技术领域
本发明涉及可信执行环境领域，特别涉及一种基于区块链和可信执行环境的边缘计算框架。
背景技术
在过去的十年内，云计算在云端整合了计算资源，提供了动态可扩展的计算，存储和网络管理服务，基于云的运用也推动了许多互联网公司的增长。但近年来随着5G，物联网技术的不断发展，设备产生的数据量不断增大，传统的云计算中集中式处理无法满足要求，具体体现在：1用户需要将大量数据发送到云端进行处理，网络带宽难以保障大量的数据传输。2云端数据中心进行大量的密集计算需要消耗大量的电量，导致极大的能源消耗问题。3.延迟敏感的应用程序无法容忍将数据上传带来的高延迟。4.在传统的云计算中，私人数据被存储到云计算中心，个人隐私数据暴露的风险很高。
基于上述问题，边缘计算应运而生。边缘计算指的是将计算任务分配给靠近数据源的计算设备，降低了云计算中心的计算负载，提高了数据处理的效率，边缘计算可以实现移动性支持，位置感知和低延迟，有望成为下一代互联网的关键技术。
由于传统的云端数据保护机制不再适用于边缘设备的数据安全，当用户隐私信息被下放到大量边缘计算节点时，边缘计算节点便拥有了隐私数据，成为了新的“数据所有者”，边缘计算节点就可以任意的使用数据或将数据传递给他人。不仅如此，在计算过程中，边缘计算节点同样面临着数据泄露的风险，攻击者可以恶意入侵边缘计算节点来窃取私密数据或者篡改数据，进而造成隐私泄露，甚至会引发更加严重的后果。因此需要将数据的所有权和使用权分离，并保证数据使用过程中的计算安全。而在一些状态连续或者需要多方参与的场景下，例如不同区域的银行根据借贷人上个季度信用评分以及当前季度信用报告评估借贷人信用，边缘计算需要在不同的边缘计算节点中进行计算转移，在异构的边缘计算节点内进行状态传递十分困难，因此还需要维护一个全局的计算状态，以保证可持续性的边缘计算。
因此需要一个既能解决边缘计算隐私数据保护问题，又能保证边缘计算状态可持续性的方案，迄今为止没有合适的方法保证这些特性，因此出现了许多针对边缘计算的攻击方式。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于区块链和可信执行环境的边缘计算框架，以一个全新的状态，存储和计算分离的边缘计算框架，通过区块链记录数据使用并维护全局计算状态，保证计算状态的连续性，以及数据使用的不可篡改性，通过分布式存储服务保证用户数据的安全和完整性存储，并通过TEE提高隐私计算的效率并保证计算安全。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
本发明一种基于区块链和可信执行环境的边缘计算框架，将这状态，存储和计算三部分分离，构建一个状态，存储，计算相互分离又相辅相成的系统框架，整个系统框架中主要有6个实体：
一、数据拥有者：数据拥有者即为隐私数据的提供者，数据拥有者可以在保证隐私数据不泄露的条件下，有偿的将这些私人数据提供给需要分析数据的数据使用者；
二、数据使用者：数据使用者通过在区块链上发布智能合约，智能合约中指明自己需要的数据类型与相应的报酬，希望可以与数据拥有者进行数据匹配，以达到使用用户隐私数据进行相应分析的目的；
三、边缘计算节点TEE：边缘计算节点通过向密钥管理服务节点认证身份来获取所需密钥，解密数据后在TEE内完成数据使用者的计算分析任务并输出智能合约的状态更新以及分析结果；具有TEE环境的任意节点都可作为计算节点；
四、分布式数据存储服务：数据拥有者在提供隐私数据之前，先将加密隐私数据上传至分布式数据存储服务，分布式数据存储服务向用户发送数据索引，通过数据索引可以找到相应的数据，并保证数据的完整性；
五、分布式密钥管理TEE：分布式密钥管理服务可以由一定数量的计算节点TEE构成，认证边缘计算节点TEE的身份以及TEE内执行代码的正确性并向边缘计算节点发送相应密钥；
六、区块链：共识节点通过共识协议维护区块链，区块链上保存智能合约的最新状态以及正确性证明，共识节点需要不断验证边缘计算节点TEE发来的智能合约状态更新的有效性；
具体的系统框架工作流程包含以下步骤：
S1.数据生成与存储：
数据拥有者通过信息传感器等诸多物联网设备获取自身的隐私数据，这些隐私数据可以提供给数据使用者进行数据分析；例如用户的医疗记录可以在保证不被泄露的前提下提供给医疗机构进行医疗数据分析；在隐私数据data使用之前，数据拥有者需要生成数据密钥k
S2.密钥管理：
密钥管理节点由N个计算节点组成，N为系统预定参数，首先先从计算节点中随机筛选出N个节点，N个节点内部运行分布式密钥生成协议例如基于离散对数密码系统的安全分布式密钥生成来获取主密钥S，任意一个节点i均不知道完整的S是什么，但是S遵循shamir的(k,N)秘密共享形式，每个节点拥有各自的份额S
其中λ
S3.智能合约的创建与数据匹配：
1)数据使用者向边缘计算节点TEE发送身份信息以及智能合约代码，智能合约涉及的内容包括数据使用者身份信息，需要的数据类型，数据计算的代码以及抵押的押金；
2)边缘计算节点TEE加载代码并向分布式密钥管理TEE认证身份，分布式密钥管理TEE认证身份并审计代码安全性，确认代码安全后生成智能合约编号id，公私钥对(pk
3)边缘计算节点TEE使用状态密钥k
4)共识节点确认σ
S4.链下边缘计算：
1)为了完成数据使用者的计算任务，边缘计算节点首先获取数据使用者的公钥pk
2)边缘计算节点TEE通过数据索引index向分布式数据存储服务请求数据，并得到加密过的隐私数据data′；
3)边缘计算节点TEE向分布式密钥管理TEE发起认证，认证内容包括边缘计算节点是否运行在TEE环境下，TEE内运行的二进制文件(即需要执行的内容)是否正确；认证成功后分布式密钥管理TEE向边缘计算节点TEE发送智能合约私钥sk
4)边缘计算节点TEE在得到密钥后，解密合约状态
5)边缘计算节点TEE执行计算任务,并输出计算结果output，智能合约新状态state
6)共识节点通过边缘计算节点TEE的公钥pk
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1.区块链的多方共识，不可篡改特性能够可信地记录隐私数据使用的全生命周期，区块链智能合约的执行提供了整个边缘计算状态的连续性与一致性，确保了连续状态下边缘计算以及多方边缘计算的可用性；
2.分布式数据存储技术解决了传统的云端存储可能带来的隐私泄露问题，保证了数据安全性、完整性以及可重用性；
3.利用可信执行环境的链下计算提升了边缘计算的效率，同时保证了计算过程中的数据安全；
4.可信执行环境所提供的硬件隔离安全域执行环境使得数据只能在隔离的环境中执行，而无法脱离该隔离环境使用，这进一步保证了边缘计算中数据的隐私性。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的系统整体架构图；
图2是本发明的数据拥有者加密存储方案示意图；
图3是本发明的合约创建与链上数据匹配工作流示意图；
图4是本发明的边缘计算协同工作流示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1-4所示，本发明提供一种基于区块链和可信执行环境的边缘计算框架，考虑到系统对于状态，存储和计算分别的需求，本发明将这三部分分离，构建一个状态，存储，计算相互分离又相辅相成的系统框架，用相应的技术解决了边缘计算中隐私数据保护的问题。
本发明采用区块链中的智能合约来保证边缘计算状态的连续性，并通过共识算法来保证状态的一致性。
针对数据存储的问题，为了保证用户数据的可重用性以及解决大文件数据存储问题，本发明将数据存储服务与提供状态记录的区块链相分离，使用分布式存储服务(例如IPFS)。分布式存储将网络上分散的存储资源构成一个虚拟的存储设备，将隐私数据分散存储在网络中，不仅具有可扩展性，也解决了传统中心化存储环境可能的用户隐私泄露问题，在保证隐私数据的安全高效存储的同时保证了数据的完整性。
针对隐私数据计算的问题，本发明将计算放在链下进行通过可信执行环境(trusted execution environment,TEE)保证执行的安全性和正确性。TEE是指一种硬件隔离的安全机制，它通过在不可信设备上创建一个独立于操作系统的隔离环境，来提供对于隐私数据安全可信计算环境，并且可以完成对隐私数据的计算与正确性认证；将这状态，存储和计算三部分分离，构建一个状态，存储，计算相互分离又相辅相成的系统框架，整个系统框架中主要有6个实体：
一、数据拥有者：数据拥有者即为隐私数据的提供者，数据拥有者可以在保证隐私数据不泄露的条件下，有偿的将这些私人数据提供给需要分析数据的数据使用者；
二、数据使用者：数据使用者通过在区块链上发布智能合约，智能合约中指明自己需要的数据类型与相应的报酬，希望可以与数据拥有者进行数据匹配，以达到使用用户隐私数据进行相应分析的目的；
三、边缘计算节点TEE：边缘计算节点通过向密钥管理服务节点认证身份来获取所需密钥，解密数据后在TEE内完成数据使用者的计算分析任务并输出智能合约的状态更新以及分析结果；具有TEE环境的任意节点都可作为计算节点；
四、分布式数据存储服务：数据拥有者在提供隐私数据之前，先将加密隐私数据上传至分布式数据存储服务，分布式数据存储服务向用户发送数据索引，通过数据索引可以找到相应的数据，并保证数据的完整性；
五、分布式密钥管理TEE：分布式密钥管理服务可以由一定数量的计算节点TEE构成，认证边缘计算节点TEE的身份以及TEE内执行代码的正确性并向边缘计算节点发送相应密钥；
六、区块链：共识节点通过共识协议维护区块链，区块链上保存智能合约的最新状态以及正确性证明，共识节点需要不断验证边缘计算节点TEE发来的智能合约状态更新的有效性；
具体的系统框架工作流程包含以下步骤：
S1.数据生成与存储：
数据拥有者通过信息传感器等诸多物联网设备获取自身的隐私数据，这些隐私数据可以提供给数据使用者进行数据分析；例如用户的医疗记录可以在保证不被泄露的前提下提供给医疗机构进行医疗数据分析；在隐私数据data使用之前，数据拥有者需要生成数据密钥k
S2.密钥管理：
密钥管理节点由N个计算节点组成，N为系统预定参数，首先先从计算节点中随机筛选出N个节点，N个节点内部运行分布式密钥生成协议例如基于离散对数密码系统的安全分布式密钥生成来获取主密钥S，任意一个节点i均不知道完整的S是什么，但是S遵循shamir的(k,N)秘密共享形式，每个节点拥有各自的份额S
其中λ
S3.智能合约的创建与数据匹配：
1)数据使用者向边缘计算节点TEE发送身份信息以及智能合约代码，智能合约涉及的内容包括数据使用者身份信息，需要的数据类型，数据计算的代码以及抵押的押金；
2)边缘计算节点TEE加载代码并向分布式密钥管理TEE认证身份，分布式密钥管理TEE认证身份并审计代码安全性，确认代码安全后生成智能合约编号id，公私钥对(pk
3)边缘计算节点TEE使用状态密钥k
4)共识节点确认σ
S4.链下边缘计算：
1)为了完成数据使用者的计算任务，边缘计算节点首先获取数据使用者的公钥pk
2)边缘计算节点TEE通过数据索引index向分布式数据存储服务请求数据，并得到加密过的隐私数据data′；
3)边缘计算节点TEE向分布式密钥管理TEE发起认证，认证内容包括边缘计算节点是否运行在TEE环境下，TEE内运行的二进制文件(即需要执行的内容)是否正确；认证成功后分布式密钥管理TEE向边缘计算节点TEE发送智能合约私钥sk
4)边缘计算节点TEE在得到密钥后，解密合约状态
5)边缘计算节点TEE执行计算任务,并输出计算结果output，智能合约新状态state
6)共识节点通过边缘计算节点TEE的公钥pk
对比方案1：
基于区块链和云计算的通信数据处理方法及边缘计算平台-----CN202010432289.X
该对比发明提出基于区块链和云计算的通信数据处理方法及边缘计算平台，是一种针对所述网络通信设备的工业边缘计算通信权限行为的通信安全防护控件，对网络通信设备与所述边缘计算平台之间的边缘计算通信行为进行处理。该对比发明也未使用可信执行环境。本发明则提出融合可信执行环境与区块链的新型边缘计算框架，因而目标与技术路线都有显著差异。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1.区块链的多方共识，不可篡改特性能够可信地记录隐私数据使用的全生命周期，区块链智能合约的执行提供了整个边缘计算状态的连续性与一致性，确保了连续状态下边缘计算以及多方边缘计算的可用性；
2.分布式数据存储技术解决了传统的云端存储可能带来的隐私泄露问题，保证了数据安全性、完整性以及可重用性；
3.利用可信执行环境的链下计算提升了边缘计算的效率，同时保证了计算过程中的数据安全；
4.可信执行环境所提供的硬件隔离安全域执行环境使得数据只能在隔离的环境中执行，而无法脱离该隔离环境使用，这进一步保证了边缘计算中数据的隐私性。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
机译： 基于可信执行环境中的纠错编码的共享区块链数据存储
机译： 基于可信执行环境中的纠错编码的共享区块链数据存储
机译： 基于可信执行环境中的纠错编码的共享区块链数据存储
