發(fā)布時間：2020-01-17所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要：隨著移動互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)空間承載了海量數(shù)據(jù)，必須保證其安全性和隱私性�；趨^(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制具有去中心化、不可篡改、可追溯、高可信和高可用的特性，有利于提升網(wǎng)絡(luò)安全性。探討了區(qū)塊鏈在網(wǎng)絡(luò)安全方面的應(yīng)用方案，分析了基于
摘 要：隨著移動互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)空間承載了海量數(shù)據(jù)，必須保證其安全性和隱私性�；趨^(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制具有去中心化、不可篡改、可追溯、高可信和高可用的特性，有利于提升網(wǎng)絡(luò)安全性。探討了區(qū)塊鏈在網(wǎng)絡(luò)安全方面的應(yīng)用方案，分析了基于區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制的主要技術(shù)特點和方法以及未來研究方向。首先探討了數(shù)據(jù)管理體系應(yīng)用區(qū)塊鏈進(jìn)行數(shù)據(jù)管理的方法，利用區(qū)塊鏈不可篡改的特性提高數(shù)據(jù)的真實性和可靠性。其次分析了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用區(qū)塊鏈進(jìn)行設(shè)備管理的方案，通過區(qū)塊鏈記錄和執(zhí)行設(shè)備控制指令，強化物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備權(quán)限和通信管理。最后研究了域名系統(tǒng)應(yīng)用區(qū)塊鏈的部署方案，利用區(qū)塊鏈的去中心化結(jié)構(gòu)抵抗針對中心節(jié)點的分布式拒絕服務(wù)攻擊。
關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)安全;隱私;區(qū)塊鏈
1 引言
隨著互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，部分應(yīng)用程序為了向用戶提供更精準(zhǔn)的服務(wù)，需要采集各種用戶數(shù)據(jù)[1]。海量數(shù)據(jù)呈碎片化，由不同服務(wù)提供商的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行管理。例如公民醫(yī)療信息和存儲于電子設(shè)備的數(shù)據(jù)，隱私程度較高，總量龐大且碎片化。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲和控制管理通常依賴于可信任的中央機(jī)構(gòu)，中心節(jié)點的管理缺陷或遭到攻擊可能導(dǎo)致隱私數(shù)據(jù)泄露甚至網(wǎng)絡(luò)癱瘓[2-4]。因此去中心化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能夠消除中心節(jié)點的安全風(fēng)險。網(wǎng)絡(luò)安全可以采用區(qū)塊鏈(blockchain)技術(shù)，建立一個去中心化的、由各節(jié)點共同參與運行的分布式系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)的管理，避免中心節(jié)點故障引起的網(wǎng)絡(luò)安全事故[5]。
區(qū)塊鏈?zhǔn)潜忍貛?Bitcoin)的底層技術(shù)[6]。 2013 年 12 月，以太坊的創(chuàng)始人 Vitalik Buterin 提出以太坊區(qū)塊鏈平臺，將智能合約(smart contract)應(yīng)用到了區(qū)塊鏈，使區(qū)塊鏈在數(shù)字貨幣交易之外的領(lǐng)域發(fā)揮作用[7]。區(qū)塊鏈不依賴可信任的中心節(jié)點進(jìn)行信息的存儲和更新，而是由系統(tǒng)中的所有用戶各自保存一個“賬本”，同時進(jìn)行賬本的記錄和更新。因此區(qū)塊鏈的結(jié)構(gòu)和特點為其帶來了不可篡改、可追溯、高可信和高可用的特性[8]，并開始應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域，見表 1。本文從數(shù)據(jù)管理和隱私保護(hù)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的權(quán)限和通信管理、抵抗 DDoS(distributed denial of service，分布式拒絕服務(wù))攻擊的 3 個方面，介紹區(qū)塊鏈技術(shù)在安全領(lǐng)域的應(yīng)用。
傳統(tǒng)的中心節(jié)點數(shù)據(jù)管理體系中，數(shù)據(jù)存儲于中央機(jī)構(gòu)，中央機(jī)構(gòu)的管理缺失或設(shè)備故障可能造成數(shù)據(jù)的丟失或泄露[9]。基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)管理體系采用去中心化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并且將數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)存取權(quán)限分離�；趨^(qū)塊鏈的系統(tǒng)消除了中央機(jī)構(gòu)存在的安全風(fēng)險，同時應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)的一切操作過程均被記錄，確保了數(shù)據(jù)的安全性[18]。
傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理系統(tǒng)采用中心化結(jié)構(gòu)，設(shè)備的數(shù)據(jù)和控制信息都由中心節(jié)點控制和維護(hù)，增加了中心節(jié)點的計算負(fù)載和安全問題[14,15]。引入?yún)^(qū)塊鏈，能夠構(gòu)建去中心化的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理系統(tǒng)，進(jìn)行設(shè)備的權(quán)限設(shè)置與通信控制。管理系統(tǒng)在區(qū)塊鏈的記錄之下，能夠確保設(shè)備的權(quán)限與控制記錄的完整和不可篡改[16,19]。
DDoS 攻擊者通過一系列手段，向目標(biāo)系統(tǒng)的中心節(jié)點發(fā)起大量請求，造成目標(biāo)節(jié)點或網(wǎng)絡(luò)的癱瘓[20,21]�；趨^(qū)塊鏈的系統(tǒng)能夠?qū)⑾到y(tǒng)數(shù)據(jù)分布完整存儲于多臺設(shè)備。部分節(jié)點遭到攻擊時，其余節(jié)點依然可以依靠完整的系統(tǒng)數(shù)據(jù)維持系統(tǒng)的運行。因此利用區(qū)塊鏈的分布式特點，能夠打造一個抵抗 DDoS 攻擊的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)[17,22]。
2 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)
傳統(tǒng)的中心節(jié)點數(shù)據(jù)管理體系中，數(shù)據(jù)由中央機(jī)構(gòu)進(jìn)行存儲和管理。中央機(jī)構(gòu)的管理缺失或設(shè)備故障可能造成數(shù)據(jù)的丟失或泄露�；趨^(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)管理體系采用去中心化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，能夠消除中央機(jī)構(gòu)的安全風(fēng)險。區(qū)塊鏈技術(shù)的不可篡改、可追溯的安全特性能夠應(yīng)用于大量隱私數(shù)據(jù)的管理，對數(shù)據(jù)真實性提供保證[23]。
將區(qū)塊鏈技術(shù)和鏈外數(shù)據(jù)庫結(jié)合，分離數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)權(quán)限，能夠?qū)崿F(xiàn)去中心化的個人數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)[10,11]，進(jìn)行數(shù)據(jù)和權(quán)限的管理。應(yīng)用程序訪問用戶數(shù)據(jù)之前，需要得到用戶的訪問授權(quán)。區(qū)塊鏈上記錄用戶和應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)的操作指令如圖 1 所示，例如用戶授權(quán)指令、信息存儲和查詢指令等。用戶數(shù)據(jù)被加密后存放于區(qū)塊鏈之外的分布式數(shù)據(jù)庫。當(dāng)用戶希望改變某個應(yīng)用程序?qū)δ稠棓?shù)據(jù)的授權(quán)時，進(jìn)行權(quán)限設(shè)置，將所授予的權(quán)限和數(shù)據(jù)指針記錄到區(qū)塊鏈上。應(yīng)用程序需要訪問某項數(shù)據(jù)時，發(fā)出數(shù)據(jù)訪問請求并記錄至區(qū)塊鏈。系統(tǒng)對簽名以及區(qū)塊鏈的記錄進(jìn)行檢查，確認(rèn)該應(yīng)用程序是否擁有對應(yīng)數(shù)據(jù)的訪問權(quán)限。若檢查通過，則將該操作記錄在區(qū)塊鏈，并由數(shù)據(jù)庫將數(shù)據(jù)返回給應(yīng)用程序。由于區(qū)塊鏈對應(yīng)用程序的行為進(jìn)行了完整的記錄，該系統(tǒng)中用戶可以隨時更改數(shù)據(jù)的訪問權(quán)限。數(shù)據(jù)操作過程對用戶是透明的、可審計的。用戶能夠追蹤數(shù)據(jù)，得知何種數(shù)據(jù)在何時被何種應(yīng)用通過何種方式獲取，確保數(shù)據(jù)的安全性。
數(shù)字簽名是一項用于證實某個文件或數(shù)據(jù)的完整性和來源的技術(shù)，確保文件或數(shù)據(jù)未被修改和不可抵賴�，F(xiàn)階段廣泛使用的簽名技術(shù)基于PKI (public key infrastructure，公開密鑰基礎(chǔ)設(shè)施)。 PKI 體系中，用戶使用公鑰—私鑰對進(jìn)行文件的簽名和驗證，同時需要一個可信的 CA(certificate authority，數(shù)字證書認(rèn)證機(jī)構(gòu))進(jìn)行密鑰管理[12]。若 CA 密鑰管理出現(xiàn)缺陷，失去可信度，將導(dǎo)致簽名失效，文件完整性難以保證。因此能夠利用區(qū)塊鏈不可篡改的性質(zhì)，構(gòu)造基于區(qū)塊鏈的文件簽名體系。
基于 KSI(keyless signatures’ infrastructure，無密鑰簽名架構(gòu))的簽名體系是一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的無密鑰簽名認(rèn)證體系[13]。KSI 是一種多簽名的體系，即每個時隙能夠一次性簽名多個文件。每個時隙內(nèi)，系統(tǒng)收集當(dāng)前需要簽名的所有文件各自的散列值。系統(tǒng)將散列值作為葉節(jié)點，構(gòu)建 Merkle 樹并計算獲得根節(jié)點值。系統(tǒng)將每個時隙計算得到的根節(jié)點值進(jìn)行公開，記錄于區(qū)塊鏈，分布式存儲在每個節(jié)點上。區(qū)塊鏈確保所記錄的根節(jié)點值的不可篡改性。系統(tǒng)發(fā)布了記錄著根節(jié)點值的區(qū)塊之后，文件發(fā)送者將對應(yīng)的根節(jié)點值和時間戳等信息構(gòu)造成對應(yīng)文件的簽名。發(fā)送文件時，文件發(fā)送者需要將文件與對應(yīng)的簽名同時發(fā)送給文件接收者。接收者收到文件和對應(yīng)的簽名后，需要對文件簽名進(jìn)行驗證。接收者提取出簽名中的節(jié)點信息，運行散列算法，構(gòu)建 Merkle 樹并計算根節(jié)點值。接收者計算出根節(jié)點值之后，將其與區(qū)塊鏈上存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，若二者相等則可驗證文件的完整性。KSI 體系中，散列函數(shù)的單向性以及區(qū)塊鏈的不可篡改性確保了簽名的可靠性。通過 KSI 進(jìn)行簽名的文件難以被黑客篡改，以此保證文件的完整性。
3 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的權(quán)限與通信管理
傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理系統(tǒng)采用中心化結(jié)構(gòu)，設(shè)備的數(shù)據(jù)和控制信息都由中心節(jié)點控制和維護(hù)，增加了中心節(jié)點的計算負(fù)載和安全問題[24,25]。區(qū)塊鏈技術(shù)能夠應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)建去中心化的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理系統(tǒng)，消除中心節(jié)點的安全風(fēng)險，對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的權(quán)限和設(shè)備間通信進(jìn)行有效管理[14,15]。
圖 2 是基于區(qū)塊鏈技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理體系。設(shè)備之間能夠進(jìn)行相互通信或相互控制，例如存取數(shù)據(jù)等。指令只有在設(shè)備擁有權(quán)限的情況下才能被執(zhí)行。區(qū)塊鏈上記錄設(shè)備間的通信或控制指令以及權(quán)限情況。系統(tǒng)運行的初始階段，系統(tǒng)生成所需要的密鑰以及初始區(qū)塊。由用戶定義系統(tǒng)所需的策略后，將其記錄至初始區(qū)塊。系統(tǒng)運行期間，設(shè)備之間需要進(jìn)行相互通信或控制。設(shè)備需要先得到用戶授權(quán)，才能得到系統(tǒng)分發(fā)的密鑰進(jìn)行通信或控制，確保權(quán)限安全和通信隱私。設(shè)備間的通信以及控制指令依照時間順序，記錄至區(qū)塊鏈。區(qū)塊鏈系統(tǒng)發(fā)布了記錄著指令的區(qū)塊后，設(shè)備身份和權(quán)限得到確認(rèn)，指令才能執(zhí)行。因此設(shè)備的安全性和數(shù)據(jù)的機(jī)密性、完整性、可用性能夠得到保障。該系統(tǒng)不需要中心節(jié)點進(jìn)行設(shè)備的統(tǒng)一管理，消除了中心節(jié)點的安全風(fēng)險，能夠有效抵抗 DDoS 攻擊和鏈接攻擊[26]。設(shè)備運行記錄真實有效，完整可靠，可追溯。
基于區(qū)塊鏈的模型對比基于中心的模型，訪問指令的執(zhí)行時間比增加約 50.0%，能量損耗增加約 20.6%。存儲—查詢指令的執(zhí)行時間增加約 46.8%，能量損耗增加約 19.2%。存儲周期增加約 43.5%，能量損耗增加約 14.7%[15]。引入?yún)^(qū)塊鏈會帶來額外的信息加密和散列計算的開銷，因此系統(tǒng)開銷增大，但是區(qū)塊鏈的引入消除了中心節(jié)點的安全風(fēng)險，保障了設(shè)備權(quán)限和通信的安全性[15]。
4 抵抗 DDoS 攻擊
DDoS 攻擊者通過一系列手段，向目標(biāo)系統(tǒng)的中心節(jié)點發(fā)出大量的請求，占用中心節(jié)點的計算資源或網(wǎng)絡(luò)資源，引起目標(biāo)系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)的癱瘓[20]。
傳統(tǒng)的中心化系統(tǒng)依靠中心節(jié)點提供服務(wù)，難以抵擋 DDoS 攻擊。基于區(qū)塊鏈的去中心化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能夠?qū)⑾到y(tǒng)數(shù)據(jù)分布存儲于多臺設(shè)備，不存在可攻擊的系統(tǒng)中心節(jié)點。因此，基于區(qū)塊鏈的去中心化系統(tǒng)能夠有效抵抗 DDoS 攻擊[27]。
基于區(qū)塊鏈的系統(tǒng)能夠提供分布式、無中心節(jié)點的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)完整存儲于多臺設(shè)備。區(qū)塊鏈的每個節(jié)點都具備完整的數(shù)據(jù)，并且能夠?qū)ζ渌?jié)點的數(shù)據(jù)有效性進(jìn)行驗證。即使某個節(jié)點被攻破，整個系統(tǒng)也不會完全癱瘓。依靠剩余的節(jié)點依然可以維持整個區(qū)塊鏈系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，并能夠恢復(fù)被破壞的節(jié)點的數(shù)據(jù)和功能。因此區(qū)塊鏈技術(shù)能夠用于打造一個抵抗 DDoS 攻擊的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)[27]。
將區(qū)塊鏈應(yīng)用于 DNS(domain name system，域名系統(tǒng))，能夠消除單點失敗，有效抵抗 DDoS 攻擊，保障系統(tǒng)的整體安全[28]。目前已經(jīng)提出的基于區(qū)塊鏈的 DNS 有 Namecoin、Blockstack 和 Nebulis 等。以 Blockstack 為例。圖 3 為 Blockstack 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，其主要組成部分是區(qū)塊鏈、本地數(shù)據(jù)庫和云存儲。系統(tǒng)由多個邏輯層構(gòu)成。底層為區(qū)塊鏈，記錄用戶對系統(tǒng)的操作，例如注冊和更新域名等，并記錄著區(qū)域文件的散列值。系統(tǒng)的安全性和可靠性依賴于底層區(qū)塊鏈。路由層的功能是提供區(qū)域文件散列值到區(qū)域文件路徑的映射。用戶得到底層返回的區(qū)域文件散列值后，路由層根據(jù)散列值在數(shù)據(jù)庫中查找對應(yīng)的區(qū)域文件。存儲層存放著加密的用戶數(shù)據(jù)。用戶得到區(qū)域文件后，提取出其中的目標(biāo)數(shù)據(jù)存儲路徑，存儲層根據(jù)路徑將目標(biāo)數(shù)據(jù)返回給用戶。
相關(guān)論文可參考：基于區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)
摘 要 網(wǎng)絡(luò)安全是用戶在使用互聯(lián)網(wǎng)時最為關(guān)心的問題。區(qū)塊鏈技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)安全存儲，從而保護(hù)用戶的隱私，幫助用戶解決網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險帶來的威脅。本文通過簡述當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)安全所面臨的主要威脅，并分析區(qū)塊鏈的定義和特性，進(jìn)而提出基于區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)應(yīng)用策略，從而運用這一技術(shù)減少網(wǎng)絡(luò)安全事故的發(fā)生，提高網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使用時的安全性。為對目前區(qū)塊鏈技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)安全中的應(yīng)用情況做出一個相對全面的了解，本文以基于區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)為研究對象，通過對網(wǎng)絡(luò)安全所面臨的主要威脅的分析，介紹了區(qū)塊鏈的定義和特性，并在以上探究的基礎(chǔ)上對基于區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)應(yīng)用策略進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。以此來為促進(jìn)區(qū)塊鏈技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)安全中的應(yīng)用與推廣貢獻(xiàn)上自身的一份力。
5 結(jié)束語
本文討論了區(qū)塊鏈在保護(hù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全與隱私，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理和 DDoS 防御等網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)的應(yīng)用�；趨^(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)消除了傳統(tǒng)中央機(jī)構(gòu)易遭受攻擊而導(dǎo)致數(shù)據(jù)泄露甚至網(wǎng)絡(luò)癱瘓的安全風(fēng)險，防止攻擊者對中心節(jié)點的入侵，用戶能夠完全控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的權(quán)限與使用情況�；趨^(qū)塊鏈的 KSI 體系用于文件簽名，不依賴可信的 CA 進(jìn)行密鑰管理，使攻擊者難以篡改文件與簽名�；趨^(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理系統(tǒng)將區(qū)塊鏈用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的權(quán)限和通信管理，防止攻擊者對物聯(lián)網(wǎng)的中央控制節(jié)點進(jìn)行入侵和破壞，保證設(shè)備的權(quán)限設(shè)置、通信與控制記錄的完整和不可篡改�；趨^(qū)塊鏈的 DNS 包括 Blockstack 和 Nebulis 等系統(tǒng)，利用區(qū)塊鏈的分布式結(jié)構(gòu)特點抵抗 DDoS 攻擊，并提高系統(tǒng)的吞吐量�；趨^(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)尚處于發(fā)育初期，存在挑戰(zhàn)急需解決：網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)中引入?yún)^(qū)塊鏈引發(fā)加解密計算和散列計算等計算開銷，降低了系統(tǒng)的吞吐量，增加系統(tǒng)的能耗。因此必須研究如何降低區(qū)塊鏈系統(tǒng)計算開銷。其次，區(qū)塊鏈系統(tǒng)一旦在所有節(jié)點成功運行，系統(tǒng)協(xié)議的更新例如加密算法替換將難以進(jìn)行。因此系統(tǒng)運行之后，如何快速進(jìn)行系統(tǒng)更新是未來的一個研究方向。最后，區(qū)塊鏈記錄著系統(tǒng)啟動之后所有的記錄信息，存儲成本將隨著時間增長急劇上升，因此未來需要對降低區(qū)塊鏈系統(tǒng)存儲成本的問題進(jìn)行研究。
