功應用到我國的各行各業[2?4]。2024年1月，國際數據公司（IDC）發布調研報告表明，全國云計算與云存儲市場整體規模將達到154.3億元。僅2023年上半年，相關云服務的市場占比提升約26.6%。同時，相關外包云存儲市場規模將達到150.8億元，同比提升約25.8%。因此，越來越多的人開始關注云端數據的安全性問題[5?7]。2024年1月，國家統計局公布了我國2023年人口數據報告，表明近兩年我國人口持續負增長且人口老齡化嚴重[8]。這意味著接下來與老年數據存儲相關的云服務市場占比將有所提升[9?10]。

為了確保云服務平臺上數據的安全性和完整性，必須利用大數據、云計算和區塊鏈等技術構建一個有效的解決方案。設計一個既可以滿足用戶使用過程中的各種功能需求，又能夠確保用戶上傳至云服務平臺的數據的機密性和可靠性的方案已經是當前的研究熱點。在當前的互聯網技術高速發展的背景下，基于區塊鏈的云數據存儲與審計系統存在數據泄露與數據損壞問題[11]。為了防止云服務平臺因內部管理不善或者因外部黑客攻擊導致的數據泄露問題，可以使用密碼學中的加密技術解決這一問題[12]。由于云服務平臺的混雜，不同平臺之間的服務質量難以保證，一旦用戶存儲在云服務平臺中的數據遭受損壞，將會對用戶造成不可估計的損失[13]。同時，用戶無法隨時驗證云服務平臺中數據的完整性。因此，需要一個高效的數據審計系統。第三方審計人員在獲得用戶授權后，能夠高效地審計用戶存儲在云服務平臺中數據的完整性。此外，還需要一種安全可靠的匿名身份認證機制，以確保第三方審計人員在審計數據的過程中不會泄露身份相關信息。同時，云服務平臺僅應驗證第三方審計人員的身份是否合法。為此，本文針對這些問題設計了一個可監管的匿名身份認證方案，并將該方案應用到基于區塊鏈的老年數據審計系統中。

1" 基于區塊鏈的老年數據審計系統

1.1" 功能需求

基于區塊鏈的老年數據審計系統共包含4個實體，分別為：用戶（[u]）、注冊中心（[c]）、云數據中心（[s]）和第三方審計人員（[tp]）。系統工作流程如圖1所示。

為了更好地獲取用戶的實際需求以及分析當前的具體情況，基于區塊鏈的老年數據審計系統采用瀏覽器/服務器結構，同時，將基于區塊鏈的老年數據審計系統分為瀏覽器端子系統和服務器端子系統。

1.1.1" 瀏覽器端子系統

瀏覽器端子系統分為四個核心模塊。

1） 身份注冊：該模塊為用戶、云數據中心和第三方審計人員提供身份注冊服務。只有成功向注冊中心注冊身份后，才被授權執行剩余核心模塊的功能。

2） 上傳數據：用戶首先在本地將需要上傳至云數據中心的老年人數據進行脫敏處理，例如，將涉及到老年人個人隱私信息的數據加密處理。隨后，用戶將自己的身份標簽和需要上傳到云數據中心的脫敏老年人數據（簡稱“數據”）輸入至系統。系統接收到用戶上傳的數據后將用戶的身份標簽和數據存儲至云數據中心維護的區塊鏈中，該區塊鏈可供云數據中心進行檢索與審計。

3） 獲取數據：用戶將數據上傳至云數據中心后，在必要時可下載該數據。用戶向云數據中心提出申請，并提交身份標簽和對應的身份證書，云數據中心驗證通過后，將檢索區塊鏈中存儲的用戶數據，并將該數據發送給提交請求的用戶。

4） 審計數據：為了驗證用戶上傳至云數據中心的數據是否完整保存，第三方審計人員得到用戶授權后，可根據用戶的身份標簽，調用常見的數據完整性審計算法在瀏覽器輸入必要的挑戰信息。云數據中心接收第三方審計人員的挑戰信息后，將檢索區塊鏈中存儲的用戶數據，同時，根據該挑戰信息生成對應的文件完整性證明，并將該證明返回給第三方審計人員。第三方審計人員通過驗證該證明的真實性，就能夠確定云數據中心的存儲數據的完整性。

瀏覽器端子系統功能模塊圖和部分數據流圖分別如圖2和圖3所示。

1.1.2" 服務器端子系統

基于區塊鏈的老年數據審計系統是由多家云數據中心共同提供服務的云存儲平臺。服務器端的功能分為云數據中心信息管理、身份信息管理、數據信息管理三個核心模塊。

1） 云數據中心信息管理：用于存儲和維護云服務中心的名稱、公司編號、聯系人、聯系電話和公司住址等信息。

2） 身份信息管理：用于維護用戶和第三方審計人員在注冊階段存儲的身份信息，例如：身份標簽、姓名、手機號、家庭住址等信息。

3） 數據信息管理：云數據中心存儲維護用戶提交的數據，并且可以對該數據進行檢索。

服務器端子系統的功能模塊圖和部分數據流圖分別如圖4和圖5所示。

1.2" 性能需求

為了確保系統能夠安全且高效的穩定運行，基于區塊鏈的老年數據審計系統必須滿足以下三個性能需求。

1.2.1" 準確性和實時性

當前，準確性和實時性對任何一個系統來說都尤為重要。在整個系統的開發過程中，要充分考慮到系統可能承擔的業務量，要著重表現出系統對大規模任務的處理能力和及時的響應能力，從而確保符合用戶和云數據中心的使用需求。在功能方面，數據的檢索功能對整個系統的功能來說尤為重要，數據檢索的時效性會影響用戶和云數據中心的決策活動，在一定程度上會影響系統的成敗。因此，一定要采用先進的技術確保系統具備準確性和實時性。

1.2.2" 開放性和可擴展性

在整個系統的需求設計過程中，還需要考慮系統的可擴展性。隨著軟件技術的進步和用戶需求的變化，整個系統交付之后可能會存在添加新功能的可能性。針對這一問題，需要在開發的過程中采用“高內聚、低耦合”的思想，使用設計模式的方法簡化重復代碼量并優化代碼模塊，以便于系統后期擴展。同時，系統還需滿足一定的開放性，后期開發人員根據開放的接口僅需添加、修改或刪除功能模塊，也可以根據該性質對系統進行維護和升級等。

1.2.3" 易用性和安全性

在整個系統的需求設計過程中，一定要滿足易用性和易維護性。對于沒有使用過該系統的用戶和云服務中心，要確保他們容易上手使用，不能因為不熟悉計算機系統或因為軟件流程操作復雜而無法使用。同時，整個系統應提供良好的UI界面、用戶使用手冊和系統維護手冊，從而方便用戶和后期維護人員使用該系統。此外，數據的安全性尤為重要，不管是存儲在注冊中心的用戶注冊信息還是存儲在云數據中心的用戶數據，能夠確保數據安全可靠且不會因為內部管理不善或外部攻擊而被盜用。

1.3" 數據庫設計

基于區塊鏈的老年數據審計系統數據庫由身份信息表、數據信息表和云數據中心表組成。其中，身份信息表由身份ID、身份標簽、姓名和年齡等字段組成。身份信息表如表1所示。該表用于存儲用戶和第三方審計人員的信息。

數據信息表包括數據ID、用戶ID、上傳時間和內容等字段。數據信息表如表2所示。

云數據中心信息表包括企業ID、注冊時間、聯系人、聯系電話和公司地址等信息。云數據中心信息表如表3所示。

2" 一種可監管的匿名身份認證方案

基于身份的隱私保護的身份認證方案由5個概率多項式時間算法組成，分別為：初始化、注冊、構造身份、驗證身份和追蹤身份算法。算法的詳細表述如下所示。

1） 初始化算法：輸入一個安全參數，輸出系統公共參數和追蹤密鑰。

2） 注冊算法：輸入生物特征圖像和時間戳，輸出身份標簽和專屬標識，并通過一個非常安全的秘密通道發送給用戶，從而確保該信息不會被攻擊者惡意獲取。

3） 構造身份：輸入時間戳和專屬標識，輸出一個合法的身份證書。

4） 驗證身份：輸入用戶的身份標簽、身份證書和時間戳，若驗證通過則返回“1”，否則返回“0”。

5） 追蹤身份：輸入第三方審計人員的身份證書，輸出用戶的身份詳情。

3" 可監管的匿名身份認證方案詳細構造

根據文獻[14]的困難性假設和文獻[15]的群簽名方案，提出了一個可監管的匿名身份認證方案。

在本方案中，[λ]是一個安全參數，[p]是一個長度為[λ]的大素數，[H：{0，1}*→{0，1}n]是一個安全的哈希函數，[{0，1}*]表示不限長度的二元字符串，[{0，1}n]表示長度為[n]的二元字符串，[Enc]為公鑰加密算法的加密函數，[Dec]為公鑰加密算法的解密函數，[Sig]為公鑰加密算法的簽名函數，[VSig]為公鑰加密算法的簽名驗證函數，[pk]為公鑰加密算法的公鑰，[sk]為公鑰加密算法的私鑰，[Z*p]代表一個非零元素的素數域，[G1]、[G2]表示階數為[p]的乘法循環群，[M]表示用戶需要上傳的數據，[m]為用戶需要上傳的數據的哈希值。

3.1" 初始化算法

給定一個安全參數[λ]，返回一個雙線性群[p，G1，G2，GT，g，h，eg，h]，其中[p]是群[G1]、[G2]和[GT]的階數，[g]是群[G1]的生成元，[h]是群[G2]的生成元，[e（g，h）]是群[GT]的生成元，并且存在一種關系[ψ]，使得[g=ψ（h）]。

首先，注冊中心隨機選取參數[y←G1]、[φ1，φ2←Z*p]和[u，v←G1]，使得[uφ1=vφ2=y]。其中，[（φ1，φ2）]被視為注冊中心的追蹤密鑰。

隨后，注冊中心隨機選取一個秘密參數[γ←Z*p]，并設置[w=yγ]。

最后，注冊中心隨機選取一個安全的哈希函數[H]并生成公鑰加密算法的公鑰與私鑰對[（pkc，skc）]。注冊中心公開該公鑰[pkc]、哈希函數[H]和公共參數[gcp=（g，h，y，u，v，w）]。

3.2" 注冊算法

給定一個安全參數[λ]，用戶生成公鑰加密算法的公鑰與私鑰對[（pku，sku）]。

首先，用戶通過生物特征采集儀采集生物特征圖像[Γ]，例如：人臉圖像和指紋圖像等。

其次，用戶生成相關的身份信息[?]，包括姓名、電話、年齡和郵箱等信息，詳情可見表1。同時，用戶選取當前的時間戳[T1]和注冊消息失效的時間戳[T2]，并計算參數[σ=HΓ?T1T2]、[e=EncpkcΓ?T1T2]、[s=Sigsku（σ）]。

最后，用戶將參數[e]和[s]發送給注冊中心。

注冊中心接收到用戶提交的注冊信息后，首先使用私鑰[skc]做如下計算：

[σ'=Decskce]" " " " " " " " " （1）

其次，注冊中心使用用戶的公鑰[pku]，做如下計算：

[σ=VSigskcs]" " " " " " " （2）

[σ″≠HΓ?T1T2]" " " " " " " （3）

若[σ'≠σ]或[σ″≠σ]或[σ″≠σ']，則終止協議執行；否則，注冊中心將校驗[T1]和[T2]是否在有限期內，若不在有限期內，則中止協議執行。

然后，注冊中心將用戶的身份通過加密的方式存儲在本地數據庫中。同時，注冊中心為用戶計算身份標簽[Tagu=H（Γ）]。

最后，注冊中心為用戶計算專屬標識[Au]和參數[etu]，其中：

[Au=g1γ+Tagu] （4）

[etu=EncpkuAu]" " " " " " " " " （5）

注冊中心通過秘密的發送方式將加密的專屬標識[etu]和身份標簽[Tagu]發送給用戶。

3.3" 構造身份算法

接收到注冊中心的反饋消息后，用戶通過如下方式獲取并保存專屬標識：

[Au=Decskuetu]" " " " " " " "（6）

當用戶需要向數據中心獲取之前上傳的數據時，用戶需要向其證明身份的有效性。身份有效性的證明方式如下所示。

首先，用戶隨機選取[α，β，rα，rβ，rx，rδ1，rδ2←Z*p]并計算參數[K1]、[K2]、[K3]、[L1]、[L2]、[L3]、[L4]和[L5]，公式如下：

[K1=uα]" " " " " " " " " " "（7）

[K2=vβ]" " " " " " " " " " "（8）

[K3=Auyα+β]" " " " " " " "（9）

[L1=urα]" " " " " " " " " （10）

[L2=vrβ]" " " " " " " " （11）

[L3=e（K3，h）rx?e（y，w）-rβ+rα?e（y，h）-rδ1+rδ2]" （12）

[L4=Krx1?u-rδ1]" " " " " " " "（13）

[L5=Krx2?u-rδ2]" " " " " " " （14）

其次用戶計算挑戰值[ch]，表示為：

[ch=Hm，K1，K2，K3，L1，L2，L3，L4，L5] （15）

隨后，用戶計算參數[tα]、[tβ]、[tx]、[tδ1]和[tδ2]：

[tα=rα+ch?α] （16）

[tβ=rβ+ch?β]" （17）

[tx=rx+ch?x]" "（18）

[tδ1=rδ1+ch?δ1]" （19）

[tδ2=rδ2+ch?δ2]" " " " " " " （20）

再次，用戶選取當前時間戳[T3]和認證消息失效的時間戳[T4]，并計算參數cx和[ss]，公式為：

[cx=HTaguCertuT3T4]" " " （21）

[Certu=K1，K2，K3，ch，tα，tβ，tx，tδ1，tδ2]" "（22）

[ss=Sigpkscx]" （23）

最后，用戶向云數據中心發送身份標簽[Tagu]、身份證書[Certu]、參數[ss]和時間戳[T3]、[T4]。

3.4" 驗證身份算法

根據注冊中心的公共參數[gcp]、用戶存儲數據的哈希值[m]、用戶的身份證書[Certu]、用戶的身份標簽[Tagu]和時間戳[T3]、[T4]，云數據中心就能夠驗證用戶身份的有效性。詳細過程如下所示。

首先，云數據中心校驗時間戳[T3]和[T4]是否在有效期內，如果不在有效期內，則終止協議；否則，云數據中心執行如下計算：

[cx=VSigsksss]" " " " " " " "（24）

[cx'=HTaguCertuT3T4]" " " "（25）

若[cx≠cx']，則終止協議執行；否則，云數據中心計算參數[L'1]、[L'2]、[L'3]、[L'4]和[L'5]，公式為：

[L'1=utα?T-ch1] （26）

[L'2=vtβ?T-ch2] （27）

[L'3=e（K3，h）tx?e（y，w）-tα+tβ?e（y，h）-tδ1+tδ2?e（K3，w）e（g，h）ch] （28）

[L'4=Tsx1?u-tδ1]" " " " " " " " "（29）

[L'5=Tsx2?v-tδ2 ]" " " " " " " "（30）

其次，云數據中心根據用戶的身份標簽[Tagu]來查找用戶存儲數據的哈希值[m]。

最后，云數據中心計算參數[ch']，公式如下：

[ch'=Hm，K1，K2，K3，L'1，L'2，L'3，L'4，L'5] （31）

若[ch'=ch]，則用戶的身份校驗成功，云數據中心將身份驗證成功消息返回給用戶，并將用戶存儲的數據發送給用戶；否則，云數據中心將身份驗證失敗消息返回給用戶。

3.5" 追蹤身份算法

如果經過用戶授權的第三方審計人員在數據審計階段涉嫌存在違規行為，云數據中心可以將第三方審計人員的身份證書[Certtp]和違規證明材料[ρ]發送給注冊中心。注冊中心接收到云數據中心發送的消息后，首先核查該違規證明材料[ρ]的真實性。若材料審核通過，注冊中心使用公共參數[gcp]、追蹤密鑰[（φ1，φ2）]和第三方審計人員的身份證書[Certtp]來執行以下計算：

[A'=K3Kφ11?Kφ22]" " " " " " " " （32）

其次，注冊中心將參數和身份信息表中的專屬身份進行對比，從而查找出第三方審計人員的真實信息。

最后，注冊中心將該信息以秘密的方式發送給云數據中心。

4" 基于區塊鏈的老年數據審計系統詳細設計

4.1" 詳細設計

圖6為基于區塊鏈的老年數據審計系統的身份注冊模塊和上傳數據模塊的時序圖。圖7為基于區塊鏈的老年數據審計系統的獲取數據模塊和審計數據模塊時序圖。

本系統各個模塊的詳細交互過程如下所示。

1） 身份注冊

用戶、第三方審計人員和云數據中心必須向注冊中心注冊身份信息。提交的身份審核通過后，與身份相關的信息將被注冊中心存儲在本地。隨后，注冊中心調用身份注冊協議，為用戶和第三方審計人員生成專屬標識等信息，并將該信息和身份注冊結果（統稱“響應消息”）反饋給用戶、第三方審計人員和云數據中心。

2） 上傳數據

計算用戶需要上傳的數據的哈希值，并將該值存儲，以便獲取數據時使用。隨后，用戶將身份標簽、需要上傳的數據和數據哈希值發送至云數據中心。云數據中心審核該數據，并將審核通過后的數據存儲在本地。最后，云數據中心將數據存儲結果（統稱“響應消息”）反饋給用戶。在此階段，用戶可以使用云注冊中心的公鑰將需要上傳的數據進行加工處理并通過秘密的方式發送給云注冊中心。云注冊中心可以使用私鑰解密該信息，從而獲取用戶提交的數據。通過這種方式可以確保用戶提交數據的安全性。

3） 獲取數據

當用戶獲取數據時，需要向云數據中心提出申請。同時，用戶需要向云注冊中心提交身份標簽、需要獲取的數據哈希值和身份證書。如果用戶的身份驗證通過，云數據中心將根據獲取的數據哈希值在本地數據庫進行數據檢索。檢索到該數據后，云數據中心將使用用戶的公鑰對該數據進行加密處理，并將加密后的值通過秘密的方式發送給用戶。用戶收到加密的數據后，使用私鑰解密該數據并獲取明文數據。最后，用戶計算該明文數據的哈希值，將該哈希值與本地存儲的哈希值進行對比，若對比結果相同，則接收云注冊中心的數據；否則，用戶拒絕該數據。

4） 審計數據

用戶向第三方審計人員申請數據審計服務，并提交相關身份標簽和需要審計的數據的哈希值。得到用戶授權后，第三方審計人員根據用戶提交的身份標簽和需要審計的數據的哈希值向云數據中心發起挑戰，并要求云注冊中心提交其存儲的用戶數據真實有效。同時，第三方審計人員還需要生成相關的身份證書來證明其身份的可靠性。如果第三方身份人員生成的匿名身份通過了云數據中心的驗證，云數據中心將生成數據完整性證明，并將該完整性證明發送給第三方審計人員。第三方審計人員校驗數據完整性證明的真實性，若驗證通過，則認可云數據中心存儲的數據的真實性。最后，第三方審計人員將數據審計結果反饋給用戶。

4.2" 可監管的匿名身份認證方案設計

可監管的匿名身份認證方案隸屬于基于區塊鏈的老年數據審計系統。在該系統中，獲取數據模塊中的用戶身份證書與審計數據模塊中第三方審計人員的身份證書具有匿名性。圖8所示為以用戶為例的可監管的匿名身份認證方案的時序圖。

本方案的詳細交互過程如下。

1） 初始化。注冊中心通過調用3.1節初始化算法 完成系統初始化操作。

2） 注冊。用戶調用3.2節注冊算法，輸入身份信息與生物特征信息，獲取身份標簽和專屬標識。

3） 構造身份。在獲取數據模塊中，用戶需要構造身份證書來證明身份的真實性。用戶通過調用3.3節構造身份算法，輸入專屬標識和時間戳，輸出身份證書。同時，第三方審計人員也可調用該算法生成身份證書。

4） 驗證身份。在獲取數據模塊中，云數據中心通過調用3.4節驗證身份算法，可校驗用戶身份證書的有效性；同時，云數據中心也可以調用3.4節算法校驗第三方審計人員身份的有效性。

5） 追蹤身份。在審計數據模塊中，如果第三方審計人員出現違規行為，云數據中心可以調用3.5節追蹤身份算法，輸入第三方審計人員的身份證書，輸出第三方審計人員的身份信息。

5" 結" 語

針對當前數據審計系統中存在的數據安全和審計等問題，本文使用了非對稱加密算法和群簽名技術，提出了一個基于區塊鏈的老年數據審計系統，并在此方案的基礎之上設計了一個可監管的匿名身份認證方案。通過對系統進行功能分析、性能分析、數據庫設計、匿名身份認證方案詳細設計和模塊詳細設計，證明了該系統具備一定的隱私保護能力以及在實際應用中的可行性。

注：本文通訊作者為陳曉豐。

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