引言

隨著無線網絡和5G技術的快速發展，物聯網數據在工業、農業、智慧城市和醫療健康等領域發揮著重要作用［1］。數據的爆炸性增長，對本地存儲空間提出更高要求，同時也增加了采購和維護成本。為應對這一挑戰，云存儲服務應運而生，它提供了高效便捷的解決方案。云存儲服務以其經濟性成為物聯網數據存儲的主要選擇。然而，云存儲也帶來數據完整性的隱患，如數據丟失、惡意攻擊或服務器故意刪除不常用數據等問題［2-3］。因此，對存儲在云存儲提供商(Cloud Storage Provider, CSP)上的數據進行完整性驗證十分必要。

傳統的數據完整性驗證方案中，通常由數據擁有者(DO)或第三方驗證機構(TPA)對數據的完整性進行驗證。由DO進行數據完整性驗證的方案稱為私有驗證，這種驗證方案會給DO帶來較大的計算和通信開銷，同時存在驗證結果不可信問題［4］。為此，Wang等人［5］提出了一種基于Merkle哈希樹的完整性驗證協議，借助獨立TPA完成驗證操作。Shen等人［6］提出一種可公開驗證的方案，避免用戶因上傳錯誤的元數據而導致審計失敗。符慶曉等人［7］提出了一種基于鄰接表的動態數據完整性驗證方案。王睿垚等人［8］提出基于代數運算的安全PDP協議，顯著降低標簽生成和驗證的時間開銷。張曉均等人［9］面向工業云存儲數據，基于雙線性對構建數據完整性審計協議，引入可信TPA以減輕用戶計算壓力并實現高效驗證。楊帆等人［10］針對單一審計者可能導致審計失敗的問題，設計了支持審計者更換的云數據完整性審計方案，提升了審計服務的可用性與穩定性。

然而，TPA可能在未驗證CSP返回的證明的情況下欺騙DO，甚至在數據被篡改的情況下，與CSP勾結而虛假聲明數據完整性。此外，作為集中式機構，TPA還面臨單點故障風險。

區塊鏈技術具有去中心化、不可篡改、數據可追溯的特點，可以在無需所有節點均誠實可信的情況下實現數據的去中心化驗證，同時避免單點故障的風險［11］。Liu等人［12］提出了一個面向物聯網的數據完整性審計服務框架，但該方案不適合大規模物聯網數據場景。Xu等人［13］基于模冪運算構建了一個支持仲裁的數據完整性審計方案，并通過智能合約保證驗證和仲裁過程的公平性。陳建偉等人［14］面向電網多維數據的雙端驗證與共享需求，提出基于區塊鏈的可驗證聚合與分享方案，有效降低計算與通信開銷。Lin等人［15］設計了一個支持公共審計的物聯網數據審計方案，通過部署在區塊鏈上的智能合約檢查TPA的驗證結果。楊小東等人［16］提出了一種基于區塊鏈和霧計算協同的物聯網數據完整性審計方案，降低了區塊鏈上的計算開銷。王子園等人［17］提出了一種邊緣環境下的無證書的物聯網數據完整性驗證方案，使用邊緣節點進行驗證工作，有效轉移DO的計算負擔。

然而，在大規模IoT數據完整性驗證場景下，上述的數據完整性驗證方案仍然存在鏈上計算和存儲開銷大、面臨CSP重放攻擊、數據塊標簽計算效率低的問題。為解決上述問題，本文提出一種基于區塊鏈的大規模數據完整性驗證方案。一方面，通過引入邊緣節點協助部署在區塊鏈上的智能合約完成數據完整性驗證，降低鏈上計算開銷。另一方面，通過ZSS短簽名構建數據完整性驗證協議，有效減小數據塊標簽計算開銷與鏈上存儲開銷，并支持批量驗證，提升驗證效率。表1對國內外主流的IoT數據完整性驗證方案進行了技術層面的系統對比，同時突出了本文方案在各關鍵維度上的優勢。

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作者信息：

趙雄偉1，滕威2，楚鴻偉1

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2.杭州電子科技大學,浙江杭州310018)