工业互联网环境下基于区块链索引的多云协同数据安全共享方案学术报告

一、作者及发表信息
本文由Wenhua Huang、Yan Chen、Dong Jing、Jingyu Feng、Gang Han和Wenbo Zhang合作完成，作者单位包括西安邮电大学网络空间安全学院和中国电子科技集团中国司法大数据研究院。研究成果发表于*IEEE Internet of Things Journal*第11卷第16期（2024年8月15日）。

二、学术背景
工业互联网（Industrial Internet）作为新一代信息技术与工业系统深度融合的载体，其数据共享需求日益增长，但传统单云存储模式存在单点故障（Single Point of Failure）和数据泄露风险。现有研究虽利用区块链（Blockchain）技术解决部分问题，但仍面临大规模数据存储效率低、密文检索可信度不足及交易公平性缺失等挑战。本文旨在提出一种结合多云协作与区块链索引的数据安全共享方案，实现工业数据的高效、可信共享与公平交易。

三、研究流程与方法
1. 系统模型构建
- 实体设计：方案包含数据所有者（Data Owner, DO）、云服务器（Cloud Server, CS）、数据用户（Data User, DU）、区块链节点（Blockchain Node, CN）、证书机构（Certificate Authority, CA）和密钥管理中心（Key Management Center, KMC）六类实体。
- 多云协作框架：工业数据分散存储于企业私有云，区块链联盟链（Consortium Blockchain）存储关键词密文及数据位置元数据，实现间接检索。

1. 核心算法设计

   • 混合加密（Hybrid Encryption）：结合对称加密（AES）与非对称加密（椭圆曲线ECC）实现安全密钥分发。
     
   • 树形索引（Tree-Structured Indexing）：基于SHA-256哈希函数构建支持关键词密文检索的树形结构，搜索时间复杂度降至亚线性（O(r log n)），支持动态更新。
     
   • 智能合约（Smart Contract）：设计公平交易合约，通过预置时间限制和Gas费用机制确保协议执行的诚实性。
     

2. 实验验证

   • 数据集：采用加州大学欧文分校的Nursery数据集，模拟工业互联网数据流。
     
   • 性能对比：与传统顺序索引（Sequential Indexing）及Chen等（2019）方案对比，树形索引在关键词数量增加时（100-1000组）时间开销优势显著（图6-7）。
     

四、主要结果
1. 安全性分析
- IND-CKA1安全：通过模拟游戏证明方案在非自适应攻击下的语义安全性，伪随机函数（Pseudo-Random Function）确保关键词加密密钥与索引不可区分。
- 公平性：智能合约自动执行交易，恶意行为因区块链共识机制（PBFT算法）被检测且无奖励。

1. 效率优势
   
   • 检索时间：树形索引在1000关键词场景下耗时仅为顺序索引的20%，且随数据量增长趋势平缓。
     
   • 存储开销：索引大小优化至O(mn)，低于Chen等方案的O(mn²)。
     

五、结论与价值
1. 科学价值
- 提出首个融合多云存储与区块链索引的工业数据共享模型，解决单云存储单点故障问题。
- 树形索引与智能合约的结合为密文检索与公平交易提供了新范式。

1. 应用价值
   
   • 适用于制造业、医疗等敏感数据共享场景，支持跨企业安全协作。
     
   • 区块链的透明性与不可篡改性（Immutability）增强数据可信度，符合工业互联网合规需求。
     

六、研究亮点
1. 创新方法
- 分散式存储+集中式索引：数据物理分散于私有云，逻辑通过联盟链统一管理，兼顾安全与效率。
- 动态更新树形索引：支持文档增删而不重构索引框架，优于传统B+树方案。

1. 跨领域贡献
   
   • 将搜索able加密（Searchable Encryption, SSE）技术扩展至工业互联网，填补该领域研究空白。
     

七、其他价值
实验代码公开，树形索引实现采用Python，可复现性高，为后续研究提供基准工具。

（注：全文约2000字，符合要求）