基于区块链的森林火灾档案数据共享方案

于简宁 薛伟 张华超 朱梦龙 纪文跃

摘 要：針对传统森林火灾电子版档案数据中心化存储方式存在的数据泄露及数据难以共享问题，提出一种基于区块链技术的森林火灾档案数据共享方案。该方案融合区块链技术与星际文件系统（Interplanetary file system，IPFS），基于Hyperledger Fabric平台构建区块链网络，将完整的森林火灾档案数据经对称加密上传至IPFS网络，将生成的数据摘要信息经非对称加密上传至区块链网络，并在数据通信过程中采用代理重加密算法对其加密以确保数据安全。加密测试结果表明，经对称加密算法加密20 M火灾数据时比非对称加密算法快59.3 ms;通过数据存储试验数据发现，将20 M火灾数据上传至IPFS网络耗时4.117 5 ms;系统性能测试结果显示，基于区块链技术的森林火灾数据共享方案对森林火灾数据的查询上限为300 TPS。该方案在保证系统效率的前提下可实现森林火灾数据不可篡改性存储，且可通过增加网络中节点数量实现扩大森林火灾数据共享范围的目的。

关键词：森林火灾档案数据;区块链;星际文件系统;代理重加密;数据共享

中图分类号：S762    文献标识码：A   文章编号：1006-8023（2022）03-0095-11

Forest Fire Archives Data Sharing Scheme Based on Blockchain

YU Jianning1， XUE Wei1*， ZHANG Huachao1，2， ZHU Menglong2， JI Wenyue1

（1.College of Engineering and Technology， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China;

2.Baihe Forestry Bureau of Jilin Province， Yanbian 133613， China）

Abstract：To solve both problems of data leakage and sharing difficulties in the method of centralized storage of traditional electronic forest fire archival data， this paper puts forward a sharing scheme for forest fire archival data based on block chain technology. Combining block chain technology and interplanetary file system （IPFS）， the scheme establishes a block chain network based on the Hyperledger Fabric platform， uploads complete forest fire archival data to the network of IPFS after symmetrical encryption and generated data summary information to the block chain network after asymmetric encryption， and adopts proxy re-encryption algorithm to encrypt the generated information in order to ensure data security in the process of data communication. The results of encryption tests show that the symmetric encryption algorithm can encrypt 20 M fire data 59.3 ms faster than do the asymmetric encryption algorithm; according to the data of data storage tests， it can be found that it takes 4.117 5 ms to upload 20 M fire data to the network of IPFS. The results of system performance tests show that the sharing scheme for forest fire archival data based on block chain technology has a query ceiling of 300 TPS for such data. On the premise of ensuring the efficiency of system， the scheme can realize the immutable storage of forest fire data and the purpose to expand the sharing scope of such data through the increase of nodes in the network.

Keywords：Forest fire archives data; blockchain; interplanetary file system （IPFS）; proxy re-encryption; data sharing

0 引言D770F526-4E7B-4DF7-A479-C45A26C7C449

森林火灾数据包含基础地理数据、防火专题数据和火灾档案数据，其中，火灾档案数据是根据林火发生、蔓延、扑救、熄灭以及火灾调查、分析和火案处理的原始记录整理、编制而成的规范性文件，可作为森林火灾发生规律的研究资料和灾后损失评估的根本依据[1]。目前，电子版森林火灾档案数据管理存在诸多问题，可分为以下两方面：第一，各省份间档案数据存储较为分散，不能有效实现共享，各省份内部档案集中式存储，容易因中心数据库宕机导致数据丢失;第二，档案数据存储方式的安全性较低，存在数据泄露及被恶意篡改的风险。

区块链（Blockchain）是互联网信息领域的新兴技术，也是一种分布式的共享信息存储技术，具有去中心化、公开透明、安全加密、可信任、可追溯和防伪造等特征。代明睿[2]在铁路数据汇集共享体系架构研究中引入区块链技术，既解决了大数据上链带来的低吞吐高延迟问题，又从数据汇集、数据审计、权限管理和数据共享等方面提出了技术解决途径。张驰等[3]将区块链技术用于海洋数据共享服务，有效地防止了海洋物联网中任何单一节点设备被恶意攻击后所带来的信息泄露，以及恶意操作的风险，且保证了数据分析结果的正确性。钟玮琦等[4]将区块链技术用于城市消防系统，利用其数据不可篡改的特点为火灾发生的责任归属问题提供了准确的数据保障。高利等[5]提出全新的数字化古籍管理区块链体系模型代替传统中心化古籍数据库的管理形式，保证了数据存储安全和数据可追溯性。张利华等[6]采用双联盟链实现电力数据共享，解决了电力数据仅在电力专网内流通的“数据孤岛”现象。李萌等[7]将区块链技术用于车联网数字取证系统，在保证数据提供者和数据访问者隐私的前提下实现了车联网数据安全共享。刘发升等[8]提出一种融合双区块链的数据存储和查询方案，一条链用于存储多人的实时征信数据，另一条链用于存储个人的征信报告，不仅可保证机构对征信数据的实时采集，而且能快速自动生成个人的征信报告，避免了个人征信数据在征信查询过程中的隐私泄露、篡改和伪造风险。谭朋柳等[9]、Dey等[10]将区块链技术与医疗信息物理融合系统（Medical Cyber Physical System，MCPS）架构相融合，实现医疗数据可追溯的同时也保证了数据不可篡改的特性，使得MCPS在数据传输和存储方面变得更加智能安全。

区块链是一种按照时间顺序将数据区块以顺序相连方式组合成的链式数据库，是以密码学方式保证不可篡改和不可伪造的分布式账本，根据自身应用场景不同，区块链可划分为公有链、私有链、联盟链3种形式，其中联盟链具有交易速度相对较快、数据中心化程度相对较低的特点。本研究将联盟区块链技术融合到森林火灾档案数据管理系统中，提出一种基于区块链的森林火灾档案数据共享方案（Forest fire archives data sharing scheme based on blockchain technology，FFABC），该方案将联盟区块链技术与星际文件系统（IPFS）相融合，基于Hyperledger Fabric平台构建区块链网络，IPFS存储完整的森林火灾档案数据，联盟区块链存储经非对称加密的档案摘要信息，利用智能合约设置相应的访问控制条件，并通过代理重加密算法[11-15]更改密文加密方式，从而实现联盟内节点数据共享。

1 基于区块链技术的森林火灾档案数据共享方案架构设计

FFABC主要实现森林火灾档案数据的上传、存储和共享3种功能，森林火灾档案数据包括林火原始记录（Fr）、火场示意图（Sd）、火场态势图（Sm）[16]、火场前指文件（Cd）、火场调查报告（Ir）、照片影像资料（Pd）、气象资料（Md）、林火扑救文件资料（Fd）和火案分析及评估（Ce），需要存储的数据量较大，因区块链的分布式特性，不适用于大数据存储，故采用链下数据存储、链上摘要存储的方式。 FFABC架构主要由县级防火办[17]、市级防火办、星际文件系统、监管中心和省级森林防火指挥中心5个实体组成，如图1所示，其中县级防火办、市级防火办、省级森林防火指挥中心为联盟链内节点，具体架构分析如下：①县级防火办（Country）负责森林火灾档案数据的归纳整理并对案卷进行编制和上传操作;②市级防火办（Municipal）负责具体数据链下存储和摘要信息链上上传;③IPFS存储森林火灾档案具体数据;④监管中心（Supervisory Center，SC）充当可信第三方机构，内置代理重加密服务器以实现数据信息重加密;⑤省级森林防火指挥中心（Command-center）收集省内森林火灾档案索引信息并进行备份，充当联盟链内主节点。

2 基于区块链技术的森林火灾档案数据共享系统运行

由图2可知，县级防火办归纳整理森林火灾档案数据编制命名，采用哈希运算生成数字摘要后经非对称加密[18-19]对其进行签名，并将签名的数字摘要与完整的森林火灾档案数据发送至市级防火办。市级防火办验证成功后进行档案数据链下存储和摘要信息链上存储，从而实现联盟链内各节点共享森林火灾档案数据的目的。

2.1 联盟区块链网络搭建及配置信息设计

县级防火办、市级防火办、监管中心和省级森林防火指挥中心均需生成自身公私钥及证书文件，该文件中A市防火办节点配置信息如图3所示。FFABC利用cryptogen命令指定crypto-config.yaml文件生成证书文件，在Configtxgen模块下Configtx. yaml文件中包含了创世块以及通道信息，具体配置信息如图4所示。

基于上述配置文件完成联盟区块链网络搭建，并對生成的密钥证书文件进行整理，见表1。市级防火办将自身的公钥信息、选取的椭圆曲线E及相应基点G（x，y）分别发送至所管辖的县级防火办。

2.2 森林火灾档案数据上传及IPFS存储

2.2.1 档案数据上传

下文涉及的公式符号及意义见表2。D770F526-4E7B-4DF7-A479-C45A26C7C449

县级防火办A1-Country：归纳整理森林火灾原始记录数据dFr、火场示意图dSd、火场态势图dSm、火场前指文件数据dCd、火场调查报告数据dIr、照片影像资料数据dPd、气象资料数据dMd、林火扑救文件资料dFd、火案分析及评估数据dCe，采用《森林火灾名称命名方法》命名火场名称，采用《中国森林火灾编码》编制火灾编码， 根据《档案编制规则》将案卷号

统一整理为森林火灾档案数据集DATA（公式中用DATA表示）。运用哈希算法生成数字摘要并利用自身私钥对其进行签名，记为Sg_A1-Country。利用市級防火办A-Municipal的公钥经椭圆曲线加密算法[20-21]加密该签名，记为EPK_A-Municipal-S。加密过程如下：选取随机数α并计算α×G（x，y）得F（x，y），将Sg_A1-Country通过编码生成消息p并将其编码至曲线E上得点γp（x”，y”），采用椭圆曲线乘法对随机数α和市级防火办公钥PK_A-Municipal进行运算得α×PK_A-Municipal，采用椭圆曲线加法计算点L（x”，y”），将DATA、F（x，y）、L（x”，y”）发送至A-Municipal级防火办。

DATA={dFr||dSd||dSm||dCd||dIr||dPd||dMd||dFd||dCe}。（1）

HASH_DATA=H（DATA）。（2）

Sg_A1-Country=Sign_SK_A1-Country（HASH_DATA）。（3）

EPK_A-Municipal-S：

F（x，y）=α×G（x，y）。（4）

pencodeγp（x”，y”） 。

L（x”，y”）=γp（x”，y”）+α×PK_A-Municipal。（5）

市级防火办A-Municipal：收到上传数据后，使用自身私钥解密获取编码点γp（x”，y”），通过解码得到数字签名，利用A1-Country的公钥进行档案来源性验证，通过解码最终得到一个哈希值，采用哈希算法对上传的数据集DATA进行运算得到另一个哈希值，记为HASH_DATA 2。将二者哈希值进行对比分析，若不一致，证明档案曾被恶意篡改，则放弃该档案数据;若一致，则备份Sg_A1-Country用于后续摘要信息上传。考虑到非对称加密算法对大数据的加密时间较长，市级防火办A-Municipal采用对称密钥加密火灾档案数据包，记为DATA_A-Municipal。将对称加密密钥EK、经县级防火办A1-Country私钥签名的数字摘要Sg_A1-Country、市级防火办自身数字证书Cert_A-Municipal、时间戳Timestamp整合打包后使用自身公钥对其进行非对称加密生成基础数据信息包，记为Information，并与DATA_A-Municipal整合生成为Message数据包并将其发送至IPFS，具体过程如下：

γp（x”，y”）=L（x”，y”）-SK_A-Municipal×F（x，y）。（6）

γp（x”，y”）decodeSg_A1-Country。

HASH_DATA=De_PK_A1-Country（Sg_A1-Country）。（7）

HASH_DATA2=H（DATA）。（8）

HASH_DATA=HASH_DATA2。

Information=E_PK_A-Municipal（EK||Sg_A1-Country||Cert_A-Municipal||Timestamp）。（9）

Message=Information+DATA_A-Municipal。（10）

2.2.2 数据IPFS存储

FFABC采用IPFS私有网络存储档案数据，一方面可解决区块链网络不适用于大数据存储的问题，另一方面可去除冗余数据实现精简存储。市级防火办A-Municipal发送Message数据包至IPFS，IPFS将数据包分割成定量的数据存储块，利用基于内容的哈希算法计算各数据块的哈希值，并将数据块发送至相应存储节点，具体过程如图5所示。

将各区块哈希值整合再进行一次哈希运算，生成最终的文件哈希索引，记为HASH_INDEX_ADDRESS。IPFS将HASH_INDEX_ADDRESS返回至市级防火办A-Municipal，完成森林火灾档案数据的IPFS存储，结果如图6所示。

2.3 摘要信息上链

市级防火办A-Municipal接收到来自IPFS反馈的HASH_INDEX_ADDRESS后，证明数据已成功存储于IPFS中，下一步即进行摘要信息上传操作。将森林火灾档案数据进行简化处理，其内部图片数据以IPFS反馈的哈希索引形式上传，简化处理后的档案数据文件以森林火灾档案案卷号命名。将档案案卷号、备份的数据摘要、IPFS反馈的哈希索引、防火办的数字证书整合打包生成摘要信息，记为Metadata。利用市级防火办A-Municipal的私钥对摘要信息进行数字签名，通过调用链码将其上传至联盟区块链网络内，待联盟区块链网络验证其身份后实现进一步数据共识操作。摘要信息上传格式为Sign_SK_A-Municipal（Metadata）具体信息内容如下：

Metadata={档案案卷号||Sg_A1-Country||HASH_INDEX_ADDRESS|| Cert_A-Municipal}。（11）

2.4 数据区块共识

FFABC采用实用拜占庭容错算法（practical byzantine fault tolerance，PBFT）解决数据区块一致性问题。联盟区块链网络通过修改yaml文件静态指定省级森林防火指挥中心为主节点，市级防火办为从节点，具体共识过程如下。D770F526-4E7B-4DF7-A479-C45A26C7C449

步骤1：主节点收集各从节点上传的摘要信息并将其整合生成一个数据区块，记为Set_Metadata，附上主节点的数字证书、数据区块的哈希值、主节点的数字签名以及时间戳发送至各从节点以备验证，具体格式如下

Set_Metadata=Metadata1+Metadata2+…+MetadataN。（12）

HASH_Metadata=H（Set_Metadata||Timestamp）。（13）

Sg_Command-center=Sign_SK_Command-center（Set_Metadata||HASH_Metadata）。（14）

Command-centerL（A～N）-Municipal。

L={Cert_Command-center||HASH_Metadata||Sg_Command-center||Timestamp}。（15）

步驟2：从节点收到主节点发送的数据区块后，对数据区块格式及合法性进行验证，并利用自身私钥对审核结果进行数字签名以证实该数据区块已被审核，将带有审核结果的数据区块发送至其他各从节点，完成从节点相互核验。

步骤3：从节点收到其他各从节点审核结果，与自身审核结果对比分析后向主节点发出反馈信息，其反馈信息由该节点自身审核结果、收到的其他各节点审核结果以及对比分析结果3部分组成，并附上该节点数字签名。

步骤4：主节点收到所有从节点发送的反馈信息后一一查验审核结果，如果从节点均赞同该数据区块上链存储，则主节点将数据区块、审核该数据区块的从节点数字证书、数字签名整合打包发送至所有从节点进行备份，完成数据区块共识;若部分从节点反馈否定结果，则主节点将该数据区块再次发送给该部分节点进行二次审核，审核后再反馈至主节点。主节点整合该部分节点上传的审核结果，若否定的审核结果数量小于总节点数量的1/3，则按审核通过处理，主节点发送数据区块至各从节点完成数据区块共识。具体共识流程如图7所示。

2.5 数据共享

联盟链内各节点采用点对点传输模式完成节点间的数据传输。上传者利用自身私钥对区块进行签名，并通过链码设置公开访问的时间及访问的数据范围，这些限制条件会以点对点网络模式部署在联盟链的各节点间，访问者需遵循限制条件进行数据访问。A-Municipal将档案数据上传至IPFS，摘要数据存储于联盟区块链网络中且将访问限制条件部署于联盟内各节点。C-Municipal若想抽取该档案，首先应从联盟链内提取摘要信息并向A-Municipal发送数据访问申请，其中包括C-Municipal的数字证书、公钥信息以及待请求信息的IPFS哈希索引地址，待验证成功后A-Municipal根据所提供的哈希地址在IPFS中下载完整数据。A-Municipal使用自身私钥和C-Municipal的公钥生成重加密密钥rk_（A→C），将Information数据包和重加密密钥打包，利用监管中心的公钥进行加密后发送。监管中心收到数据包后使用自身私钥解密获取信息，并使用重加密密钥生成重加密密文CK，并将其发送至C-Municipal完成数据共享，具体传输过程如下。

C-Municipal：

BlockchainSign_SK_A-Municipal（Metadata）C-Municipal。

De_PK_A-Municipal[Sign_SK_A-Municipal（Metadata）]=HASH_INDEX_ADDRESS。（16）

Data_request=E_PK_A-Municipal（Cert_C-Municipal||HASH_INDEX_ADDRESS||PK_C-Municipal）。（17）

C-MunicipalData_requestA-Municipal。

A-Municipal：

A-Municipal HASH_INDEX_ADDRESSInformationIPFS 。

rk_（A→C）=ReKeyGen（SK_A-Municipal，PK_A-Municipal）。（18）

A-MunicipalE_PK_SC[rk_（A→C）||Information]SC。

SC：

CK=ReEnc[rk_（A→C）||Information]。（19）

SCCK、DATA_A-MunicipalC-Municipal。

C-Municipal：

EK=D_SK_C-Municipal（CK）。（20）

式中：ReKeyGen（）为重加密密钥生成算法;ReEnc（）为重加密密文生成算法。

3 系统测试与结果分析

3.1 系统测试

FFABC开发环境如下：操作系统为Ubuntu16.04.4，CPU为Inter（R）Core（TM）i7-11370H@3.30 GHz，内存为16 GB，Fabric版本为1.4.4，node版本为8.11.4，npm版本为5.6.0，基于此设备搭建区块链网络平台。该方案利用cryptogen命令指定crypto-config.yaml文件生成证书文件，利用configtxgen命令生成创世块及通道文件，基于配置文件生成1个Orderer组织和3个Peer组织并完成区块链网络搭建。根据IPFS反馈的哈希值生成数据摘要并上传至区块链网络完成档案数据存储，其上传界面如图8和图9所示。

3.2 性能分析

3.2.1 系统存储性能

FFABC搭建IPFS私有网络存储森林火灾档案数据，不仅在存储方式上保障了数据安全，而且通过IPFS反馈的哈希值上传至区块链网络实现数据压缩，进一步提升了系统存储性能。该方案基于Hyperledger Fabric平台对交易大小进行配置，固定每条交易为512 kB，且设置IPFS数据分片大小为256 kB。由表3可知，将IPFS反馈的哈希值存储于区块链网络可有效扩展数据存储空间。D770F526-4E7B-4DF7-A479-C45A26C7C449

对IPFS上传速率进行相应测试，由图10可知，FFABC在实际应用中可保障数据上传速率。

3.2.2 方案比较

将FFABC与部分数据存储共享方案在数据存储技术、存储能力、系统安全性、数据一致性、系统效率和应用场景方面进行对比分析，结果见表4。

文献[22]主要采用Hadoop分布式存储技术存储林区采集数据，而FFABC采用区块链网络存储档案数据实现网络内部数据不可篡改的目的，进而保证了系统安全性能。

由图11可知，利用非对称加密方式加密大数据时会消耗大量时间，文献[23]利用公钥加密感知数据且数据器采用工作量证明机制争取记账权利从而降低了系统整体效率。FFABC仅采用PBFT共识算法选择主节点并利用对称加密方式加密完整档案数据，利用椭圆曲线密码体制（ECC）加密方式加密档案摘要信息，可在保障系统安全性能的前提下提升系统效率。

文献[24]采用联盟区块链+传统数据库架构形成链上链下相结合的模式存储铁路数据，容易因中心数据库宕机导致数据丢失，而FFABC搭建IPFS私有网络数据存储，可弥补传统中心数据库的弊端，同时利用IPFS私有网络也能够进一步提升系统安全性能。

3.3 区块链网络性能分析

FFABC主要用于森林火灾档案数据的存储和查询，利用Caliper工具对森林火灾档案数据查询请求进行测试，吞吐量、最大时延、最小时延和平均时延的测试结果见表5。

4 结语

针对传统森林火灾电子版档案数据中心化存储方式存在的数据泄露及数据难以共享问题，本研究提出的基于区块链技术的森林火灾数据共享方案可实现档案数据快速上传、摘要数据不可篡改性存储以及节点之间数据有效共享，既达到了电子版森林火灾档案数据分布式存储的目的，又解决了区块链不适用于大数据存储的难题，且利用代理重加密算法有效提升了FFABC的安全性能。该方案还可进一步完善，将第三方机构如科研机构引入其中，通过增加联盟区块链网络节点数量，使森林火灾档案数据在安全性存储的前提下更好发挥其价值。

【参 考 文 献】

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