智慧水务源数据私有链监管系统设计与实现

作     者：简春 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王波

授予年度：2021年

学科分类：12[管理学] 1204[管理学-公共管理] 120402[管理学-社会医学与卫生事业管理(可授管理学、医学学位)] 1201[管理学-管理科学与工程(可授管理学、工学学位)] 

主      题：智慧水务 数据监管 私有链 海绵城市 区块链 

摘      要：智慧水务系统的实际运行过程中,由于内部原因或网络攻击等可能导致数据被篡改。如何保障源数据不被篡改或数据篡改后能及时发现,是智慧水务系统正常运行需要解决的重要问题。在分析公有链、联盟链和私有链基本特征的基础上,针对智慧水务系统数据量大、数据增长快的特点,综合考虑系统的运维成本,以及监管方对被监管方进行数据监管的业务场景,开展下列研究工作:(1)针对监管方对被监管方实施数据监管,被监管方进行数据运维的业务场景,提出一种基于私有链的智慧水务源数据监管方法。该方法中,被监管方实时地将传感器设备的采集数据生成哈希树,哈希树由监管方签名并存储到区块,再将区块追加至私有链的末尾。以此私有链作为源数据的证明文件,由监管方将其与数据进行校验与比对,若智慧水务源数据被篡改,可检测出该数据的时间段、传感器编号。(2)监管方法中,核心的工作量证明算法是基于内存难度的Cuckoo Cycle算法。相比较基于计算难度的工作量证明算法(如经典比特币中的Po W),采用Cuckoo Cycle算法后,被监管方在伪造私有链时,不仅仅需要成倍的CPU算力,还需要相应倍数的内存带宽增加,从而提高了篡改私有链的硬件成本;相较于采用公有链与联盟链的防篡改方法,监管方法仅需被监管方(监管方不需要)提供用于工作量证明的算力,监管方提供签名文件校验与时间戳签名服务,从而节省了监管系统的运行成本;该方法仅将数据的摘要上链,私有链所需的存储空间较小,能够满足数据量大且增长速度快的性能要求。(3)进行了私有链证明文件生成实验、监管方法有效性实验、监管方法工作量证明算法伪造成本对比实验和私有链证明文件伪造成本样例实验,验证了监管方法的有效性,量化了监管方法的篡改成本。(4)在原有某试点城市智慧水务系统的基础上,应用监管方法,设计并实现了智慧水务源数据监管子系统,包括监管方文件验证与签名模块、被监管方私有链证明文件生成模块和监管方源数据验证模块。