类型a：学术研究报告

作者及机构
本研究的作者包括Fengqun Wang（安徽大学计算机科学与技术学院）、Jie Cui（IEEE高级会员，安徽大学）、Qingyang Zhang（IEEE会员，安徽大学）、Debiao He（IEEE会员，武汉大学）、Chengjie Gu（新华三集团安全研究院）以及Hong Zhong（IEEE会员，安徽大学）。该研究发表于《IEEE Internet of Things Journal》2024年4月第11卷第8期。

学术背景
工业物联网（Industrial Internet of Things, IIoT）通过整合智能设备（SDs）和新兴技术优化工业生产，但数据共享面临安全与效率的双重挑战。传统基于云的数据共享框架依赖第三方云服务器（CS），存在数据监管不足的问题，例如云服务提供商可能返回错误密文，导致生产决策失误。区块链技术因其去中心化、防篡改和可追溯性被引入数据共享框架，但现有方案在安全性和效率上仍有不足。

本研究旨在提出一种基于代理重加密（Proxy Re-Encryption, PRE）的轻量级安全数据共享方案，解决以下问题：
1. 存储与访问认证缺失：现有方案未充分验证数据上传者或用户是否订阅了相应服务，导致非法数据存储或滥用。
2. 区块链性能瓶颈：直接存储大规模数据会增加区块链的存储与计算压力，影响实时性。

研究流程与方法
研究分为七个主要阶段，具体如下：

1. 系统初始化（System Initialization）

   • 研究对象：密钥生成中心（KGC）、边缘服务器（ES）、数据用户（DU）、智能设备（SDs）、区块链（BC）和云服务器（CS）。
     
   • 方法：KGC生成系统参数，包括主密钥（msk）和公钥（ppub），并为ES、DU和SDs分配密钥。区块链部署智能合约，存储服务相关参数。
     
   • 创新点：采用椭圆曲线密码系统（Elliptic Curve Cryptosystem, ECC）和哈希函数实现轻量级加密。
     

2. 原始数据加密与签名（Original Data Encryption and Signing）

   • 研究对象：SDs生成生产数据（如温度数据）。
     
   • 方法：SDs使用辅助公钥（apk）加密数据，并通过签名算法（如基于离散对数问题的签名）确保数据完整性。
     
   • 样本量：假设同一服务下有n个SDs参与数据上传。
     

3. 消息验证（Message Verification）

   • 方法：ES通过批量验证技术（Small Exponential Test）检查n个SDs提交的数据签名，确保其合法性。
     
   • 实验：验证方程（见原文公式1）的成立性，拒绝无效数据。
     

4. 数据打包（Packaged Data Generation）

   • 方法：ES将合法数据打包为SD，存储至CS，并生成元数据（如辅助密钥ask和索引index）上传至区块链。
     
   • 创新点：通过“链上监管-链下存储”机制减少区块链存储压力。
     

5. 存储与访问认证（Storage and Access Authentication）

   • 方法：区块链通过智能合约验证ES的存储请求和DU的访问请求，确保仅订阅同一服务的实体可交互。
     
   • 实验：测试算法（Test-I和Test-II）验证签名的有效性。
     

6. 代理重加密（Proxy Re-Encryption）

   • 方法：ES生成重加密密钥（rk），区块链将密文转换为DU可解的形式（kdu）。
     
   • 创新点：基于ECC的轻量级重加密算法，避免高计算开销的配对操作。
     

7. 数据解密（Re-Decryption and Decryption）

   • 方法：DU通过解密获得原始数据，并验证数据完整性（如哈希值匹配）。
     

主要结果
1. 安全性：方案满足机密性（CDH问题保障）、完整性（离散对数问题保障）和匿名性（SDs真实身份隐藏）。
2. 效率：
- 计算开销：SDs加密耗时仅2.745 ms（n=1），远低于对比方案（如Lu等方案的78.052 ms）。
- 区块链性能：存储认证延迟低至0.08 s（发送速率≤180 TPS），吞吐量在210 TPS时饱和。
3. 功能验证：支持数据打包和链下存储，区块链仅需处理元数据，存储压力降低。

结论与价值
1. 科学价值：提出首个结合代理重加密与链上/链下协同存储的IIoT数据共享方案，解决了现有方案在认证与效率上的缺陷。
2. 应用价值：适用于智能工厂等场景，确保生产数据的安全共享与实时监管。
3. 扩展性：支持多服务订阅，为移动SDs的数据共享提供未来研究方向。

研究亮点
1. 双重认证机制：首次同时实现存储与访问认证，防止数据滥用。
2. 轻量级设计：基于ECC和哈希函数，计算开销较同类方案降低50%以上。
3. 数据打包优化：ES聚合数据减少区块链交互次数，提升吞吐量。

其他价值
实验基于Hyperledger Fabric平台实现，代码开源，可复现性高。安全证明表明方案在随机预言模型下满足密文不可区分性。