基于区块链技术的、安全且可审计的云数据所有权转移

《Future Generation Computer Systems》：Blockchain-enabled secure and auditable cloud data ownership transfer

　　阿米特·库马尔·德维迪（Amit Kumar Dwivedi）| 莎伊扎·拉比克（Shaizah Labique）| 萨乌拉布·拉纳（Saurabh Rana）| 纳文·库马尔（Naveen Kumar）| 拉杰什·库马尔·施里瓦斯塔瓦（Rajesh Kumar Shrivastava）| 苏尼特·库马尔·古普塔（Suneet Kumar Gupta）
印度北方邦戈拉克普尔市马丹·莫汉·马尔维亚技术大学（Madan Mohan Malviya University of Technology）计算机科学与工程系

**摘要**
在合并或收购等商业场景中，所有权转移非常常见。此时存储在云平台上的组织数据必须安全且可验证地转移到新实体。现有方案通常忽略了维护完整所有权历史的需求，将责任完全放在当前所有者身上，即使问题是由前任引起的。为了解决这个问题，我们提出了一种安全且具有历史记录意识的数据所有权转移方案，该方案将每条数据记录与其原始创建者关联起来，并使用区块链来维护一个防篡改、可验证的所有权链，从而能够完全追溯到数据来源。此外，与现有方法相比，该方案在计算、通信和存储开销方面提供了显著高效且可扩展的解决方案，适用于外包的云环境。

**引言**
在当今世界，几乎所有行业都在生成大量数据，这促使它们寻求通过互联网全球访问的成本效益存储解决方案。据《福布斯》（Forbes）报道，每天生成的数据量达到2.5千万亿字节（2.5 quintillion bytes），并且这一数字还在快速增长。同样，IDC估计到2025年，全球生成的数据总量将达到79.4泽字节（79.4 zettabytes）[1]。
像亚马逊（Amazon）和微软（Microsoft）这样的云服务提供商为其客户提供经济高效的数据存储解决方案。此外，这些提供商还确保数据对其授权用户可用。如今，外包数据主要用于数据分类和回归分析，其中数据质量对用户至关重要。数据质量通常取决于数据的所有者，例如Kaggle [2]、DataSource [3] 和 IEEEdataport。由于公共云为多个客户提供存储服务，对于云用户来说，验证数据的所有者是一个重大挑战。这种验证被称为数据所有权验证。
将所有权附加到外包数据的一种可能方法是数字签名。数字签名是不可伪造的文档，可以在数据记录写入时由所有者或所有者授权的写入者生成。每当读者从云中访问数据时，系统会验证签名，成功的签名验证将确认所有权。然而，当一个组织被另一个组织收购时，在两个实体之间转移数据所有权就成为一个关键挑战。例如，2005年联想收购了IBM全球个人电脑业务[4]，2010年甲骨文收购了Sun Microsystems [5]，Facebook在2025年以13亿美元收购了WhatsApp [6]，Softchoice公司被World Wide Technology收购[7]。在所有这些情况下，从一个组织向另一个组织转移数据所有权都是一项重大挑战。由于数字签名是一种简单的方法来关联外包数据的所有权，因此n个数据文件需要n个数字签名。此外，这还需要云和所有者之间进行大量的通信。
为了降低所有者的计算成本，王等人[8]指定了一名第三方审计员（TPA），负责将数据所有权从一个组织转移到另一个组织，并在转移前验证外包数据的完整性。尽管这种方案减少了所有者的参与，但它增加了参与方之间的通信成本。
沈等人[9]提出了一种方案，通过将所有权转移任务安全地分配给云，大大减少了各方之间的通信成本，从而避免了数据下载和上传的需要。然而，对云生成所有权证明的依赖性降低了该方案的使用率。
上述方案解决了外包数据的所有权转移问题。然而，王等人[8]产生了显著的通信开销，而沈等人[9]依赖于云生成的证据。此外，这两种方案都缺乏维护所有者历史记录的功能，而这在发生欺诈、侵犯人权和其他争议时对于证明所有者身份至关重要。没有这些记录，责任往往默认归咎于当前所有者，而不是从历史所有权链中识别出实际的责任方。

**本文的贡献**
- 我们提出了一种安全且高效的外包数据所有权转移方案，通过将每条数据记录与其原始创建者关联起来来确保责任追究。
- 该方案使用区块链维护一个防篡改、可验证的所有权历史记录，允许从当前所有者追溯到原始创建者的任何数据版本。
- 通过广泛分析，我们证明了我们的方案在计算、通信和存储开销方面优于现有方案。
- 我们使用概率多项式时间（PPT）分析在标准模型下提供了该方案的形式化安全证明。

**论文结构**
本文共分为10个部分。第2节讨论了支持所有权转移的文献。第3节介绍了安全模型和设计目标。第4节讨论了与本工作相关的先决条件。第5节介绍了所考虑的系统模型和方案定义。第6节详细介绍了所提出方案的结构。第7节讨论了方案的安全性分析。第8节讨论了方案的实验评估。第9节讨论了与本方案相关的讨论，第10节总结了全文。

**相关工作**
在外包环境中，数据所有权赋予所有者对数据读取、修改、删除或传输等操作的完全控制权。然而，与这些数据交互的最终用户（主要是通过读取或写入访问）在验证其真实所有权时经常面临挑战。例如，假设组织X将其数据外包给云服务提供商（CSP）Y，其员工直接访问这些数据。由于CSP可能不可完全信任，因此存在关键问题。

**威胁模型**
Dolev-Yao（DY）模型[21]认为攻击者可以拦截通信、篡改甚至删除通信内容。此外，我们认为注册的所有者也是不可信的。

**系统模型**
- **云服务提供商（CSP）**是向需要数据存储的组织提供经济高效的数据存储服务的方/组织。它还确保外包数据在需要时可供其授权用户使用。
- **卖方组织（SO）**是当前拥有外包数据的方/组织。它与CSP签订服务级别协议（SLA），规定CSP仅向授权用户提供数据访问权限。

**提出的方案**
该方案解决了一种高效且具有历史记录意识的外包数据所有权转移问题，其中受信任的TPA负责将数据所有权从一个组织转移到另一个组织。由于所有参与方（SO、BO和CSP）都信任TPA，SO将所有权转移和完整性审计[13]作为TPA的额外职责。假设每个所有者组织（SO或BO）可能允许其用户读取或写入数据。

**安全性分析**
在本节中，我们以正式和非正式的方式分析了安全性。

**性能分析**
以下部分涵盖了与现有方案（王等人[8]、沈等人[9]和余等人[20]的方案）相比的实验和理论评估。我们选择了这些方案[8]、[9]、[20]进行比较，因为它们在基于云的数据所有权转移领域具有重要性和贡献。这两种方案也都使用了TPA来执行完整性验证和新标签生成。

**结论**
随着数据成为任何组织的关键资产，当一个组织收购另一个组织时，正确转移数据所有权至关重要。此外，在涉及不道德或非法活动（如侵犯人权、虐待动物或恐怖主义资助）的情况下，必须确保只有责任方受到追究。
在本文中，我们提出了一种安全的外包数据所有权转移方案，确保了当前所有者和前任所有者的责任追究。

**作者贡献声明**
阿米特·库马尔·德维迪（Amit Kumar Dwivedi）：撰写——审阅与编辑、原始草稿、方法论、概念化。
莎伊扎·拉比克（Shaizah Labique）：撰写——原始草稿、方法论、概念化。
萨乌拉布·拉纳（Saurabh Rana）：撰写——原始草稿、调查、概念化。
纳文·库马尔（Naveen Kumar）：撰写——原始草稿、监督、概念化。
拉杰什·库马尔·施里瓦斯塔瓦（Rajesh Kumar Shrivastava）：方法论、概念化。
苏尼特·库马尔·古普塔（Suneet Kumar Gupta）：撰写——审阅与编辑、调查。

**伦理批准**
由于本研究使用的是不包含可识别信息的公开数据，因此不需要伦理批准。

**资金**
作者声明在准备本手稿期间未收到任何资金、资助或其他支持。

**未引用参考文献**
图6
**利益冲突声明**
作者声明与本手稿无关的利益冲突。