基于投票和以太坊智能合约的云数据审计方案

doi:10.11772/j.issn.1001-9081.2023071036

《计算机应用》唯一官方网站 ›› 2024, Vol. 44 ›› Issue (7): 2093-2101.DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2023071036

基于投票和以太坊智能合约的云数据审计方案

黄河¹^,², 金瑜¹^,²()

^1.武汉科技大学计算机科学与技术学院, 武汉 430065
^2.湖北省智能信息处理与实时工业系统重点实验室, 武汉 430065

收稿日期:2023-07-31 修回日期:2023-10-11 接受日期:2023-10-11 发布日期:2023-10-26 出版日期:2024-07-10
通讯作者: 金瑜
作者简介:黄河（1997—），男，河南信阳人，硕士，CCF学生会员，主要研究方向：云存储、区块链；
第一联系人：金瑜（1973—），女，湖北武汉人，教授，博士，CCF会员，主要研究方向：网络安全、信任模型、分布式计算。
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(61802286)

Cloud data auditing scheme based on voting and Ethereum smart contracts

He HUANG¹^,², Yu JIN¹^,²()

^1.School of Computer Science and Technology，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan Hubei 430065，China
^2.Hubei Key Laboratory of Intelligent Information Processing and Real-time Industrial System，Wuhan Hubei 430065，China

Received:2023-07-31 Revised:2023-10-11 Accepted:2023-10-11 Online:2023-10-26 Published:2024-07-10
Contact: Yu JIN
About author:HUANG He， born in 1997， M. S. candidate. His research interests include cloud storage， blockchain.
First author contact:JIN Yu， born in 1973， Ph. D.， professor. Her research interests include cyber security， trust model， distributed computing.
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(61802286)

摘要/Abstract

摘要：

确保云数据的完整性是亟待解决的安全挑战，受到广泛应用的区块链技术为应对该安全挑战提供了良好的解决方案。当前结合区块链和智能合约技术，并由矿工参与审计验证工作的方案存在审计效率低、通信开销大和数据拥有者（DO）审计负担重等不足。针对上述问题，提出一种基于投票和以太坊智能合约的云数据审计方案（CASVEC）。首先，结合投票机制和智能合约技术在以太坊上设计并部署了去中心化自治组织（DAO），DAO中节点投票选举出一个审计节点代替矿工的审计验证工作，从而有效解决验证审计证明阶段效率低的问题，并且投票机制引入信誉值保证投票公平可靠。其次，仅使用少量链上资源存储审计结果以降低通信过程中的数据量，从而有效解决验证审计证明阶段通信开销大的问题。此外，DO仅需向DAO委托一次审计请求以及查询最终的审计结果，无需频繁调用智能合约交换审计相关信息，减轻了审计负担。最后，从理论和实验角度验证了与当前基于区块链的云审计方案相比，CASVEC能够显著降低验证审计证明阶段的时间开销和通信开销，以及审计阶段DO的时间开销。

关键词: 数据完整性, 区块链, 智能合约, 云数据审计, 投票机制

Abstract:

Ensuring cloud data integrity has become a security challenge that needs to be solved immediately. Widely-utilized blockchain technology provides a suitable solution to deal with this security challenge. The existing schemes combining blockchain and smart contract technology in which miners perform auditing validation work， suffer from low auditing efficiency， high communication overhead， and heavy auditing burden on Data Owner （DO）. In response to the above issues， a Cloud data Auditing Scheme based on Voting mechanism and Ethereum smart Contracts （CASVEC） was proposed. Firstly， a Decentralized Autonomous Organization （DAO） was designed and deployed on Ethereum by combining voting mechanism and smart contract technology. The nodes of DAO voted to elect an auditing node to replace miners for the auditing verification work， effectively solving the defect of low efficiency in validation audit proof phase. Besides， reputation value was designed to ensure fairness and reliability of the voting process. Secondly， only a few on-chain resources were used to store final auditing results to reduce data volume during communication process， thus effectively solving the problem of high communication overhead in validation audit proof phase. Furthermore， DO only needed to delegate one audit request and retrieve final audit result from DAO. In the above process， DO had no need to call smart contracts so frequently to exchange related information， lightening the auditing burden of DO. Finally， from the theoretical analysis and experimental result perspectives， it was verified that compared with current blockchain-based cloud auditing schemes， CASVEC can significantly reduce time overhead and communication overhead of validation audit proof phase， as well as DO time overhead of audit phase.

Key words: data integrity, blockchain, smart contract, cloud data auditing, voting mechanism

中图分类号:

TP309.2

黄河, 金瑜. 基于投票和以太坊智能合约的云数据审计方案[J]. 计算机应用, 2024, 44(7): 2093-2101.

He HUANG, Yu JIN. Cloud data auditing scheme based on voting and Ethereum smart contracts[J]. Journal of Computer Applications, 2024, 44(7): 2093-2101.

图/表 10

图1 CASVEC的工作流程

Fig. 1 Workflow of CASVEC

表1 符号定义

Tab. 1 Symbol definition

符号	含义	符号	含义
$E G$	群 $G 1$ 上的幂运算	$A Z p$	群 $Z p$ 上的加法运算
$M G$	群 $G 1$ 上的乘法运算	$n$	数据块总数量
$P G$	群 $G 1$ 上的配对运算	$c$	被质疑的数据块数量
$H G$	群 $G 1$ 上的哈希运算	$s$	划分子数据块的数量
$H Z p$	群 $Z p$ 上的哈希运算	$p$	$Z p$ 中单个元素大小
$M Z p$	群 $Z p$ 上的乘法运算	$q$	$G 1$ 中单个元素大小

表1 符号定义

Tab. 1 Symbol definition

符号	含义	符号	含义
$E G$	群 $G 1$ 上的幂运算	$A Z p$	群 $Z p$ 上的加法运算
$M G$	群 $G 1$ 上的乘法运算	$n$	数据块总数量
$P G$	群 $G 1$ 上的配对运算	$c$	被质疑的数据块数量
$H G$	群 $G 1$ 上的哈希运算	$s$	划分子数据块的数量
$H Z p$	群 $Z p$ 上的哈希运算	$p$	$Z p$ 中单个元素大小
$M Z p$	群 $Z p$ 上的乘法运算	$q$	$G 1$ 中单个元素大小

表2 CASVEC与BDPA计算开销对比

Tab. 2 Computation overhead comparison between CASVEC and BDPA

指标	BDPA	CASVEC
生成签名	$n H G + H Z p + 4 E G + 2 M G$	$n / s ⋅ H G + s + 1 E G + 2 + s M G$
产生审计证明	$2 c + 1 E G + 2 c ⋅ M G + c + 1 M Z p + c + 1 A Z p + H Z p$	$c + s E G + c M G + c + 1 s ⋅ M Z p + c + 1 s ⋅ A Z p + s H Z p$
验证审计证明	$10 4 P G + 3 c + 2 E G + 3 c ⋅ M G + c ⋅ H G + 2 c + 3 H Z p + 2 c ⋅ M Z p$	$3 P G + 2 c + s E G + 2 c + s M G + 2 c ⋅ H G$

表2 CASVEC与BDPA计算开销对比

Tab. 2 Computation overhead comparison between CASVEC and BDPA

指标	BDPA	CASVEC
生成签名	$n H G + H Z p + 4 E G + 2 M G$	$n / s ⋅ H G + s + 1 E G + 2 + s M G$
产生审计证明	$2 c + 1 E G + 2 c ⋅ M G + c + 1 M Z p + c + 1 A Z p + H Z p$	$c + s E G + c M G + c + 1 s ⋅ M Z p + c + 1 s ⋅ A Z p + s H Z p$
验证审计证明	$10 4 P G + 3 c + 2 E G + 3 c ⋅ M G + c ⋅ H G + 2 c + 3 H Z p + 2 c ⋅ M Z p$	$3 P G + 2 c + s E G + 2 c + s M G + 2 c ⋅ H G$

表3 CASVEC与BDPA通信开销对比

Tab. 3 Communication overhead comparison between CASVEC and BDPA

指标	BDPA	CASVEC
发送挑战信息	$c \| p \|$	$c \| p \|$
返回审计证明	$2 p + 2 q$	$2 p + 2 q$
验证审计证明	$2 c + 3 \| p + c + 8 \| q + 1$	$s \| p \| + s + 4 \| q + 1$

表3 CASVEC与BDPA通信开销对比

Tab. 3 Communication overhead comparison between CASVEC and BDPA

指标	BDPA	CASVEC
发送挑战信息	$c \| p \|$	$c \| p \|$
返回审计证明	$2 p + 2 q$	$2 p + 2 q$
验证审计证明	$2 c + 3 \| p + c + 8 \| q + 1$	$s \| p \| + s + 4 \| q + 1$

图2 生成数据签名时间开销

Fig. 2 Time overhead of generating data signature

图3 验证审计证明时间开销

Fig. 3 Time overhead of verifying audit proof

图4 审计阶段总时间开销

Fig. 4 Total time overhead for audit phase

图5 审计阶段DO时间开销

Fig. 5 Time overhead of DO in audit phase

图6 审计阶段总通信开销

Fig. 6 Total communication overhead for audit phase

图7 CASVEC中各项审计操作的gas开销

Fig. 7 Gas overhead for various audit operations in CASVEC

参考文献 30

1	CHEN C， WANG L， LONG Y， et al. A blockchain-based dynamic and traceable data integrity verification scheme for smart homes ［J］. Journal of Systems Architecture， 2022， 130： 102677.
2	CHEN L， FU Q， MU Y， et al. Blockchain-based random auditor committee for integrity verification ［J］. Future Generation Computer Systems， 2022， 131： 183-193.
3	CUI G， HE Q， LI B， et al. Efficient verification of edge data integrity in edge computing environment ［J］. IEEE Transactions on Services Computing， 2022， 15（6）： 3233-3244.
4	ZHANG G， YANG Z， XIE H， et al. A secure authorized deduplication scheme for cloud data based on blockchain ［J］. Information Processing & Management， 2021， 58（3）： 102510.
5	XIE M， ZHAO Q， HONG H， et al. A novel blockchain-based and proxy-oriented public audit scheme for low performance terminal devices ［J］. Journal of Parallel and Distributed Computing， 2022， 169： 58-71.
6	XIE G， LIU Y， XIN G， et al. Blockchain-based cloud data integrity verification scheme with high efficiency ［J］. Security and Communication Networks， 2021， 2021： 9921209.
7	李秀艳，刘明曦，史闻博，等.面向资源受限用户的高效动态数据审计方案［J］.计算机应用， 2021， 41（2）： 422-432.
	LI X Y， LIU M X， SHI W B， et al. Efficient dynamic data audit scheme for resource- constrained users ［J］. Journal of Computer Applications， 2021， 41（2）： 422-432.
8	HAN H， FEI S， YAN Z， et al. A survey on blockchain-based integrity auditing for cloud data ［J］. Digital Communications and Networks， 2022， 8（5）： 591-603.
9	WANG H， WANG X A， XIAO S， et al. Decentralized data outsourcing auditing protocol based on blockchain ［J］. Journal of Ambient Intelligence and Humanized Computing， 2021， 12： 2703-2714.
10	SHU J， ZOU X， JIA X， et al. Blockchain-based decentralized public auditing for cloud storage ［J］. IEEE Transactions on Cloud Computing， 2022， 10（4）： 2366-2380.
11	DU Y， DUAN H， ZHOU A， et al. Enabling secure and efficient decentralized storage auditing with blockchain ［J］. IEEE Transactions on Dependable and Secure Computing， 2021， 19（5）： 3038-3054.
12	LI S， XU C， ZHANG Y， et al. Backdoor-resistant public data integrity verification scheme based on smart contracts ［J］. IEEE Internet of Things Journal， 2023， 10（16）： 14269-14284.
13	ATENIESE G， BURNS R， CURTMOLA R， et al. Provable data possession at untrusted stores ［C］// Proceedings of the 14th ACM Conference on Computer and Communications Security. New York： ACM， 2007： 598-609.
14	WANG Q， WANG C， LI J， et al. Enabling public verifiability and data dynamics for storage security in cloud computing ［C］// Proceedings of the 14th European Symposium on Research in Computer Security. Berlin： Springer， 2009： 355-370.
15	WANG C， CHOW S S M， WANG Q， et al. Privacy-preserving public auditing for secure cloud storage ［J］. IEEE Transactions on Computers， 2013， 62（2）： 362-375.
16	YANG K， JIA X. An efficient and secure dynamic auditing protocol for data storage in cloud computing ［J］. IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems， 2013， 24（9）： 1717-1726.
17	SHEN W， QIN J， YU J， et al. Enabling identity-based integrity auditing and data sharing with sensitive information hiding for secure cloud storage ［J］. IEEE Transactions on Information Forensics and Security， 2019， 14（2）： 331-346.
18	LIU B， YU X L， CHEN S， et al. Blockchain based data integrity service framework for IoT data ［C］// Proceedings of the 2017 IEEE International Conference on Web Services. Piscataway： IEEE， 2017： 468-475.
19	CHEN Y-J， WANG L-C， WANG S. Stochastic blockchain for IoT data integrity ［J］. IEEE Transactions on Network Science and Engineering， 2020， 7（1）： 373-384.
20	XU Y， REN J， ZHANG Y， et al. Blockchain empowered arbitrable data auditing scheme for network storage as a service ［J］. IEEE Transactions on Services Computing， 2020， 13（2）： 289-300.
21	LI J， WU J， JIANG G， et al. Blockchain-based public auditing for big data in cloud storage ［J］. Information Processing & Management， 2020， 57（6）： 102382.
22	SHARMA P， JINDAL R， BORAH M D. Blockchain-based decentralized architecture for cloud storage system ［J］. Journal of Information Security and Applications， 2021， 62： 102970.
23	ZHANG C， XU Y， HU Y， et al. A blockchain-based multi-cloud storage data auditing scheme to locate faults ［J］. IEEE Transactions on Cloud Computing， 2022， 10（4）： 2252-2263.
24	ZUO W， LO D， KOCHHAR P S， et al. Smart contract development： challenges and opportunities ［J］. IEEE Transactions on Software Engineering， 2021， 47（10）： 2084-2106.
25	XUE J， XU C， ZHANG Y， et al. DStore： a distributed cloud storage system based on smart contracts and blockchain ［C］// Proceedings of the 18th International Conference on Algorithms and Architectures for Parallel Processing. Cham： Springer， 2018： 385-401.
26	YUE D， LI R， ZHANG Y， et al. Blockchain based data integrity verification in P2 P cloud storage ［C］// Proceedings of the 2018 IEEE 24th International Conference on Parallel and Distributed Systems. Piscataway： IEEE， 2018： 561-568.
27	WANG H， HONG Q， ZHAO M， et al. Blockchain-based fair payment smart contract for public cloud storage auditing ［J］. Information Sciences， 2020， 519： 348-362.
28	YUAN H， CHEN X， WANG J， et al. Blockchain-based public auditing and secure deduplication with fair arbitration ［J］. Information Sciences， 2020， 541： 409-425.
29	CATCHLOVE P. Smart contracts： a new era of contract use ［J］. SSRN Electronic Journal， 2017： 1-24.
30	WOOD G. Ethereum： a secure decentralised generalised transaction ledger ［J/OL］. Ethereum project yellow paper ［2023-07-01］. .

[1]	陈廷伟, 张嘉诚, 王俊陆. 面向联邦学习的随机验证区块链构建[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2024, 44(9): 2770-2776.
[2]	孙晓玲, 王丹辉, 李姗姗. 基于区块链的动态密文排序检索方案[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2024, 44(8): 2500-2505.
[3]	李皎, 张秀山, 宁远航. 降低跨分片交易比例的区块链分片方法[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2024, 44(6): 1889-1896.
[4]	陈美宏, 袁凌云, 夏桐. 基于主从多链的数据分类分级访问控制模型[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2024, 44(4): 1148-1157.
[5]	赵莉朋, 郭兵. 基于BDLS的区块链共识改进算法[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2024, 44(4): 1139-1147.
[6]	高改梅, 张瑾, 刘春霞, 党伟超, 白尚旺. 基于区块链与CP-ABE策略隐藏的众包测试任务隐私保护方案[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2024, 44(3): 811-818.
[7]	马海峰, 李玉霞, 薛庆水, 杨家海, 高永福. 用于实现区块链隐私保护的属性基加密方案[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2024, 44(2): 485-489.
[8]	王伊婷, 万武南, 张仕斌, 张金全, 秦智. 基于SM9算法的可链接环签名方案[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2024, 44(12): 3709-3716.
[9]	刘德渊, 张金全, 张鑫, 万武南, 张仕斌, 秦智. 基于无证书签密的跨链身份认证方案[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2024, 44(12): 3731-3740.
[10]	孙科硕, 高海英, 宋杨. 面向公有区块链上的私有区块链的多权威属性加密方案[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2024, 44(12): 3699-3708.
[11]	方鹏, 赵凡, 王保全, 王轶, 蒋同海. 区块链3.0的发展、技术与应用[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2024, 44(12): 3647-3657.
[12]	陈姿芊, 牛科迪, 姚中原, 斯雪明. 适用于物联网的区块链轻量化技术综述[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2024, 44(12): 3688-3698.
[13]	高婷婷, 姚中原, 贾淼, 斯雪明. 链上链下一致性保护技术综述[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2024, 44(12): 3658-3668.
[14]	贾淼, 姚中原, 祝卫华, 高婷婷, 斯雪明, 邓翔. 零知识证明赋能区块链的进展与展望[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2024, 44(12): 3669-3677.
[15]	牛科迪, 李敏, 姚中原, 斯雪明. 面向物联网的区块链共识算法综述[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2024, 44(12): 3678-3687.

基于投票和以太坊智能合约的云数据审计方案

Cloud data auditing scheme based on voting and Ethereum smart contracts

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 10

参考文献 30

相关文章 15

编辑推荐

Metrics