基于区块链技术的数据真实性保障方法研究

As one of 5V characteristics, veracity determines the value of big data. Every year enormous resources are invested to the verifying and auditing of electronic records globally. However, because of the volatility of digital information, combined with the issue of centralized trust in common systems, resulted in unsolved challenges in data integrity protection. This proposal is based on the blockchain, an emerging technology behind crypto-currencies, and develop a decentralized, trustless data integrity protection method. The main contents include: by referencing physical phenomena, we establish a tamper-resistant digital traces model; we then design blockchain consensus algorithm, data storage and network communication mechanisms to ensure data veracity; we explorer the means to effectively enhance the interoperability of our decentralized system and existing centralized ones, by working on docking programs and interactive specifications with the help of technologies such as sidechains. This study will provide a new anti-tampering pathway, and will provide technical support in conservation and identification of electronic evidence, and intellectual property protection.

数据的真实性是大数据5V特性之一，它直接决定了数据的价值。全球每年投入大量资源用于对各种电子档案和数字记录进行真实性核查和审计，但是由于数字信息本身的易变性，以及常见系统普遍基于中心化的设计思想，现有手段难以解决数据真实性保障问题。本申请基于区块链这一诞生于加密数字货币的新兴技术，研究去中心化、无信任依赖的数据真实性保障方法。主要研究内容包括：通过借鉴物理现象，建立抗篡改的数字痕迹模型；设计保障数据安全性的区块链共识算法、存储方案和传输机制；借助侧链等工具，研究与现有中心化系统的有效对接方案和交互规范，实现区块链即服务的体系架构。本研究将为数据防篡改技术提供新途径，同时在电子证据的保存鉴定、知识产权保护等方面提供技术支撑。

为加强信息系统中的数据真实性保护，提出了混合区块链模型及PANDA等共识机制；从存储、网络、跨链等方面研究了区块链扩展性，使其适用于数据安全场景；研发了用于数据真实性保护的BaaS架构和应用。研究期间发表SCI/EI论文7篇，申请发明专利13项，授权发明专利4项。主要研究工作如下：.1.基于许可-非许可链的混合链模型研究。首先提出晶格区块链模型，详细设计晶格区块链模型的定义和结构。建立适合链上数据存储和利用的数字痕迹模型，包含如公钥地址、时间戳及数据摘要等内容。基于所提出的区块链模型，设计了适用于非许可环境的共识算法PANDA和适用于许可环境的共识算法DPoS-Quorum，其中后者消除了区块链中需要“币”的经济属性。分析讨论了晶格区块链模型如何防止潜在的攻击，以及在恶意节点存在的情况下如何依然能够安全地工作。分别实现了基于PANDA共识的非许可链DLattice和基于DPoS-Quorum共识的许可链X-DLattice的原型系统。.2.为解决数据真实性保护时存在的区块链性能瓶颈，开展了可扩展性研究，包括(a)区块链存储扩展研究。通过虚拟区块的方式实现链上数据大幅压缩，提高数据存储查询效率。提出VBG虚拟区块组模型，将区块数据进行划分，通过DHT网络完成节点互联，在满足全网拥有信息全集的基础下，各节点分组记录数字痕迹的不同详细程度，从而形成高可扩展性的区块链。(b)区块链传输扩展研究。提出区块链系统中数据传输扩展模型，有效减少区块传输的层级，从而解决区块链网络中数据传输的性能瓶颈。(c)跨链协议研究。构建区块链健康模型，综合多维度实现去中心化的数据动态多链锚定，突破传统单一链式结构，实现“链联网”的多层立体架构，为链上数据的确权与追溯提供更好的鲁棒性和安全性。.3.探索区块链技术在数据安全保护中服务框架的落地模式，研制了去中心化身份管理、电子档案系统、物联网终端、医疗健康数据安全保护服务系统等具体应用。