基于区块链的加密信息备份系统研究与设计.docx

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1、 西南石油大学研究生学位论文知识产权声明书及 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工 作的知识产权单位属于西南石油大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学 位论文。同时，本人保证，毕业后结合学位论文研宄课题再撰写的文章一律注明作者单 位为西南石油大学。 本学位论文属于 1、保密 （ ） ，在 年解密后适用本授权书。 本人声明：所呈交的研究生学位论文是本人在导师指导下进行的研究

2、工作及取得的 研宂成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文不包含其他人己 经发表或撰写过的研究成果，也不包含其他人为获得西南石油大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研宂所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 2、不保密 （ y) (请在以上相应括号内打 v 学位论文作者签名 : :名： _ _ 指导教师签名： 年月 1 曰 年及月 7 曰 西南石油大学研究生学位论文独创性声明 学位论文作者签名 : u 年 7 曰 摘要 随着信息技术的快速发展，人们已经进入信息爆炸的时代，人与人之间的合作、竞 争和信任都是以信息为载体，信息资源

3、无疑是最宝贵的资源，一旦丢失则损失惨重。传 统的信息记载方式无法证明信息所属，信息很容易泄露或丢失，人们生活在一个信息不 完全可信的环境中，使得合法权益受到威胁。区块链作为比特币的技术核心，通过技术 手段解决了人与人之间，以及人与系统之间的互信问题，为保护用户信息安全做出了跨 时代的尝试。 本文基于区块链技术思想设计了一套加密信息备份系统，并采用 Node.js 及相关组 件完成了该系统的开发和测试工作。该加密信息备份系统的核心功能是帮助用户备份重 要的文本信息，信息经加密后被 存储到所有的应用节点，节点遍布全球，每个节点都拥 有最新的完整数据拷贝。同时，本文对该系统的便捷性进行了改良，设计并

4、实现了用户 私钥加密备份和文本信息的安全发送等功能。 本文通过设计基于 P2P 网络的分布式数据存储策略，保证了用户备份的文本信息不 会丢失 “ ，采用基于椭圆曲线系列算法的签名验证技术，实现了信息的所有权认证；采用 安全的加解密技术，保证了用户信息的安全；设计了有效的共识机制，保证系统正常运 行；设计了可远程访问的应用节点，使得用户随时随地可以操作文本信息。本文通过对 区块链技术的应用创新，证明了区 块链在去中心化的文本信息管理上的技术可行性和安 全可靠性。 关键词：区块链；加解密技术； P2P;分布式； Node, js; Abstract With the rapid developme

5、nt of information technology, people have entered the era of information explosion, interpersonal cooperation, competition and trust is based on the information as carrier. Information resource is the most valuable resource. Once the information is lost, it will cause heavy losses. The traditional w

6、ay of recording information cannot prove that the information belongs. As the information is easy to leak or loss. People live in an environment where information cannot be completely trusted, and the legitimate rights and interests are threatened. Block chain as the core technology of bitcoin, whic

7、h can deal with the mutual trnst between people, as well as between people and system, which has made a significant attempt to protect user information security. Based on the idea of block chain technology, this paper designs a set of encrypted information backup system, and uses Node.js and related

8、 components to complete the development and system testing. The core functionality of the encrypted information backup system aims to assist user to backup important text information. Encrypted information will be stored in all application nodes, as well nodes are all around the world. Moreover, eac

9、h node has a complete copy of the latest data. At the same time, this paper has improved the convenience of the system, designed and implemented the user private key encryption and backup and text information security and other functions. This paper designs a distributed data storage strategy based

10、on P2P network to ensure that user backup text information is not lost. The signature verification technology based on elliptic curve algorithm is used to realize the information ownership authentication. Using secure encryption and decryption technology aims to ensure the security of the user infor

11、mation. The effective consensus mechanism is designed to ensure the normal operation of the system, and the application nodes can be accessed remotely so that the user can operate the text information anywhere at any time. Based on the application innovation of block chain technology, this paper pro

12、ves the technical feasibility and safety and reliability of block chain in the process of decentralized text information management. Key words ： Block chain; encryption; P2P distributed storage;Node js; 目录 摘要 . I Abstract . 1 录 . I #论 . 1 1.1 研究背景 . 1 1.1.1 技术背 # . 1 1.1.2 应用背景 . 1 1.2 国内外研究现状 . 2 1

13、.3 研究的目的及意义 . 3 1.4 研究内容概述 . 4 1.5 论文章节安排 . 4 1.6 本章小结 . 5 第 2 章关键技术研究 . 6 2.1 区块链基本概念 . 6 2.2 密码学技术概述 . 8 2.2.1 公钥私钥体系 . 8 2.2.2 椭圓曲线系列算法 . 9 2.3 P2P网络和分布式存储 . 11 2. 3.1P2P 网络 . 11 2.3.2 分布絲储 . 11 2.3.3 二者的关系 . 12 2.4 斯只机 fij . 12 2.4.1 POW . 13 2.4.2 POS . 13 2.4.3 DPoS . 13 2.4.4 Pool . 13 2.5 No

14、de, js 技术概述 . 14 2.6 本章小结 . 14 第 3 章系统分析与概要设计 . 15 3.1 系统设计 g标 . . “_“ 15 3.2 设计难点分析与解决 . 15 3.3 系统概要设计 . 16 3. 3.1 系统功能模块图 . 16 3.3.2 系统功能流程图 . 17 3.3.3 系统部署视图 . 18 3.4 本章小结 . 18 第 4 章系统详细设计与实现 . 19 4.1 开发环境 . 19 4.2 IE 块链基本架构 . 19 4. 2.1 P2P 网络 . 19 4.2.2 签名和验证 . 22 4 2.3 用户模块 . 23 4.2.4 錄 . 25 4.

15、2.5 区块数据同步 . 28 4.2.6 DPoS 机制 . 30 4.3 文本信息基本管理 . 32 4. 3.1 加密信息数据结构 . 32 4.3.2 加解密过程 . 33 4.3.3 信息麟 . 34 4.4 前端模块概述 . 35 4. 5 本章小结 . 36 H5* 1IM . 37 5.1 测廳理 . 37 5.1.1 基本概念 . 37 5.1.2 测试工具 . 38 5.1 “ 3 搭建测试环境及测试示例 . 38 5.1.4 测试流程 . 39 5.2 测试结果与总结 . 40 5. 2.1 测试内容及结果 . 40 5_2_2 测试结果总结 . 43 5.3 本章小结

16、. 43 第 6 章 总 结 与 展 望 . 44 ss： m . 45 参考文献 . 46 in 西南石油大学专业学位硕士研究生学位论文 第 1 章绪论 1.1 研究背景 1.1. 1 技术背景 随着科技不断进步，信息传递方式也在不断升级，价值的传递方式也同步得到了发 展。从电报、电话，再到互联网，人们已经全面进入信息时代。互联网使整个通信网络 实现了信息的高效传递，但是却缺乏有效保护信息安全的内在机制，人们还无法点对点 地传递带有所有权的信息，在网络上拷贝、传播甚至篡改一条信息的成本几乎为零。一 些传统行业因此受到很大冲击，尽管各国政府对网络信息版权保护力度不断加大，仍然 难以从技术层而上

17、杜绝侵权的问题 m。 在信息时代，信息就是金钱，信息与价值密不可分。人们既然有了互联网这个全球 范围的高速稳定的信息传输网络，必然会要求一个与之匹配的高效可靠的价值传输系 统，实现去中心化的价值信息交换方式。 区块链 （ Blockchain)卜 151 就是在这样的背景下诞生的，它为数字世界里的价值承 载和转移，提供了一种基于密码学、分布式系统和点对点网络通信的解决方案，改变了 传统的寄希望于中心服务中介的信任方式，仅仅依靠经过数学论证可靠的签名算法，就 能解决信用和安全问题。区块链的出现并不是偶然，而是科技发展和人们对计算机系统 的要求不断提高的必然产物。 1.1.2 应用背景 随着互联网

18、的蓬勃发展，全球互动在互联网的助力下也越来越紧密，伴随而来的是 巨大的信任鸿沟。人们存放在任何一个中心化平台上的信息，都有可能被窃取，并且无 法保证永久存储。 例如人们生活中而临的诸如社交系统、银行系统、会员系统等账号及密码信息，它 们涉及到个人隐私和财产安全，属于非常重要的敏感信息。各个平台所使用的账号密码 不冋，密码等级不同，并且会不定时修改，完全依靠头脑记忆把这些复杂 的信息存储起 来不太现实。一般信息存放在断网的存储设备或者纸质文档上焙最安全的，但这种做法 极不方便取用，传统的信息载体随时可能损坏，尤其对于纸质文档来说，修改起来觅是 比较繁琐。在中心化应用里而，管理员会帮助用户保护私密

19、信息，但也柯可能监守内盗， 在用户不知情的情况下转仍这些信息。传统的信息云存储服务一般是非自治的、信息未 经加密的，节点数量和空间都很有限，且可靠性无法保证。对于普通用户而言，其安全 防范意识和防范技术都很薄弱，如何安置这些重要的文本信息，是他们不得不考虑但又 基于区块链的加密信息备份系统研究与设计 难以抉择的问题。用户迫切需要 “ 个安全可靠的去中心化成用，来管理这些私密文本信 管、。 本文就是以这样的需求为设计目标，研宄区块链的技术细节及实现方法，利用区块 链技术设计一款加密信息备份系统，帮助用户备份自己的私密信息。该系统能通过具有 同样需求的用户自行参与维护，贡献自己的存储空间，互相协作

20、存储这些重要的文本信 息 “ ，这些信息将遍布全网用户节点，每个节点都具有完整的数据备份，不必担心丢失； 该系统通过密码学原理，防止被其他用户窥视和篡改，在技术上解决该系统安全 可信的 问题；这些信息的操作记录是可追溯的，方便用户查看历史记录。当然除了文本信息外， 可能还有音频、图片、视频和 PPT 等富媒体信息，也可以采用类似的方法在区块链网络 中备份起来，但需要注意解决文件压缩和网络性能的问题。 1.2 国内外研究现状 自 2009 年比特币 （ Bitcoin) 16， 17诞生以来，国内外学者就对其核心的区块链技术 产生了浓厚的兴趣。近年来，区块链技术的应用价值也被全球诸多知名科技公司

21、及国 家机构嗅探到，纷纷加入到区块链的研发中，加速了区块链技术的不断升级和创新。 2012 年以来，区块链创业领域融资额超过 100 亿人民币 摩根士丹利、富国银行、 高盛、汇丰银行、荷兰国际集团 ONG)、法国外贸银行、加拿大丰业银行、中国平安 集团等四十多家全球顶级金融机构组成 R3 区块链联盟，致力于研宄和发现区块链技术 在金融业的应用，并组织其中 40家金融机构成员进行了一次大规模国际间区块链金融 技术测试。 IBM、 微软、亚马逊等巨头纷纷推出自己的区块链及服务平台，他们也是 R3区块链联盟的技术支持厂商。2016 年 7 月，英国政府认定首批区块链公共服务技术 供应商，并计划在社会

22、福利体系中使用区块链技术。 2016 年 7 月荷兰央行宣布为其金融 系统引入区块链技术。 2016 年 2 月，全球首家专注网络空间基础设施创新的中关村区 块链产业联盟在北京成立，这是一个旨在推动区块链行业发展和标准化的非盈利 NGO (Non Government Organization,即非政府组织 ）组织。 2016 年 8 月，工信部联合蚂蚁 金服、万向控股、微众银行和平安保险等编写中国区块链技术和应用 A 皮书 18,开 展区块链技术和应用发展趋势研宄工作。 2016 年 6 月 1 日，中国互联网金融协会成立 区 块链研究工作组。 2016 年 12 月，区块链技术首次被列入到

23、了我国 十三五 国家信 息化规划中，与此同时，贵州省发布了贵阳区块链发展和应用白皮书 191,从政府 角度详细阐述了对区块链的认识、态度和发展思路。 区块链的各种社区力量在推进区块链发展上步调达成一致，正积极努力构建一个 开放自由、健康有序的区块链生态，区块链的应用场景和商业模式也不断被挖掘和创 新。政府开始引导并推动区块链发展，以一系列的政策信号与行动，给区块链刻上一 座崭新的里程碑。区块链技术正积极改变当今互联网模式，区块链的发展和落地 可能 西南石汕大学专业学位硕士研究生学位论文 比想象中要快。 目前，区块链技术己经进入全新的 2.0 时代 115】 ，实现了智能合约功能，拥有了执行 代

24、码的能力，形成了一个由所有节点参与运算的没有国界、没有中心、没有极限的智 能计算机系统。因此，最新的区块链研究除了突出其去中心化、分布式存储和不可篡 改等特性，还具有价值知晓、区块知晓、图灵完备等特点。其中，图灵完备 （ Turing complete)是指能计算出每个图灵可计算函数 （ Turing-computable function)的计算机系 统，简单说就是能实现一台通用计算机的所有指令类型，区块链 2.0 能够使用变量，并 能执行判断、循环等所有类型指令。因此，区块链 2.0 支持智能合约，可实现各种应 用；具有更快的交易速度，最快到秒级交易确认；具有更低的资源消耗，支持 POS

25、(Proof Of Stake )、 DPoS (Delegate Proof of Stake)等低消耗共识机制。 区块链发展非常迅速，在科技界广泛参与和推动下， K 块链 3.0 时代也不再遥远。 科技界对区块链的发展有很多的奇思妙想，区块链技术的实现方式和技术架构也没有 完全成形，其未来有无限种可能性，区块链或许也不再被称作 区块链 ，但这项技 术本身将会给人类科技领域带来长足的进步。 ， 信息加密技术为 E 块链提供了安全保障，区块链的成功与加密技术的发展密切相 关。只有使用安全高效的信息加密技术，才使得区块链系统被认为是安全可靠的。加密 算法主要分为对 /丨 1 密算法和非对称加密算

26、法，二者各冇优点，同时缺点也很明显。对 称加密算法具有髙速、高效和便予实现的特点，但不便于密钥分配和管理。非对称加密 算 法密钥分发和管理简单，但速度比较慢。而如果将二者结合起来，使用对称加密算法 加密报文数据，采用非对称加密算法生成数字签名，则既能保障数据在网络传输过程中 的安全性，又完成了数字签名。目前，对称加密算法推荐采用 AES (Advanced Encryption Standard,即高级加密标准）算法 2223),非对称加密算法推荐使用 ECC (Elliotic Curve Cryptograph， 即椭圆曲线加密算法 ） 算法 124 291，葙于 AES 和 ECC 的混

27、合密码体制可以 有效提高信息传输的安全性和高效性，这在 大景的研宄中得到验证，如文献 3032。 1.3 研究的目的及意义 区块链是一项新兴的技术，値得学习和研究。它通过签名授权技术解决了社会上普 遍存在的信任问题，通过构建一个安企可靠的分布式记账系统，降低了全社会价值转移 和运营的成本，在公证防伪、智能合约、物联网、数据挖掘、身份验证、资产交易、社 交通讯、银行结算等领域都遂见成效，体现出了去中心化的优势。 区块链作为一种技术架构，其基本原理并不难理解，但要设计和实现一款完整的区 块链应用却很复杂。需要解决用户数据安全问题、设计数据同步及验证过程、设计共识 机制等，具体的开发语言、技术框架和

28、实现方式多中多样，业务逻辑繁琐，对编码耍求 较高。 3 _ 基于区块链的加密信息备份系统研究与设计 _ 本文通过该系统的设计与实现，可以发掘性能更好、更利于使用场景的区块链技术 实现；通过对区块链技术的应用创新，有助于探索更多的区块链应用方向，扩展其研究 领域；通过整合并细化其技术分支，推进技术发展，改善用户体验。对区块链技术及应 用的研宄和设计，有助于总结去中心化产品的开发经验，有助于学习和利用先进的技术 思想，构建去中心化、自制的计算机系统，解决全球互信问题。 本文旨在研宄区块链技术的基本理论和技术细节，设计和开发基于区块链的加密信 息备份系统，解决生活中的实际问题。该研宄有助于解决用户痛

29、点，为区块链的技术创 新和应用创新提供新思路，具有非常重要的研宄价值和应用价值。 1.4 研究内容概述 本文主要研究区块链的技术原理及其核心思想，设计一套基于区块链的加密信息 备份系统，并采用 Node.js 及其相关组件完成该系统的开发与测试。因此，本文将完成 以下工作： (1) 研宄区块链技术核心内容，设计基于 P2P 网络的分布式数据存储方案； (2) 研宄椭圆曲线系列算法和对称加解密算法，设计用户信息安全保障方案； (3) 设计加密信息备份系统，并基于 Node.js 技术实现 I (4) 完成自动化测试，分析实验结果； 本文重点在于剖析技术实现细节，通过研究、设计并实现该加密信息备份

30、系统，论 证区块链技术在去中心的文本信息管理上的技术可行性和安全可靠性。 1.5 论文章节安排 本文共由六个章节组成，章节与章节之间相对独立，每一章节各小节联系紧密。 第一章是绪论部分，主要介绍区块链技术的背景和国内外研究现状，选题的目的 和意义，以及本文的主要研宄内容概述。 第二章是关键技术的研宄，包括区块链技术概述、密码学技术原理、 P2P 及分布式 存储原理、共识机制概述等，以及 Node.js 技术介绍。 第三章描述基于区块链的加密信息备份系统的设计目标、难点分析和概要设计。 第四章主要介绍该系统的详细设计和实现过程，详细描述开发要点及流程。 第五章主要介绍该系统的测试原理，并介绍了测

31、试内容及结果。 最后，在第六章部分总结全文并展望未来。 4 西南石油大学专业学位硕士研究生学位论文 1.6 本章小结 本章对该课题研究的背景、国内外研究概况、课题研究的目的及意义的总概述。 对研究的内容、意义及目标做了相关介绍，并列出了本文的章节安排。 基于区块链的加密信息备份系统研究与设计 第 2 章关键技术研究 2.1 区块链基本概念 区块链是以比特币为代表的加密货币的底层技术。它是利用块链式数据结构（一种 按照时间顺序将数据区块以顺序相连的方式组合成的一种链式数据结构）来验证与存储 数据、利用分布式节点共识算法来生成和更新数据、利用密码学的方法保证数据传输 和访问的安全、利用由自动化脚本

32、代码 组成的智能合约来编程和操作数据的一种全新 的分布式基础架构与计算范式 41。 区块链具备如下特性： 1)分布存储：区块链采用基于 P2P 网络的分布式存储，通 过使用某种同步算法，保证区块链数据在各个节点完整统一； 2)公开透明：区块链的 每个节点都保存了一个数据备份，并实时获取最新数据。区块链数据可以被任意检索 和查询，其本身是没有被加密的； 3)无法篡改：区块链上的数据是无法篡改的。要想 修改区块链的数据，必须通过验证，要想通过验证，必须修改整个区块链，需耍付出 巨大的代价。这是对加密技术的巧用，区块之间根据时间 顺序链式存储，并实现被数 学证明可靠的验证功能，确保无法篡改；4)方便

33、追溯：区块链中的每一笔交易都通过 密码学方法与相邻两个区块串联，可以从任一 E块往前追溯，并能通过区块查到与之 关联的全部交易，悉知任何一笔交易的前世今生； 5)存在分叉：在 P2P 网络的环境 下，各节点的运行环境和配置是不同的，所有节点各自为政，分叉是无法根本杜绝而 必然产生的。只要所有节点按照遵循统一的规则认定一条主链，舍弃不合法的分叉， 分叉问题就能得到解决。 区块链数据里最重要的几个概念是地址 （ Address)、交易 （ Transaction)、区块 (Block)和网络 1。地址是指用户的公钥，它是用户的唯一标识，用来指代一笔交易的 支出方和接收方。如果说整个区块链是一个账本

34、，那么这个账本上记录的就是一笔笔 由一些地址转移到另外一些地址的资产交易。交易是包含价值转移的数据，所有的交 易最终被记录到统一的账本上，交易的有效性验证是通过区块的确认来完成的，被确 认的区块所包含的交易才能作为合法的交易最终存储在区块链上，无法篡改。区块是 打包交易的块结构数据，每产生一个新区块，都会被打上时间戳，并生成按照时间先 后顺序排序并加以记录的电子交易证明。每个独立节点之间通过 P2P 网络建立联系， 这样就组成了一个去中心化、分布式的电子交易记录时间戳服务器系统。 时间戳服务器是一种基于 PICI (Public Key Infrastructure,即公钥密码基础设施 ） 3

35、3 技术的时间戳权威系统，它米用精确的时间源、阔强度尚标准的安全机制来确认系统 处理的数据在某一时间的存在性和相关操作的相对时间顺序，为信息系统的防抵赖措 施提供基础服务。区块链通过构造这样一个分布式时间戳服务器，达成有效共识，就 6 西南石油大学专业学位硕士研宂生学位论文 可以解决双重支付问题。只要诚实合法的节点所控制的权益总和，大于攻击者节点所 控制的权益总和，整个系统就是安全的。而且参与系统的节点越多，节点的性能越 强，越能保证系统的安全性和可靠性。任何不友好的节点想要控制整个区块链数据， 都将付出巨大的代价。一旦一笔交易被确认写入区块链数据库中，将无法被篡改，所 以区块链上的信息都是真

36、实可靠的。区块链技术解决了第一代互联网不够安全可信的 缺点，因此可以用区块链系统存储、传递和交换任何有价值的信息。 区块链各个机制及模块有机地结合，使得这样一个去中心化的记账体系成为可 能。由于区块链系统的代码和社区都是幵源的，关注或使用这个系统的用户都将最大 程度的保护区块链系统的健康发展，诚实节点的数量不断增长，节点性能不断提高， 使得区块链系统越来越稳定、安全、可靠。区块链的生态体系可以简单的分为协议 层、扩展层和应用层，它们相互独立又不可分割，共同协作提供良好的去中心化服 务。以下是对各层职能的相关介绍，如图 2-1 是区块链系统架构示意图。 图 2-1 区块链系统架构示意图 (1)

37、协议层 协议层是 K 块链生态中的底层架构，其实就是指区块链产品本身，它提供所有网 络节点和区块链的核心功能，对外提供 API 给其他层调用。该层主耍包括网络编程、 分布式算法、签名验证、数据存储技术和共识机制等。 基于 K 块链的加密信息备份系统研究与设计 (1) 扩展层 扩展层相当于计算机的驱动软件部分，通常是为了让区块链产品更加实用而开发 的辅助程序。该层通常分为两类，一类是各交易市场，这是法币和加密货币互相兑换 的重要渠道；另外一类是针对某个方向的扩展实现，如智能合约。 (2) 应用层 应用层是普通人可以直接使用的区块链产品，即建立在区块链上的丰富多样的生 态系统，它是保证区块链应用被

38、广泛接受的终极武器。 区块链适用于大部分传统的中心化应用场景，比如分布式财务管理、电子商务、 知识产权保护、分布式存储、福彩、物联网等，并能解决传统中心化应用中无法解决 的问题，尤其对于金融行业而言，基于区块链系统的可追溯性，可以很大程度上降低 资金的清算和审计成本。 区块链对大部分人来说还是一个新鲜事物，人们对它的认识还存在很多的误区。 首先，区块链不是数据库，而是一种旨在解决多方合作与全球互信问题的技术架构， 即便它也可以作为数据库来存储源数据，单从存储数据的角度上来说，区块链的效率 并不高，因此一般不推荐把大量的原始数据放在区块链上存储。其次，区块链是在多 项己有技术的基础上建立起来的新概念， 在解决多方合作与全球互信的问题上为现有 技术提供新