密碼技術(shù)應(yīng)用與實踐 課件 5-1基于區(qū)塊鏈安全存儲與共享系統(tǒng)

本節(jié)將開發(fā)基于區(qū)塊鏈的安全存儲與共享系統(tǒng)，將區(qū)塊鏈與IPFS（InterPlanetaryFileSystem，星際文件傳輸系統(tǒng)）的數(shù)據(jù)存儲功能相結(jié)合，采用智能合約實現(xiàn)系統(tǒng)功能，記錄用戶的所有操作，通過分布式節(jié)點提供存儲和服務(wù)的技術(shù)，對所有數(shù)據(jù)信息分區(qū)塊存儲，形成不可篡改的數(shù)據(jù)存儲方式，有效防止單個節(jié)點數(shù)據(jù)遭到篡改或遺失。并且，系統(tǒng)采用了基于密文策略的屬性加密（CP-ABE）與國密算法SM4進行混合加密，對文件數(shù)據(jù)采用SM4對稱加密算法進行加密，CP-ABE僅加密SM4算法的密鑰，取得了較高的效率；用戶通過制定靈活的屬性加密策略，根據(jù)接收方的屬性，控制具有不同權(quán)限的解密密鑰的獲取，實現(xiàn)人員對數(shù)據(jù)的分級訪問。最后，系統(tǒng)采用可拓展的API接口，可根據(jù)需要靈活拓展和移植，降低了技術(shù)準入門檻和運行成本。系統(tǒng)功能與設(shè)計02/系統(tǒng)實現(xiàn)03/基礎(chǔ)知識01/目錄系統(tǒng)測試與結(jié)果04/1.基礎(chǔ)知識1.1區(qū)塊鏈技術(shù)區(qū)塊鏈是一種按照時間順序?qū)?shù)據(jù)區(qū)塊以順序相連的方式，組合成的一種鏈式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并以密碼學方式保證的不可篡改和不可偽造的分布式賬本。1.基礎(chǔ)知識1.2IPFS星際文件系統(tǒng)（InterPlanetaryFileSystem）這個名字出自利克萊德（J.C.R.Licklider）的“星際”（intergalactic）互聯(lián)網(wǎng)，是一種新的點對點超媒體協(xié)議。IPFS是通用的，并且存儲限制很少。它服務(wù)的文件可大可小，會自動將大的文件切割成小塊，使節(jié)點不僅可以像HTTP一樣從一臺服務(wù)器上下載文件，還可以從數(shù)百臺服務(wù)器上進行同步下載。1.基礎(chǔ)知識1.3屬性加密屬性加密機制（AttributebasedEncryption，ABE）是一種加密訪問控制方式：在屬性加密系統(tǒng)中，用戶的私鑰和密文與一個屬性集或?qū)傩陨系牟呗韵嚓P(guān)；當且僅當用戶的私鑰和密文相匹配時，這個用戶才可以解密密文，而密文不必要以傳統(tǒng)的公鑰密碼體制加密給一個特定的用戶。1.基礎(chǔ)知識1.4國產(chǎn)加密算法SM4SM4分組密碼算法是我國自主設(shè)計的分組對稱密碼算法，是我國官方公布的第一個商用密碼算法。SM4算法作為國家密碼的行業(yè)標準，有著極其重要的位置。該算法的分組長度為128bit，密鑰長度也是128bit。加解密算法均采用32輪非平衡Feistel迭代結(jié)構(gòu)。2系統(tǒng)功能與設(shè)計2.1系統(tǒng)功能(1)加密功能：對數(shù)據(jù)進行混合加密。其中，加密的數(shù)據(jù)分為密鑰信息和文件數(shù)據(jù)兩部分。密鑰信息用基于屬性加密的方法進行加密，文件數(shù)據(jù)用國產(chǎn)SM4對稱加密方法進行加密。(2)上傳/下載功能：客戶端將數(shù)據(jù)通過智能合約，上傳至IPFS分布式存儲系統(tǒng)，得到上傳的散列值，結(jié)合區(qū)塊鏈的API將散列值送入?yún)^(qū)塊鏈中，實現(xiàn)對文件的上傳功能。當用戶下載文件時，區(qū)塊鏈中的智能合約獲取存放在區(qū)塊鏈中的文件散列值，通過該散列值從IPFS下載至本地存儲，并驗證文件的合法性。整個通信過程中，數(shù)據(jù)都以密文形式進行傳輸，確保數(shù)據(jù)不被非法獲取。2系統(tǒng)功能與設(shè)計2.1系統(tǒng)功能(3)解密功能：系統(tǒng)中用戶都可以根據(jù)自身的屬性，獲得相應(yīng)的屬性私鑰，訪問區(qū)塊鏈，獲取數(shù)據(jù)中的密鑰信息，通過使用自身的屬性私鑰對密鑰信息進行解密，得到SM4對稱加密的密鑰，接著使用SM4對稱加密的密鑰對文件數(shù)據(jù)進行解密，獲得最終的數(shù)據(jù)。(4)查詢功能：根據(jù)區(qū)塊鏈分布式賬本的特點，所有區(qū)塊鏈中的交易記錄對于所有節(jié)點都是透明的，可查詢的。利用區(qū)塊鏈提供的API接口，實現(xiàn)對任意區(qū)塊的詳細交易記錄的查詢。2系統(tǒng)功能與設(shè)計2.2系統(tǒng)架構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)圖2系統(tǒng)功能與設(shè)計2.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2系統(tǒng)功能與設(shè)計2.4系統(tǒng)流程系統(tǒng)流程2系統(tǒng)功能與設(shè)計2.5系統(tǒng)模塊3系統(tǒng)實現(xiàn)3.1環(huán)境搭建配置IPFS配置Geth（以太坊區(qū)塊鏈）3系統(tǒng)實現(xiàn)3.2功能模塊實現(xiàn)上傳模塊3系統(tǒng)實現(xiàn)3.2功能模塊實現(xiàn)下載模塊3系統(tǒng)實現(xiàn)3.2功能模塊實現(xiàn)加密模塊4系統(tǒng)測試傳輸文件類型文件大小平均上傳時間平均上傳速度平均下載時間平均下載速度.jpg文件249KB0.23s1082.6KB/s0.33s754.5KB/s.doc文件1057KB0.62s1704.8KB/s0.84s887.9KB/s.mp3文件9944KB2.53s3930.4KB/s2.76s3602.9KB/s.zip文件51186KB8.42s6079.0KB/s5.66s9043.5KB/s傳輸速度4系統(tǒng)測試加解密性能測試文件名文件類型大小重復(fù)次數(shù)平均總加密速度SM4加密文件速度CP-ABE加密密鑰速度平均總解密速度SM4解密文件速度CP-ABE解密密鑰速度樣本文件1pdf411KB100351ms31ms320ms61ms14ms47ms樣本文件2exe36MB1001230ms1047ms183ms1071ms1025ms46ms樣本文件3rar425KB100159ms12ms147ms60ms12ms48ms樣本文件4rar32.7MB1001113ms956ms157ms1009ms961ms48ms總結(jié)開發(fā)基于區(qū)塊鏈的安全存儲與共享系統(tǒng)，將區(qū)塊鏈與IPFS（InterPla