基于混合算法区块链和节点身份认证的数据存储方案

doi:10.11772/j.issn.1001-9081.2021061127

《计算机应用》唯一官方网站 ›› 2022, Vol. 42 ›› Issue (8): 2481-2486.DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2021061127

所属专题：网络空间安全

基于混合算法区块链和节点身份认证的数据存储方案

田洪亮(), 王佳玥, 李晨曦

东北电力大学电气工程学院，吉林吉林 132012

收稿日期:2021-06-30 修回日期:2021-08-24 接受日期:2021-08-26 发布日期:2021-10-18 出版日期:2022-08-10
通讯作者: 田洪亮
作者简介:田洪亮（1981—），男，吉林吉林人，副教授，博士，主要研究方向：物联网、区块链、电力设备在线监测；
王佳玥（1998—），女，河北石家庄人，硕士研究生，主要研究方向：区块链、数据管理；
李晨曦（1997—），女，河北石家庄人，硕士研究生，主要研究方向：区块链、身份认证。

Data storage scheme based on hybrid algorithm blockchain and node identity authentication

Hongliang TIAN(), Jiayue WANG, Chenxi LI

School of Electrical Engineering，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012，China

Received:2021-06-30 Revised:2021-08-24 Accepted:2021-08-26 Online:2021-10-18 Published:2022-08-10
Contact: Hongliang TIAN
About author:TIAN Hongliang， born in 1981， Ph. D.， associate professor. His main research interests include internet of things， blockchain， online monitoring of power equipment.
WANG Jiayue， born in 1998， M. S. candidate. Her research interests include blockchain， data management.
LI Chenxi， born in 1997， M. S. candidate. Her research interests include blockchain， identity authentication.

摘要/Abstract

摘要：

为了增强云数据存储的完整性和安全性，在无线传感器网络（WSN）中，提出一种基于混合算法区块链的数据存储方案，以及一种集成身份验证和隐私保护的去中心化框架。首先，簇头将采集到的信息传递至基站，而基站在分布式区块链上记录所有关键参数，并传递至云端存储。然后，为了获得更高的安全等级，合并椭圆曲线加密（ECC）的160位密钥与高级加密标准（AES）的128位密钥，并在云存储层之间进行密钥对交换。基于混合算法的区块链结合身份验证方案可以很好地保证云数据的安全性存储，因此所提方案在安全性方面较为优秀。此外，恶意节点可通过基站从区块链中直接移除并撤销认证，方便快捷。仿真结果表明，与去中心化的区块链信息管理（BIM）方案、基于信任和分布式区块链评估的安全定位（DBE）算法和利用密钥衍生加密和数据分析（KDE-DA）管理方案相比，所提方案在延迟、吞吐量、计算开销方面具有一定的优越性。

关键词: 云数据, 无线传感器网络, 区块链, 去中心化框架, 节点身份认证

Abstract:

To enhance the integrity and security of cloud data storage， a data storage scheme based on hybrid algorithm blockchain and a decentralized framework integrating identity authentication and privacy protection were proposed in Wireless Sensor Network （WSN）. Firstly， the collected information was transmitted to the base station by the cluster heads， and all the key parameters were recorded on the distributed blockchain and transmitted to the cloud storage by the base station. Then， in order to obtain a higher security level， the 160-bit key of Elliptic Curve Cryptography （ECC） and the 128-bit key of Advanced Encryption Standard （AES） were combined， and the key pairs were exchanged between the cloud storage layers. The proposed blockchain is based on a hybrid algorithm and combined with an identity verification scheme， which can well ensure the secure storage of cloud data， thus achieving excellent security. In addition， malicious nodes were able to be directly removed from the blockchain and also their authentication was able to be revoked through the base stations. And this operation is convenient and fast. Simulation results show that compared with schemes of decentralized Blockchain Information Management （BIM） scheme， secure localization algorithm based on trust and Decentralized Blockchain Evaluation （DBE） and Key Derivation Encryption and Data Analysis （KDE-DA） management scheme， the proposed scheme has some advantages in delay， throughput and computational overhead.

Key words: cloud data, Wireless Sensor Network (WSN), blockchain, decentralized framework, node identity authentication

中图分类号:

TP391

田洪亮, 王佳玥, 李晨曦. 基于混合算法区块链和节点身份认证的数据存储方案[J]. 计算机应用, 2022, 42(8): 2481-2486.

Hongliang TIAN, Jiayue WANG, Chenxi LI. Data storage scheme based on hybrid algorithm blockchain and node identity authentication[J]. Journal of Computer Applications, 2022, 42(8): 2481-2486.

图/表 10

表1 主要参数及其说明

Tab. 1 Main parameters and their description

符号	描述
$R S N k$	第k个传感器节点
$C H S N j$	第j个簇头
$P a s s w o r d N M k$	第k个普通传感器节点的遮罩密码
$p I D i i n i t i a l$	初始伪密钥标识
$P a s s w o r d N M j$	第j个簇头的遮罩密码
$P I D S N K$	簇头的伪标识
$k e y p v t T A$	签名函数的私钥
$k e y p u b T A$	签名函数的公钥
$k e y s e c r e t i$	传感器节点的密钥
$T S (K G) n e w$	基站的新时间戳
$k e y (p v t n e w) T A$	基站的新私钥

表1 主要参数及其说明

Tab. 1 Main parameters and their description

符号	描述
$R S N k$	第k个传感器节点
$C H S N j$	第j个簇头
$P a s s w o r d N M k$	第k个普通传感器节点的遮罩密码
$p I D i i n i t i a l$	初始伪密钥标识
$P a s s w o r d N M j$	第j个簇头的遮罩密码
$P I D S N K$	簇头的伪标识
$k e y p v t T A$	签名函数的私钥
$k e y p u b T A$	签名函数的公钥
$k e y s e c r e t i$	传感器节点的密钥
$T S (K G) n e w$	基站的新时间戳
$k e y (p v t n e w) T A$	基站的新私钥

图1 本文方案整体框架

Fig. 1 Overall framework of the proposed scheme

图2 区块链结构

Fig. 2 Blockchain structure

表2 仿真参数说明

Tab. 2 Description of simulation parameters

参数	设置
传感器节点数量	100~ 400
簇头占比	20%
感测范围	100 m×100 m ~ 400 m×400 m
通信范围	60 m
数据包大小	512 B
信道带宽	6 Mb/s
仿真时长	100 s

表3 不同方案的计算开销

Tab. 3 Computational overhead of different schemes

方案	数据包签名计算开销	数据包验证计算开销	加密计算开销	总的计算开销
KDE-DA	T_MAC+ 2T_MUL+T_hash	2T_PAR	T_ENC	T_MAC+ 2T_MUL+ T_hash+2T_PAR+ T_ENC
BIM	2T_MAC	T_MAC	2T_ENC	3T_MAC+2T_ENC
DBE	T_MAC+ 7T_hash	T_MAC+ T_hash	2T_PAR+ T_MUL+ 2T_ENC	2T_MAC+ 9T_hash+ 2T_PAR + T_MUL+ 2T_ENC
本文方案	2T_hash+T_MAC	T_MAC	2T_PAR+ T_MUL+ T_hash+T_ENC	3T_hash+2 T_MAC+2T_PAR+ T_MUL+ T_ENC

图3 不同网络规模下不同方案的延迟比较

Fig. 3 Delay comparison of different schemes under different size of network

图4 不同仿真时间下不同方案的检测准确度比较

Fig. 4 Detection accuracy comparison of different schemes under different simulation time

图5 不同文件大小对吞吐量的影响

Fig. 5 The impact of different file sizes on throughput

表4 不同方案的特征比较

Tab. 4 Comparison of characteristics of different schemes

特征	BIM	DBE	KDE-DA	本文方案
传感器身份验证	×	√	√	√
密码更新	×	√	√	√
系统密钥更新	×	×	×	√
节点撤销	×	×	×	√
去中心化	√	√	×	√
透明性	√	×	√	√
多介质存储	√	×	×	√

表5 不同方案的安全性比较

Tab. 5 Security comparison of different schemes

攻击类型	BIM	KDE-DA	DBE	本文方案
重放攻击	√	√	√	√
消息篡改和生成攻击	×	√	√	√
抵赖攻击	√	×	√	√
冒名攻击	×	×	√	√
入侵传感器节点	×	√	×	√
私人数据泄露攻击	×	√	×	√

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