Synchronized Provable Data Possession Based on Blockchain for Digital Twin | IEEE Journals & Magazine | IEEE Xplore

基于区块链的数字孪生同步可证明数据持有

一.引言

        数据孪生：将物理空间中物理实体上的融合数据映射到多个虚拟空间，进⾏不同维度的数字化建模和智能仿真。

        在真实的智能制造场景中，异构多源融合数据是同时采集的。所以它们在时间状态上是⼀致的。对于⾃主数字孪⽣系统，时间状态验证和完整性检查是基本的安全因素。可证数据拥有技术可以检查数据在虚拟空间上的完整性。区块链可以提供同步接⼝，使分布式实体获得可信的时间状态值。

所以，本文为数字孪⽣提出了基于区块链的同步可证明数据拥有⽅案。

二.预备知识

A.安全假设

        定义(RSA假设)   给定(k,N,v)，已知K是系统安全参数，N是一个足够大的整数，v是一个随机的素数且满足v∈[2^k,2^k+1].选取两个安全素数p和q，使得N=pq，其中p=2p‘+1, q=2q’+1, p‘, q’也为两个安全大素数。设QRN是阶为p‘q’的二次剩余群。多项式时间敌手A选择一个随机值b∈QRN，求解a满足a^v=bmodN的概率是可忽略的。

       定义[指数假设知识(KEAl-r)]    一个任意的多项式时间敌手A,输入(N,g,g^s)返回一组元素(C,Y)满足Y=C^s。存在一个提取器B，给出与A同样的输入能够返回一个值x满足C=g^x.

B.可证数据持有(PDP)

        针对云存储中轻量级的数据完整性检测，提出了可证数据持有(PDP, Provable Data Possession) 的概念。数据拥有者生成基于RSA的同态可验证的标签，并将其与文件一起存储在云服务器上,作为文件块的可验证元数据。验证者不需要下载所有数据，只需执行随机概率检测，就能让验证者确信云上的数据没有损坏。

面向数字孪生现有PDP方案不足

       分布式云的PDP方案比较少；

       审计者的选择受限；

       数据的同步状态无法检测:物理本体和孪生体不断迭代优化，数据存在大量的重叠。即使某个迭代周期的数据损坏了，恶意云也有可使用其他迭代周期的数据，通过验证。

三.系统架构

A.系统架构

提出的系统由以下实体组成

       数据拥有者(DO) :负责融合用于建模和仿真的所有物理实体的数据，还负责生成同步的标签/数据块对。

       虚拟空间(VS) :多个分布式地部署在云服务器上的虚拟空间，也是一些数字建模仿真平台。收到来自验证者的挑战后，每个虚拟空间生成相应的证明并将其发送给验证者。

       验证者 :验证虚拟空间上数据的时间状态和完整性。

       区块链(BC) :采用联盟区块链。联盟区块链中有一个完全受信任的管理节点，它确保数字孪生系统中所有参与PDP的实体访问相同的时钟。同时，管理中心负责PDP发生争议时的仲裁。为了实现数字孪生系统的监管，同步标签存储在联盟区块链上，作为仲裁时的辅助信息。

B.安全模型

      不诚实的数据拥有者:可能的攻击是上传不正确的同步标签/数据块对，以绕过虚拟空间的验证。上传到区块链的同步标签不能被伪造。因此，同步标签只需要通过每个虚拟空间的正确性验证就能预防不诚实的数据拥有者。

       恶意的虚拟空间:虚拟空间可能伪造完整性证明，以隐藏数据已损坏的事实。

       半可信的验证者:验证者是可转换的，可以是数据拥有者、第三方审计者或代理。如果验证者是数据拥有者本身，则数据拥有者可能恶意陷害诚实的虚拟空间获得赔偿。因此，需要扩展安全模型，使得验证者不能陷害诚实的虚拟空间。

       数据拥有者的隐私性

       受损块的检测概率

四.协议构造

工作流程

方案简述

①初始化：生成系统参数，区块链创建同步接口提供时间状态值的查询服务。

②同步标签/数据块生成：数据拥有者为每个文件块生成同步标签，将标签上传到区块链，并将每个文件块发送到相应的虚拟空间。

③同步标签/数据块验证：虚拟空间查询时间状态值，验证每个同步的标签/数据块对。

④挑战：验证者发起完整性检测挑战，井将其广播到区块链。

⑤证明生成：虚拟空间将它们的响应返回给验证者，然后验证者聚合所有响应。

⑥证明检测：验证者从区块链中查询被挑战块的标签与时间状态值，执行完整性检测，并将检测结果上传到区块链。

A. 初始化阶段

B.同步标签/数据块生成和验证

C.挑战,证明生成和证明检测

D.仲裁阶段

五.安全性分析

A.正确性：

        假设数据拥有者、验证者和每个虚拟空间都是诚实的。如果它们诚实地遵循方案提出的程序，则同步标签将通过每个虚拟空间的验证。

证明：

B. VS 可以在 CheckProof 阶段通过验证者的完整性检查

C. 最后，被陷害的虚拟空间也可成功通过管理节点的仲裁验证

      D.检测安全性如果虚拟空间中存储的文件块已损坏k块，损坏块的检测概率至少为p，则方案具有(k,p)检测安全

       证明：假设DO向VS发送n个⽂件块，DO向区块链上传n个同步标签。假设 VS 删除或修改了⽂件上的 k 个块。如果 c 个块受到验证者的挑战，则可以找到 k 个损坏块的概率如下：

六.总结

       给定 n=8000, 图中分别显示了挑战块 c=60 和 c=90的检测概率 P 的曲线 。基于损坏的块 k=400, 当 c=60, PX=0.9545. 当 c=90, PX=0.9904. 可以得出结论，可以⾼概率检测到损坏的块。

      本文分析了时间状态验证和数据完整性验证对于数字孪生空间安全的重要性。    

      探讨了如何在区块链中设置同步接口，使得系统中的签名者为同一时间段生成的数据能生成同态的同步标签/数据块对。

      同态的同步标签/数据块对可以聚合生成完整性检测证明。

      实验结果表明方案是高效的，同步查询引起的时延是合理的。