利用基于区块链的加密锚定技术和双重锁定完整性审计机制来保障增材制造的安全性

《COMPUTERS IN INDUSTRY》：Securing additive manufacturing with blockchain-based cryptographic anchoring and dual-lock integrity auditing

本文提出SAM-BCADA系统，通过区块链与加密锚技术结合，采用双重锁定机制（物理NFC标签+数字哈希）确保增材制造产品防伪、数据完整性和供应链可追溯性。系统利用分布式存储和区块链不可变特性抵御篡改与反伪造攻击，并通过同态可验证标签实现高效审计，实验证明其计算与存储成本可控，性能优异，适用于航空航天等高安全需求场景。

　　**解读：**

近年来，3D打印（即增材制造，AM）作为一种变革性的生产技术，以其高度的定制化和效率优势，已成为制造业的重要组成部分。然而，随着AM技术的广泛应用，其面临的网络安全威胁也日益严峻，尤其是在设计文件、知识产权（IP）以及连接的AM系统方面。这些威胁不仅影响制造过程的安全性，还可能对整个产业链的稳定性构成挑战。因此，研究如何在AM过程中引入先进的安全机制，确保数据完整性、产品真实性和知识产权保护，成为当前研究的热点。

SAM-BCADA（基于区块链的加密锚定和双锁完整性审计系统）正是针对这些挑战提出的一种解决方案。该系统通过将物理属性与数字表示连接起来，确保产品在整个生命周期中的可追溯性和安全性。其核心思想是通过一个双锁机制，结合物理锚定和数字审计，从而增强系统的整体安全性和可靠性。具体来说，SAM-BCADA使用了非接触式芯片（NFC）作为物理锚定，与区块链上的数字表示建立连接，从而实现产品与数字孪生之间的绑定。这种绑定方式不仅提升了产品的真实性验证能力，还增强了整个制造流程的透明度和可信度。

在SAM-BCADA系统中，区块链被用于记录产品信息和交易数据，其不可篡改的特性使得产品身份和相关交易记录具有极高的可信度。此外，系统引入了一种分布式离线存储机制，用于存储G-code数据文件。这种机制结合了同态可验证标签（HVT）技术，使得数据完整性可以在不暴露原始数据的情况下进行验证，从而在保证数据隐私的同时，提升审计效率。这种结合方式不仅提升了数据安全性，还有效应对了传统中心化存储可能带来的单点故障风险。

SAM-BCADA系统的设计涵盖了多个关键环节，包括数据的生成、存储、审计和下载。首先，制造商在生产过程中生成加密的数字指纹（DFP），并将其与NFC芯片结合，形成一个唯一标识。然后，这些数据被加密后存储在离线节点中，确保其安全性。在审计过程中，系统通过随机选择的数据块进行验证，确保数据未被篡改。此外，该系统还支持批量验证，进一步提高了审计效率。最后，授权用户可以通过加密的下载请求获取所需数据，并使用私钥进行解密，从而完成制造流程。

在实际应用中，SAM-BCADA系统可以有效应对各种恶意行为，包括内部人员的篡改、外部攻击者对设计文件的修改、供应链中的伪造行为以及勒索软件或拒绝服务攻击。通过在区块链上记录审计结果，系统不仅确保了数据的完整性，还提供了可追溯的记录，便于后续的问题追溯和责任追究。这种多层次的安全机制为AM行业提供了一种全面的保护方案，既包括物理层面的锚定，也涵盖数字层面的验证和审计。

SAM-BCADA的实现依赖于私有许可链（如Hyperledger Fabric），这使得数据存储和交易记录更加安全和高效。同时，该系统还利用了加密技术，如椭圆曲线加密和同态可验证标签，以确保数据在传输和存储过程中的安全性和完整性。通过将数据存储在离线节点，并在需要时进行审计，系统能够在不损害数据隐私的前提下，实现高效的数据完整性验证。

在性能评估方面，SAM-BCADA系统展示了其在计算和通信效率上的优势。实验结果表明，该系统在处理大量数据时仍能保持较低的延迟和较高的吞吐量，这表明其在实际应用中具有良好的扩展性。此外，该系统还具备较高的可扩展性，适用于分布式制造环境。通过对比现有方案，SAM-BCADA在数据保密性、可审计性和对恶意行为的检测能力上表现突出，显示出其在安全性和效率方面的综合优势。

在航空航天等高风险行业中，SAM-BCADA的实施尤为重要。该行业对产品质量和安全性的要求极高，任何缺陷都可能导致严重后果。SAM-BCADA通过将物理组件与数字孪生绑定，确保了组件的真实性和完整性。同时，该系统支持实时审计和验证，有助于及时发现和处理潜在问题，从而保障制造过程的安全性和可靠性。

尽管SAM-BCADA系统在多个方面表现出色，但其在实际部署过程中仍面临一些挑战。例如，系统在面对复杂恶意攻击时的鲁棒性仍需进一步研究，同时，计算和存储开销也可能成为扩展性方面的瓶颈。因此，未来的研究可以聚焦于优化计算和存储效率，开发更轻量级的加密技术，以及探索AI驱动的异常检测和物联网（IoT）增强的安全机制，以应对不断演变的网络安全威胁。

SAM-BCADA系统的设计不仅提升了AM的安全性，还推动了数字孪生、供应链管理、数据隐私保护等领域的技术发展。通过将区块链技术与物理锚定结合，该系统为AM行业提供了一种全新的安全框架，具有广泛的商业应用前景。特别是在需要严格合规和高安全性的行业中，SAM-BCADA的引入能够显著提升系统的可信度和安全性，为未来的智能制造提供坚实的技术支持。