基于联盟链的数据溯源机制.pdf

2023 年 10 月 Chinese Journal of Network and Information Security October 2023 第 9 卷第 5 期 网络与信息安全学报 Vol.9 No.5 基于联盟链的数据溯源机制 赵守才，曹利峰，杜学绘（信息工程大学，河南 郑州 450001）摘 要：随着大数据时代的到来，数据的产生和流转速度获得空前增长。区块链技术的出现为数据的真实性验证提供了新的解决思路。随着区块链技术的发展，不同区块链间数据流转需求逐渐增加，而不同区块链间数据流转又带来了新的安全性问题，如跨链数据传递易泄露、非法访问造成数据泄露不易发现等。针对上述问题，提出一种基于联盟链的数据溯源机制。设计了跨区块链的数据溯源模型，引入私有数据管道来实现跨链数据传递的安全性，通过授权与访问日志实现对用户行为的记录，保证非法越权访问的可追溯性。为提高数据溯源查询效率，采用链上链下同步存储机制，将每次交易前的数据流转状态经加密存储至数据库，并将其索引存储在区块链交易中，从而实现链上链下数据的一一对应，同时在区块体中引入 Merkel 山脉存储区块摘要，提高区块合法性检验效率。根据数据存储形式及跨链数据交互机制，设计了数据溯源算法，并将溯源结果以有序树的形式展示。针对电商行业的跨域数据溯源场景，基于 Fabric 搭建了联盟链溯源实验环境，并采用 Go 语言模拟测试了区块数量较大、交易数量较多情况下的数据溯源性能。结果显示，随着区块高度及数据流转次数增加，数据验证及溯源效率具有显著优势。关键词：区块链；数据溯源；跨链；联盟链 中图分类号：TP391 文献标志码：A DOI:10.11959/j.issn.2096109x.2023067 Data traceability mechanism based on consortium chain ZHAO Shoucai,CAO Lifeng,DU Xuehui Information Engineering University,Zhengzhou 450001,China Abstract:With the unprecedented growth in the speed of data generation and circulation in the era of big data,the emergence of blockchain technology provides a new solution for data authenticity verification.However,with the increasing demand for data flow between different blockchains,new security issues arise.Cross-chain data transmission can lead to data leakage,and detecting data leakage caused by illegal access becomes challenging.To address these problems,a data traceability mechanism based on a consortium chain was proposed.A 收稿日期：20220901；修回日期：20230302 通信作者：曹利峰， 基金项目：中原英才计划豫组通202144 号 Foundation Item:Zhongyuan Talent Plan Yu Group Pass 2021 No.44 引用格式：赵守才,曹利峰,杜学绘.基于联盟链的数据溯源机制J.网络与信息安全学报,2023,9(5):92-105.Citation Format:ZHAO S C,CAO L F,DU X H.Data traceability mechanism based on consortium chainJ.Chinese Journalof Network and Information Security,2023,9(5):92-105.第 5 期 赵守才等：基于联盟链的数据溯源机制 93 cross-blockchain data traceability model was designed,incorporating private data pipelines to ensure the security of cross-chain data transmission.User behaviors were recorded through authorization and access logs,ensuring the traceability of illegal unauthorized access.To improve the efficiency of data traceability and query,an on-chain and off-chain synchronous storage mechanism was adopted.The state of data flow before each transaction was encrypted and stored in the database,and its index was stored in the blockchain transaction.This enables a one-to-one correspondence between on-chain and off-chain data.Additionally,Merkle trees were introduced into the block body to store block summaries,enhancing the efficiency of block legitimacy verification.Based on the data storage form and cross-chain data interaction mechanism,a data traceability algorithm was designed.The traceability results were displayed in the form of an ordered tree.An experimental environment for consortium chain traceability was built using fabric,targeting the cross-domain data traceability scenario in the e-commerce industry.The GO language was used to simulate and test the data traceability performance with a large number of blocks and transactions.The results demonstrate that with the increasing number of blocks and transactions,the proposed data traceability mechanism maintains satisfactory performance.Keywords:block chain,data traceability,across chain,consortium chain 0 引言 随着互联网技术的发展，数据创建的速度正以指数级增长。国际数据公司（IDC）预测全球的数据总量到 2025 年将会增长至 175 ZB，届时中国将以48.6 ZB的数据总量成为最大的数据圈1。海量的数据在网络中不同应用系统、组织之间共享和融合，这使得数据的生产方式和流转方式呈现出多样性、复杂性的特点2-3。在数据流转使用过程中，如何保证数据来源可信，以及对数据进行溯源追踪成为人们关注的重点4。溯源技术用来追踪产品或者数据生成、流转过程，目前被广泛地应用在电子商务、科学实验、数据追踪等领域1。目前溯源最常用的做法是在商品上附带二维码或者条形码。每经过一个环节，通过识别商品上的二维码或条形码，将生产或交易信息上传至数据中心，实现集中保存商品的溯源信息。这种传统的中心化溯源方式具有查询速度快、使用简单的优点，但同时存在易篡改和伪造的缺点，无法保证数据存储的安全性，很容易对数据的完整性造成破坏。同时，传统的数据溯源过程中，信息采集不透明将导致溯源信息可信度大打折扣。区块链技术作为一种去中心化的分布式数据账本，为数据溯源管理提供了新的解决思路5。区块链以其具有的不易篡改、去中心化、全网数据统一、方便追溯等特性得到了学术界和工业界的广泛认可6。区块链利用密码学技术来保证数据的传输和访问安全，其中每一个区块上记录的交易是上一个区块形成之后、本区块创建之前的所有活动，这种块链式结构保证了数据存储的完整性7，同时采用分布式共识算法实现数据在对等网络中的一致性8。一旦新区块完成被加入区块链，该区块中的数据将获得永久记录并且无法更改，这种机制保证了区块链上存储数据的不易篡改的特性。区块中的时间戳机制，保证了区块数据操作时间的有迹可循，从而形成一个不易篡改、不易伪造及便于溯源的可信数据库9。随着区块链项目的井喷式发展，供应链、物流及金融等领域建立各自区块链平台。数据的跨系统、跨链的流转共享使得数据溯源变得更加复杂，跨链数据溯源成为溯源数据完整性必不可少的一个重要环节10。以一次简单的网购平台购物为例，用户需要提交申请信息到网购平台，待网购平台审核后为用户创建账号。用户获取账号后，登录网购平台浏览商品，为保证商品的可靠真实性，用户能够访问商品的供应链溯源查看商品信息。待用户选定商品后，将付款信息发送给银行系统或第三方支付平台。待支付成功后，商家将货物及用户地址等相关信息提交给物流系统，同时用户或商家可对物流信息进行查询溯源。由此可以看出，一次简单的网上购物，至少需要银行系统、购物平台、商品供应链系统及物流系统之94 网络与信息安全学报 第 9 卷 间进行数据交互。针对数据在不同系统中流转带来的跨链数据溯源需求，本文提出基于联盟链的数据溯源机制，主要贡献如下。1)设计了一个基于联盟链的跨链数据交互溯源模型，通过私有数据管道来保证敏感跨链数据安全性，并通过访问与授权日志，实现数据的访问控制及数据受访的可追溯性。2)针对区块链溯源过程中逐个交易查询造成的时延，采用链上存储数据单次流转交易，链下加密存储此交易前的全部交易溯源有序树，同时在区块中引入 Merkel 山脉，提高区块合法性验证效率。3)根据数据存储形式及跨链数据交互机制，设计了数据溯源算法，并以有序树的形式展示溯源结果。1 相关工作 随着区块链技术的发展，越来越多的学者开始关注区块链技术在数据溯源领域的应用。目前人们对基于区块链技术的数据溯源研究主要集中在溯源数据存储、溯源信息安全及溯源效率等方面。1)溯源数据存储方面。樊玉琦等11为缓解区块链节点数据存储压力，提出采用纠删码对区块链数据进行编码存储，以实现数据存储代价和数据读取性能的平衡。乔蕊等12为解决物联网设备产生的大量动态数据存储与共享问题，提出了用于实现操作实体多维授权与动态数据存储的双联盟链结构，并给出了一种基于联盟链的动态数据溯源机制优化方案。Sun 等13基于双链存储机制构造了一种基于区块链的数据加密存储方案，并结合 IPFS（inter planetary file system）技术实现了电子病历的稳定存储与共享。刘炜等14通过IPFS构建了一个大容量存储空间的传染病数据共享区块链模型，保证了区块链数据溯源信息存储的稳定性。张国潮等15为解决区块链数据存储问题，提出一种基于门限秘密共享的区块链分片存储模型，缓解了单节点数据存储压力。2)溯源信息安全方面。针对数据溯源过程中存在的数据篡改、泄露等问题，贾大宇等16通过对现有的数据溯源模型及标准的扩展，提出了一种分层次的数据溯源安全模型，保证了数据溯源信息的完整性和可信性。刘耀宗等17为提高数据溯源安全，提出基于区块链的 RFID 大数据溯源安全模型，通过建立数据溯源全程链式路径，保证大数据溯源的安全管理。针对溯源数据流转过程中数据易泄露等问题，Li 等18结合多签名密钥分发及零知识证明技术设计了安全跨链体系及数据隐私保护机制，实现了溯源数据的链上链下双验证。Neisse 等19从智能合约角度出发，基于区块链构造了主体合约和逻辑合约两个数据审计和溯源模型，并评估了溯源模型的可扩展性等性能，实现了对区块链数据的安全溯源。3)溯源效率方面。余涛等20为解决区块链数据查询面临的查询功能单一、查询效率不足等问题，将 Fabric 联盟链和 MySQL 结合提出一种区块链数据的关系查询方案，提高了区块链数据溯源查询效率。Lai 等21为缩短区块链溯源查询响应时间，设计了一个独立于 Merkel 树的索引结构来支持高效的块内数据查询。刘炜等22为解决区块链查询效率低等问题，结合布隆过滤器及Merkel树提出一种面向区块链溯源的高效查询方法，在保证数据不易篡改的同时提高了区块链数据溯源查询效率。Peng 等23通过构建应用层和中间层，提出了可验证的查询结构，同时为实现区块链溯源数据的快速查询，对区块链存储数据进行了抽取重组。2 模型架构 2.1 跨链模型 基于联盟链的数据溯源结构模型如图 1 所示，图中共包含 4 条应用链。为实现数据的跨链溯源，各应用链分别包含应用链插件、授权与访问日志及跨链网关等模块。跨链中心部分除包含各应用链组织代理外，还含有用于不同链之间隐私数据传递的私有数据通道。应用链插件用于连接应用链和跨链网关，实现应用链和跨链网关之间的解耦。应用链插件按照跨链网关和应用链交互的需求确定适合跨链交互的插件接口。通过引入支持动态加载插件的方第 5 期 赵守才等：基于联盟链的数据溯源机制 95 式完成应用链接入跨链系统，同时将应用链中用于跨链操作的部分请求封装到插件中，插件可根据应用链请求，向跨链网关转发跨链系统能够识别的统一请求方式。此外，应用链插件负责将通过验证后的跨链溯源请求解析为应用链能够识别的消息格式，并将其发送到应用链数据库执行查询。授权与访问日志将不同系统区块链的授权行为和受访信息记录在相应的区块链日志上，根据区块链不易篡改等特性，任何人和组织都无法伪造授权与访问结果。通过授权行为日志追踪记录，快速溯源得到访问用户是否拥有访问权限，以此对用户的跨链访问行为做出限制，降低数据泄露的风险。访问行为日志用于记录用户跨系统、跨区块链的客体访问行为。通过授权行为及访问行为的联合溯源，判断用户访问的合法性，快速锁定用户的越权访问请求及已发生的越权访问行为。通过区块链授权与访问日志，跟踪查询用户越权等非法访问行为历史记录，以此作为用户好坏评判指标之一。同时在数据发生泄露时，能够通过授权日志与访问日志的联合溯源，快速找到数据泄露的问题所在，提升系统数据安全性。跨链网关可包含两种设计模式。一种为适合链对链的直连模式，这种模式只适用于区块链数量较少的小型跨链系统。另一种设计思想为引入中继链来进行跨链操作，这种模式适用于较多区块链间进行跨链互操作的场景。考虑到现实数据流转过程中可能涉及多系统、多条区块链间的数据信息互操作需求，本文采用第二种引入中继链的跨链网关模式，一条中继链即跨链中心的一个组织。根据功能将跨链网关分为监听模块（MM，monitor module）、路由分发模块（RDM，routing distribution module）、代理模块（AM，agent module）、同步模块（SM，synchronization mod-ule）、检查模块（CM，check module）及执行模块（PM，perform module）。跨链网关结构如图 2所示。监听模块：监听对应的系统应用链插件上提 图 1 基于联盟链的数据溯源结构模型 Figure 1 Data traceability structure model based on consortium chain 96 网络与信息安全学报 第 9 卷 交的跨链请求，对接收到的跨链请求信息检查。将通过检查的请求发送到 RDM，对未通过检查的跨链请求进行回滚操作。图 2 跨链网关结构 Figure 2 Cross-chain gateway structure 路由分发模块：由于跨链网关可以支持不同的跨链需求，RDM 可根据需要进行转换分发对象。在本文网关模式中，RDM 将接收到的来自MM 的请求信息直接发送到中继链的 AM。代理模块：相当于中继链在本网关内部的代理，负责网关内部与中继联盟链之间的跨链信息的交互与传递。同步模块：跨链交易需要共识并且打包到区块中，在同步交易时需要中继链的轻节点不断地同步更新区块的头部信息，以此获得中继链中与本网关相关的跨链交易信息。除此之外，还需要配合轻节点对跨链交易进行简单支付验证（SPV，simplified payment verification），以此来确定跨链交易的有效性。检查模块：跨链交易在中继联盟链上已经达成共识并获得签名，因此 CM 只需要检查 RDM转发而来的跨链交易是否来自中继链。CM 通过对共识签名进行检验判断当前跨链交易是否正确。执行模块：负责保证跨链交易正确地提交到应用链，并且需要返回相应的跨链交易请求回执信息。跨链交易信息通过检查后被提交到 PM。PM向应用链插件提交交易，待 PM 获得相应的执行结果后，通过回执的形式再返回给 RDM。2.2 数据存储模型 传统的数据信息在进行存储时，大多采用集中式的数据库。在这种存储方式中，数据拥有者可以不留痕迹地修改数据信息，数据易遭受篡改和伪造的特点，大大降低了溯源数据的可信性24。此外，传统的中心化数据存储模式中，数据存在误删及泄露的风险，并且在数据发生泄露时不易察觉，通常在发现数据泄露时，已经造成大量的数据泄露。区块链作为大型分布式账本，其不易篡改、去中心化、全网数据统一等特性与数据溯源要求不谋而合。但将区块链技术用于数据存储仍存在一定问题。当数据发生多次流转时，对数据流转状态的溯源查询需要对全链遍历，这将增加溯源时延，很难满足企业溯源业务的要求。此外，区块链中提供了 Merkel 树进行区块内数据的快速验证，但对于区块的验证则需要根据区块哈希摘要逐个追溯验证。针对用户快速溯源需求，本文将区块链技术与关系型数据库结合设计，数据存储结构如图 3所示。每个区块包含区块头和区块体两部分内容，区块头中包含前区块哈希、Merkel 树的根哈希值MTR等区块信息，为实现区块的快速验证在已有的区块头信息基础上加入了 Merkel 山脉的根哈希值MMRR。在区块体中加入了图 3 虚线框所示的 Merkel 山脉以及关系型数据库。其中，关系型数据库用于加密存储数据流转的历史过程，区块链用于存储单次的流转交易。将每次的数据流转作为一次交易存储在区块体Merkel 树叶节点中，同时将当前版本数据的溯源有序树（ordered tree）经加密后存储在数据库中，并将其数据库索引存储在交易中，用于溯源过程中对数据流转历史的快速查询。考虑到当前区块链数据验证大多针对区块内数据验证，当对不同区块合法性验证时，通常需要根据区块头中的前区块哈希值进行逐一区块验证。当需要验证的区块与最新区块距离较远时，其查询复杂度将达到()O N。为解决区块验证时延问题，在区块体中引入Merkel山脉，并将Merkel山脉根的哈希值MMRR存入区块头。Merkel山脉用来存储当前区块之前所有区块的区块头哈希值，来实现区块合法性的SPV。第 5 期 赵守才等：基于联盟链的数据溯源机制 97 2.2.1 数据存储 本文的数据存储结构中，数据流转信息以交易的形式存储在区块链中，同时将此交易之前的该数据的所有流转演变信息进行加密存储在数据库中，并将其哈希摘要索引存储到当前区块交易中。当需要溯源时，只需在当前交易索引对应数据库中读取数据流转信息，并加入当前交易时间至溯源时间内新的流转演变信息即可得到完整的流转信息。区块链交易与数据库存储一一对应，并具有数据库查询索引功能，实现一种链外状态缓存，即使数据丢失也不会对区块链数据造成影响。其加密存储与查询共包含初始化参数、生成密钥、加密及解密4个过程，具体步骤如下。1)初 始 化 参 数Setup(1)k。取 安 全 参 数*kZ，1G是阶为素数q的循环群，其生成元为P。双线性映射e：112GGG，(,)ge P P，哈希函数*1:0,1qhZ，*22:0,1hG。选择随机数1s,2s，并计算其对应公钥11Ps P，22Ps P。将参数121212parameter,q P G G e g h h P P对外公开。2)生成密钥12IDKeygen(parameter,)sks s。用户根据数据访问原则，将允许访问的用户身份存入授权日志区块链中，然后根据可访问用户身份*ID0,1，计算出ID1(ID)hh，并计算出对应密钥。IDID1ID211sk,PPhshs 3)加密Encrypt(parameter,)MC。用户将系统中的明文数据信息*0,1M 进行加密存储到数据库中，并将其哈希摘要索引存入区块链Merkel树。计算*ID1(ID)0,1hh，选择随机数3123(,)pr r rZ，计算出密文1234(,)CC C C C，满足 11ID1()Cr h PP 22Cr P 33ID2()Cr h PP 3422(|)()rCrMh g 4)解密IDDecrypt(parameter,sk)CM。溯源访问请求到达目标区块链后，智能合约通过授 图 3 数据存储结构 Figure 3 Data storage structure 98 网络与信息安全学报 第 9 卷 权日志查看用户是否拥有访问权限，待验证通过后获得解密密钥IDsk，并计算 4232ID21(,)|Ch eP CrMhs 最后验证22Cr P，若成立则获取明文M。2.2.2 数据验证 在已有的区块结构中，人们通过Merkel树来实现对区块中已存储交易的合法性快速验证。然而，对于区块的合法性验证，则需要从当前最新区块逐步溯源至创世区块才能验证区块链中的每一个区块是否合法，造成了极大的时间浪费。为实现数据的快速验证，Bunz等25提出采用基于Merkel树改进的数据结构（即Merkel山脉）来进行数据的高效验证。Merkel山脉中数据结构和Merkel树中数据结构类似，每一个非叶子节点的值都是左右两个非叶子节点值之和。其区别为Merkel树为一棵完美的二叉树，而Merkel山脉是若干棵完美二叉树的组合。在Merkel山脉中追加数据只需在已有数据的基础上进行添加，而无须对已有的数据进行修改，从而实现数据添加的便利性。利用Merkel山脉特点，将区块链中的每一个区块作为叶子节点并计算其哈希值，采用当前区块之前的所有区块信息构建Merkel山脉，可以有效提高区块链验证时间。Merkel山脉结构如图4所示，每个区块中的Merkel山脉需要存储此区块之前的所有区块的哈希值信息。图 4 Merkel 山脉结构 Figure 4 Structure of the Merkel mountains 例如，当需要验证第5个区块是否合法时，采取以下步骤。Step 1：根据第5个区块中的数据信息计算出区块哈希值H(5)。Step 2：获取当前最新区块中区块5的邻居节点H(6)，并计算出H(5-6)hash(H(5)&H(6)。Step 3：计算Merkel山脉根节点MMRR=hash(H(1-4)&H&(5-6)H(7)。Step 4：比较MMRR与当前最新区块中Merkel根的MMRR是否相等，若相等则区块合法，否则不合法。3 数据溯源 3.1 私有数据管道 针对敏感数据在联盟网络中传播带来的安全性问题，在物理数据通道的基础上提出私有数据管道，用来满足更小范围内有数据流转交易的隐私需求。在通道内部发送的交易数据信息只有属于通道内的成员才能够查看，可以将通道看作联盟链网络内部的一个私有通信子网。然而，在由各应用链系统组成的联盟链网络中，不同应用链之间均可能存在数据交互，若每次交易均建立一条通道，则不仅为网络管理带来负担，而且通道性能无法得到充分利用。为此，在数据通道的基础上，设立私有数据管道机制。私有数据管道存在于通道内部，作为一个更小的数据集传递通路，它通常负责资产转移或重要敏感数据的传递。数据通道结构如图5所示。图 5 数据通道结构 Figure 5 Data channel structure diagram 其中，每个组织中包含多个节点用户，不同通道之间彼此物理隔离，避免了数据信息在整个联盟网络中的公开透明，在物理逻辑上实现数据隔离，不同应用链间溯源数据通过通道进行传递。私有数据管道能够实现同一通道中不同节点对溯源数据的隐私性要求，保证不同应用链、不同节点的溯源数据在通道中传递的安全性。同时，通道数量并非越多越好，引入通道策第 5 期 赵守才等：基于联盟链的数据溯源机制 99 略，在方便数据传递的同时，增加了网络的管理成本，当通道数量过多时，网络管理成本过高，导致性能下降。同样，对于单个通道来说，其内部私有数据管道虽然可以在一定程度上保护数据隐私，但单个通道内私有数据管道数量过多，将增加通道在管理私有数据管道时的成本，从而降低通道性能。如果单个通道内私有数据管道数量过少，又将导致数据通道无法得到充分利用，降低使用效率。数据通道参数如表1所示。表 1 数据通道参数 Table 1 Data channel parameter 符号 含义 1N 通道数量为1N时，网络效率最高（1N2N）2N 通道数量超过2N时，网络效率将低于最低通道数量时的效率 1M 单通道内私有数据管道数量为1M时，数据传递效率最高（1M2M）2M 单通道内私有数据管道数量超过2M时，数据传递效率将低于单个私有数据管道 1P 需要建立跨链交易的集合 2P 为跨链交易所需的目标链集合（与集合1P一一对应）私有数据管道创建如算法1所示。算法 1 私有数据管道创建 输入 1p,2p，其中11pP，22pP 输出 私有数据管道 1)If1p,2p所处通道集合有交集 2)channelID取交集中管道数量最少的通道编号 3)Else 4)channelID取1p、2p所处通道集合中管道数量最少的通道编号 5)End if 6)IfchannelID中管道数量小于1M 7)在channelID中创建1p、2p的管道 8)Else ifchannelID中管道大于1M且小于2M 9)If系统管道数量小于1N 10)为1p,2p创建新通道、管道 11)Else 12)在channelID中创建1p、2p管道 13)Else 14)If系统管道数量小于2N 15)为1p、2p创建新通道、管道 16)Else 17)在channelID中创建1p、2p管道 18)End if 3.2 跨链溯源流程 基于联盟链的数据溯源流程如图6所示，共 图 6 基于联盟链的数据溯源流程 Figure 6 Flow of data traceability based on consortium chain 100 网络与信息安全学报 第 9 卷 包含数据管道创建阶段和跨链数据溯源阶段。各阶段步骤如下。第一阶段为数据管道创建阶段。Step 1：溯源请求用户通过所在区块链发起跨链请求，其消息格式为request,UID,SBID,UIDTBID,DID,timestamp,H。其中，UID为请求用户的身份信息，SBID为请求用户所在区块链编号，TBID为目标区块链编号，H为溯源数据所在区块高度，DID为溯源数据索引，timestamp为时间戳，UID表示请求者的签名。Step 2：请求用户所在区块链对应的插件将用户请求消息进行解封装，将消息封装为联盟链系统能够识别的消息格式。Step 3：跨链网关解析请求消息，经检验签名等信息无误后，转发至联盟链网络。Step 4：联盟链收到消息后，将请求消息解封装后，构建权限验证消息，其格式为verify,UID,SBID,TBID,DID,timestamp,H。其中，为联盟链网络成员共识签名。Step 5：目标链网关监听到发给该链的消息并检查后，将验证消息转发给目标链插件。Step 6：应用链插件收到验证消息后，将消息解封装成目标链能够识别的格式。Step7：通过查看目标链中的授权日志，检查请求用户对请求数据是否拥有查询权限，并将结果返回给联盟链网络。Step 8：若拥有权限，则根据请求者和数据所有者所处通道情况，创建私有数据传递管道，并将管道信息发送给对应用户，消息格式为result,SUID,SBID,TUID,TBID,channel,pipe,timestamp,。若无权限，则返回给请求者，溯源结束。其中，SUID表示请求者身份，SBID表示请求者所在区块链编号，TUID表示数据所有者身份，TBID表 示 数 据 所 有 者 所 在 区 块 链 编 号，channel表示私有管道所在通道，pipe表示新创建的私有数据管道。第二阶段为跨链数据溯源阶段。Step9：溯源请求用户通过私有数据管道发起溯源请求，消息格式为,。接下来，类似第一阶段，经应用链插件及跨链网关转发请求后到达目标区块链。Step 10：请求用户首先对溯源数据的最新交易进行验证，并获取最新交易；然后根据最新交易对应区块交易中存储的哈希索引查找到数据库中的数据流转信息；最后将当前区块中该数据的最新流转信息加入已有的流转信息中，得到最终的完整流转溯源信息。Step 11：将完整的溯源数据流转信息通过私有数据管道返回给溯源请求者，溯源结束。3.3 溯源算法 根据数据存储模型，在每次数据交易时，与此交易索引对应的数据库中存储此交易前的数据溯源有序树。数据溯源有序树结构如图7所示。树中每个节点代表一种数据状态，数据状态中包含数据的授权、访问及所在区块等信息。树根节点表示原始数据状态，其余每个节点都表示由父节点经某种变化演变而来的数据状态。同一父节点的子节点之间，按照数据变更交易时间从左至右进行排序。图 7 数据溯源有序树结构 Figure 7 Structure of data traceability ordered tree 图7中节点1.3.2表示由1.3数据状态发生某种数据变更交易后得到的新的数据状态，在此交易对应的数据库中存储此交易前的数据状态有序树。进行数据溯源时，只需在区块链交易对应数据库中存储的有序树基础上，从根节点开始依次查询添加1.3.2数据状态交易时间至溯源时间之间新增加的授权、访问及数据变更等事务。采用广度优先的方式在已有的有序树上添加新的交易事务，得到当前时期数据的完整溯源结果。数据溯源如算法2所示。算法 2 数据溯源 输入 区块链账本，溯源数据D 第 5 期 赵守才等：基于联盟链的数据溯源机制 101 输出 溯源结果orderedTree 1)stategetLatestTx(D)/查询有关数据D的最新状态信息 2)orderedTreequery from state.Database/获取数据流转有序树 3)treeRootState=orderedTree.rootState/获取原始数据 4)queue.enqueue(treeRootState)/将原始数据状态加入队列 5)while(!queue.isEmpty)6)temState=queue.dequeue()7)If temState.newAuthorizeSet/存在新授权信息 8)AddnewAuthorizeSet into Authori-zeSet 9)Set newAuthorizeSet=10)End if 11)If temState.newAccessSet/存在新访问信息 12)AddnewAccessSet into AccessSet 13)Set newAccessSet=14)End if 15)If temState.newTX/存在新交易 16)Foreach newState in temState.newTX 17)Insert(temStaterightChild,newS-tate)/将新交易加入有序树 18)Set temState.newTX=19)End foreach 20)End if 21)Foreach childState in temState 22)Queue.enqueue(childState)23)End foreach 24)End while 25)Return orderedTree 4 实验分析 4.1 安全评估（1）可信性分析 利用区块链对数据信息进行存储，区块链中的Merkel树用来保证数据信息的可信性。首先锁定交易所在区块，在区块体中获取交易Merkel树，当需要验证某一交易是否被篡改时，只需根据该交易中存储的交易信息计算哈希值，然后与相邻子树或叶子节点的哈希值进行合并得到上一层新的子树哈希值。重复步骤最终得到所有交易的根哈希值（即Merkel树根哈希），存入区块头中，一旦交易内容发生改变，则所有上层子树的哈希值必将改变，最终导致根哈希值改变，验证失败。因此，用户可以轻松验证数据信息是否发生了恶意篡改，利用区块链技术可进一步提高溯源数据的可信性和真实性。（2）数据安全性分析 首先，在联盟链通道中引入了私有数据管道，不同通道之间彼此物理隔离，避免了数据信息在整个联盟网络中的公开透明，在物理逻辑上实现了数据隔离。其次，在通道内部划分私有数据管道，提供更小范围内数据的共享，用户可在私有数据管道内进行数据的加密传输，保证信息仅在交易用户双方之间实现共享，可灵活地根据用户的溯源需求对私有数据管道设定权限，有效地保证数据在传递过程中的隐私与安全。此外，通过为每条区块链设置授权日志，可对用户的访问行为做出限制，防止非法用户获取密钥查询数据造成隐私泄露。同时通过访问日志记录的数据，对用户的访问行为进行分析，当发生数据泄露时，通过溯源查询，可及时锁定恶意用户，并进行追责。（3）可用性分析 不同应用链的结构通常不相同，为简化不同结构应用链间适配问题，本文引入了应用链插件。将需要在应用链上具体操作的部分全部封装到应用链插件中，满足不同架构应用链交互需求。在区块体中加入Merkel山脉，使得数据溯源过程中不必遍历所有的区块验证是否遭到篡改，只需要根据Merkel山脉中各完美二叉树的哈希值及山脉根哈希值即可验证，有效缩短了区块链数据验证时间。4.2 应用测试 为测试本文提出的溯源机制性能表现，本节主要在联盟链跨链溯源可行性、区块构建、溯源效率以及联盟链通道的交易吞吐量等方面对溯源机制性能进行实验分析。实验环境：处理器为Intel 102 网络与信息安全学报 第 9 卷 Core i7-7700H 3.60 GHz，内存为16 GB，以及64位CentOS Linux 7操作系统。本节基于Fabric 2.0搭建了联盟链跨链溯源实验环境，设置3个组织，每个组织包含5个节点，共15个节点。节点参数配置如表2所示。表 2 节点参数配置 Table 2 Node parameter configuration table 组织 节点 端口号 加入通道 org1 peer0.org1 7051 channel1 peer1.org1 7052 channel1 peer2.org1 7053 channel1 peer3.org1 7054 channel1 peer4.org1 7055 channel1 org2 peer0.org2 9051 channel2 peer1.org2 9052 channel2 pe