基于区块链的信息物理融合系统数据安全与隐私保护机制研究

Cyber-Physical System (CPS) is a new kind of intelligent system, through the fusion of computing, communication and control technology, it realizes the combination and coordination of the controllable networked physical process and the computing process. The most important prerequisite for CPS security is to preserve the availability, reliability, authenticity and integrity of the sense and control data. The main problems in preserving data security and privacy protection for CPS in a distributed environment include: (1) how to realize the credibility measurement of multi-source heterogeneous data, and how to realize secure data storage and data access control in a distributed trust environment; (2) how to identify and characterize the privacy data and reduce the complexity of data processing. This project launches the research in view of these problems, to design a novel data structure and consensus mechanism for blockchain, to solve the contradiction between the CPS mass data and the limited capacity of current blockchain, and the contradiction between real-time sensing control the limited accounting efficiency of current blockchain, to design smart contract realizing automatic safety control. On the basis of the above research, we research on novel distributed secure data storage and access control mechanism based on blockchain for CPS, and privacy preservation mechanism for distributed CPS data mining based on privacy-enhancing blockchain. Besides, we research on the electronic evidence preservation mechanism for CPS based on conditional anonymous consortium blockchain. This project can provide a reliable theoretical basis and feasible technical support for CPS data security and privacy protection.

信息物理融合系统是（CPS）是通过计算、通信、控制技术的融合，实现可控的网络化物理过程与计算过程反馈循环的新型智能系统。保障CPS感知控制数据的可用、可靠、真实、完整是其安全运行的首要前提。CPS分布式环境中数据安全与隐私保护主要问题包括：（1）如何实现多源异构数据的可信性度量，实现分布式信任的数据安全存储控制；（2）如何识别和刻画隐私数据特征，降低加密数据处理计算复杂性。本课题拟针对这些问题展开研究，设计新型区块链数据架构和共识机制，解决CPS海量数据与区块容量限制之间的矛盾、实时感知控制与区块记账效率之间的矛盾，研究设计智能合约实现自动化安全控制；在此基础上，研究基于区块链的分布式CPS可信数据安全存储控制机制，研究设计基于隐私增强区块链的CPS数据挖掘隐私保护机制；研究设计基于条件匿名联盟链的CPS电子证据保全机制。本课题为CPS数据安全与隐私保护提供可信的理论基础与可行的技术支撑。

信息物理融合系统（CPS）是实现信息世界与物理世界交互融合的新一代智能复杂系统。本项目结合CPS网络大规模、高混杂、协同自治的网络特点和异构、实时、海量、多样的数据特点，针对CPS的安全目标，通过构建基于区块链的新型数据架构，突破现有机制在安全高效灵活的分布式数据共享、数据可靠可信、隐私泄露、取证追溯等方面的局限性，解决 CPS 分布式数据安全与隐私保护关键问题，为构建可用、机密、完整、可靠和可控的CPS安全体系结构提供理论与技术方案。..针对区块链在安全、效率、资源和隐私保护等方面存在的问题进行分析和优化设计的基础上，构建基于联盟链的可信的分布式CPS数据存储与控制机制，设计了具有更高效率、可扩展性和生存能力的基于话题的 CPS 设备数据交换方法，并对消息队列遥测传输MQTT数据交换协议进行了优化。为解决分布式数据共享环境下的隐私泄露问题，改进了现有安全模型，提出了无双线性对无证书的隐私保护认证机制，并针对智能电网典型应用场景，设计了一种基于批签密的智能电网系统及其构建方法，解决智能电网中通信安全和隐私保护的问题。在CPS电子证据保全和责任追溯研究方面，提出了基于联盟链的快速信息共享与追溯系统架构，设计实现了基于联盟链的CPS存取证系统，建立了CPS取证追溯原型系统。..在项目研究过程中，发表学术论文10篇，其中SCI/EI检索论文7篇，申请发明专利1项并获得授权，出版著作2部，获得奖励1项，协助指导1名毕业博士，指导4名硕士。项目所取得的研究成果为CPS数据安全与隐私保护提供可信的理论基础与可行的技术支撑。.