区块链赋能的动态访问控制技术在协同应急管理中的应用研究

作者及机构
本研究的通讯作者为清华大学公共安全研究院、安全科学学院的Yi Liu（邮箱：liuyi@tsinghua.edu.cn），第一作者为Qi Wang。研究成果发表于期刊*Information Processing and Management*（2025年，第62卷，文章编号103960），并于2024年12月3日在线发布。

学术背景
随着物联网、大数据和云计算等信息通信技术的快速发展，应急管理领域对数据驱动的决策需求日益增长。然而，传统集中式数据平台在多源数据细粒度访问控制方面存在不足，且易受单点故障和伪造授权风险的影响。区块链技术因其去中心化、透明性和不可篡改性，为分布式数据治理提供了创新解决方案。本研究旨在结合区块链和基于属性的访问控制（Attribute-Based Access Control, ABAC）技术，提出一种面向多机构协同应急管理的动态访问控制框架，以提升数据共享的安全性、效率和可靠性。

研究流程与方法
1. 问题分析与技术选型
- 背景挑战：传统集中式模型存在数据孤岛、单点故障和静态访问策略难以适应动态应急场景的问题。
- 技术选择：采用许可制区块链（如Hyperledger Fabric）而非公有链，因其支持身份验证和可控参与，符合应急管理中已知实体的协作需求。

1. 系统架构设计

   • 三大核心组件：
     
     • 证书授权机构（CA）：通过公钥基础设施（PKI）管理用户数字证书，嵌入角色、部门等属性。
       
     • 区块链网络：基于Hyperledger Fabric构建，包含Peer节点（执行链码）和Orderer节点（排序交易），支持通道隔离以保障隐私。
       
     • 动态ABAC机制：通过智能合约实现，采用轻量化的“访问树”数据结构（含逻辑门节点和属性叶子节点）定义策略，支持动态更新。
       

2. 动态访问控制实现

   • 属性管理：用户属性通过X.509数字证书嵌入，由各组织内部CA独立签发，根CA实现跨组织互信。
     
   • 策略执行：
     
     • 访问树示例：如“A组织主管或B组织调查员在B级风险下可访问乘客航班数据”，通过递归验证属性满足阈值逻辑。
       
     • XACML标准适配：将策略信息点（PIP）、策略决策点（PDP）等逻辑嵌入链码，实现去中心化策略评估。
       

3. 系统实现与测试

   • 硬件环境：三台主机模拟三个组织，每组织部署2个Peer节点和1个Orderer节点，CA服务器独立运行。
     
   • 功能测试：
     
     • 访问控制验证：5类用户证书和2类环境属性下，策略A和B的测试结果显示系统能准确动态调整权限（如表格3-4所示）。
       
     • 防篡改验证：节点数据篡改后因共识机制自动恢复，证明系统抗单点故障能力。
       
   • 性能测试：
     
     • 吞吐量：策略查询（getaccesspolicy）响应时间0.01秒，策略更新类操作（如handleaccessrequest）平均延迟4.3秒（批量超时5秒时）。
       
     • 瓶颈分析：区块生成时间（共识速度）是主要性能限制，缩短至2秒后延迟显著降低，但高并发（800 TPS）下稳定性略降。
       

主要结果与贡献
1. 动态访问控制能力：实验证实系统可根据紧急场景（如疫情等级变化）实时调整策略，避免传统ABAC因中心化存储导致的共识难题。
2. 安全与效率平衡：区块链的不可篡改性保障了策略执行的可信性，而访问树结构（非硬编码策略）实现了轻量化更新，支持复杂条件组合（如多属性和嵌套逻辑）。
3. 性能优化发现：区块生成时间与吞吐量的权衡关系为实际部署提供了参数配置依据（如应急场景可接受稍高延迟以换取稳定性）。

结论与价值
本研究提出了一种创新的区块链-ABAC融合框架，解决了多机构应急协作中数据共享的信任与动态控制问题。其科学价值在于：
- 方法论创新：首次将访问树结构与区块链智能合约结合，实现策略逻辑与执行逻辑的解耦。
- 应用价值：为应急管理提供了可扩展的安全数据共享平台，支持跨部门协作时的细粒度权限管理。

研究亮点
1. 动态性：通过环境属性（如风险等级）触发策略调整，优于静态RBAC或传统ABAC。
2. 去中心化信任：CA层级设计与区块链共识机制结合，消除了单一管理员风险。
3. 实证验证：基于Hyperledger Fabric的原型系统通过完整功能与性能测试，验证了方案的可行性。

未来方向
作者计划进一步探索属性基加密（ABE）等密码学技术增强数据隐私，并优化跨组织治理机制以提升区块链网络的扩展性。这一研究为区块链在应急管理中的深度应用奠定了基础。