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工业物联网中基于区块链的数据共享与隐私保护方案：BBDSPP

1. 作者与发表信息

本研究由Weiming Tong（哈尔滨工业大学空间环境与物质科学实验室）、Luyao Yang、Zhongwei Li、Xianji Jin（哈尔滨工业大学电气工程与自动化学院）及Liguo Tan（哈尔滨工业大学空间环境与物质科学实验室）共同完成，发表于期刊Sensors 2024第24卷第1035页，DOI为10.3390/s24031035，2024年2月5日正式出版。

2. 学术背景

科学领域：本研究属于工业物联网（IIoT, Industrial Internet of Things）与区块链交叉领域，聚焦数据共享的安全性与隐私保护。
研究动机：传统IIoT数据共享模型存在复杂性高、灵活性差及安全隐患（如数据泄露、非法访问）等问题。例如，2022年统计显示，针对工业网络的攻击导致150余起运营中断事件。
技术背景：
- 区块链技术：提供去中心化、不可篡改的分布式账本，但存在存储效率低、隐私保护不足的缺陷。
- 加权阈值秘密共享（WTSS, Weighted Threshold Secret Sharing）：通过属性赋权实现灵活的权限组合。
- 非交互式零知识证明（NIZK, Non-Interactive Zero-Knowledge Proof）：轻量级身份验证协议，保护成员隐私。
- 星际文件系统（IPFS, InterPlanetary File System）：解决区块链存储瓶颈。
研究目标：提出一种融合上述技术的方案（BBDSPP），实现安全、灵活、高效的IIoT数据共享。

3. 研究流程与方法

流程分为五个阶段，涉及以下关键步骤：
1. 初始化阶段：
- 对象：系统参数与终端成员密钥。
- 方法：CA（证书权威机构）生成双线性群（Bilinear Group）参数（G₁, G₂, Gₜ），选择哈希函数H₁、H₂，计算成员公钥Qᵤ = H₁(IDᵢ)及私钥sᵤ = αQᵤ（α为随机数）。
- 创新点：引入双线性映射e: G₁ × G₁ → Gₜ，确保计算可验证性。

1. 注册阶段：

   • 对象：终端成员属性（如设备状态、生产流程）。
     
   • 方法：AA（属性权威机构）分配属性集Aᵢ及权重Wᵢ，CA基于NIZK生成身份证明eᵥ = {t, f}（t = p·q，f = |H₂(sᵤ)[vᵢ]|²）。
     
   • 样本规模：假设系统含n个终端成员，每个成员属性数r ∈ ℕ*。
     

2. 加密阶段：

   • 对象：共享数据m。
     
   • 方法：数据所有者（DO）使用对称加密密钥δ加密m，存储至IPFS；通过WTSS加密δ，生成密文ct = (a, b, c)，其中c = δuᵝ（u = e(g₁, g₁)ᵅ）。
     
   • 算法创新：加权阈值设计（b₁b₂…bₜ > b₀b_{w−t+2}…b_w）确保权限组合灵活性。
     

3. 认证阶段：

   • 对象：数据访问者（DV）身份。
     
   • 方法：DV提交eᵥ，DO通过挑战-响应协议验证res² ≡ aγ mod t，验证成功后返回IPFS存储地址address(eδ(m))及属性权限参数rᵢ。
     

4. 解密阶段：

   • 对象：密文ct。
     
   • 方法：DV基于rᵢ，利用中国剩余定理（CRT, Chinese Remainder Theorem）求解μ = β + ab₀，恢复对称密钥δ = c/(u·e(g₁, g₁)ᵝ)，最终解密m。
     

4. 主要结果

• 身份认证有效性：NIZK协议使冒充攻击成功概率降至2^{-kr}（k为挑战轮次），当kr足够大时趋近于0。
  
• 权限控制灵活性：属性权重和≥阈值t时，DV可唯一解密；否则无法获取有效解（如r=15时，解密失败率100%）。
  
• 性能优势：
  
  • 计算负载：密钥生成阶段耗时仅2.188 ms（r=5），显著低于对比方案（如BSPP需22.904 ms）。
    
  • 区块链吞吐量：读写操作成功率100%，写入峰值90 TPS（每秒事务数），读取峰值120 TPS。
    

5. 结论与价值

科学价值：
- 提出首个融合WTSS、NIZK与IPFS的IIoT数据共享框架，解决了权限组合僵化、身份隐私泄露及存储效率低三大难题。
- 理论证明方案满足正确性（Theorem 1-2）与安全性（Theorem 3-4）。
应用价值：适用于智能工厂、医疗数据共享等需高安全性场景，如跨机构医疗数据协作（引用Xu et al.的PPMDS方案对比）。

6. 研究亮点

• 方法创新：
  
  • 属性赋权与WTSS结合，实现动态权限配置（如rᵢ = μ mod bⱼ）。
    
  • 轻量级NIZK协议（仅需14tₑ + t_b + t_h）降低认证开销。
    
• 工程优化：IPFS存储密文，区块链仅记录地址，存储效率提升91%（实测数据）。
  

7. 其他价值

• 实验验证：通过Caliper测试区块链性能，Python 3.12模拟加密/解密流程（硬件：i7-7500U, 16GB RAM），数据可复现。
  
• 对比优势：如表6所示，BBDSPP在区块链架构、隐私保护等7项指标上全面优于现有方案（如AC-CAATP、ZK-CP-ABE）。
  

（报告总字数：约1800字）