大数据与区块链技术在智慧城市数据安全管理中的应用探索

信息记录材料２０２４年１１月第２５卷第１１期 大数据与区块链技术在智慧城市数据安全管理中的应用探索 张秋荟１，高迁２ （１河北环境工程学院经济与管理系河北秦皇岛０６６１０２） （２北京城建六建设集团有限公司北京１０１５００） 【摘要】随着智慧城市建设的不断深入，大量的个人信息和敏感数据被收集、处理和存储，数据的安全性直接关系到城市的正常运作和居民的切身利益。本研究结合分析智慧城市的功能需求和安全需求，探究了大数据与区块链技术在智慧城市平台身份认证、访问控制、数据加密存储、数据审计追踪、异常监测预警以及数据备份恢复等关键功能的具体应用，并进行了功能测试和安全测试，均通过了测试，能够满足智慧城市数据安全管理需求。 【关键词】智慧城市；数据安全；大数据；区块链；安全管理 【中图分类号】ＴＰ３０９�２【文献标识码】Ａ【文章编号】１００９－５６２４（２０２４）１１－０１１７－０４ ０引言 随着信息技术的迅猛发展，大数据与区块链技术在构建智慧城市的过程中被认为是保障数据安全、提高管理效率的关键手段。智慧城市依托于互联网、云计算等技术，收集和分析海量城市运行相关的数据，以实现资源优化配置和服务智能化。然而，数据量的激增也带来了数据管理与安全的挑战。如何在确保数据安全的同时，有效利用城市数据成为亟待解决的问题。因此，本研究将探索大数据与区块链技术在智慧城市数据安全管理中的应用，以期为城市管理者提供有效的技术支持。 １智慧城市数据安全管理的需求 １�１功能需求 智慧城市的高效运营依赖于数据的顺畅流通与处理，因此，数据安全管理平台需具备高效的数据采集、整合、处理与分析能力，确保对交通、环境监测、能源管理、公共安全等领域的多源数据进行实时汇聚与处理。数据安全管理平台应支持模块化服务，以便接入各类智能应用，如智能交通调度、环保预测模型等，为城市运行提供智能化决策支持。 １�２安全需求 为确保智慧城市数据安全，平台需具备完善的安全防护体系。首先，需要对用户身份进行严格认证，确保只有被授权用户才能访问数据［１］。其次，平台需对数据进行加密存储，防止数据在传输和存储过程中被非法获取。最后，还需具备数据审计追踪功能，以便对数据访问行为进行监控和记录，及时发现并处理异常情况，并具备数据备份与恢复功能，以防止数据丢失或损坏。 基金项目：秦皇岛市市级科技计划资助项目“基于大数据背景下的秦皇岛新型智慧城市建设研究”（２０２３０２Ｂ０３８）。 作者简介：张秋荟（１９９０—），女，河北秦皇岛，硕士，讲师，研究方向：数字经济。 ２大数据与区块链技术在智慧城市数据安全管理平台设计的应用 大数据与区块链技术在智慧城市数据安全管理的应用，为城市管理提供了全新的视角和方法。图１展示了大数据与区块链技术在智慧城市数据安全管理中的具体应用，包括身份认证与授权、访问控制管理、数据加密存储、数据审计追踪、异常监测预警及数据备份与恢复等功能，这些功能的协同工作，能够确保城市数据的安全性、保护公民隐私、保障数据的可信共享并提高数据利用效率。 图１大数据与区块链技术在智慧城市数据安全管理中的应用 ２�１身份认证与授权功能 在智慧城市数据安全管理平台中，身份认证与授权功能利用大数据分析与区块链技术，实现用户身份的精确识别与权限的精细管理，确保只有合法用户在授权范围内访问数据。主要功能项如下： （１）用户身份识别与验证。利用大数据技术分析用户的历史行为模式、登录地点、设备指纹等多维度信息，利用机器学习模型对用户身份进行快速而准确地验证，利于甄别用户的异常登录行为，预防身份冒用［２］。 １１７ 信息记录材料２０２４年１１月第２５卷第１１期 （２）区块链身份注册与管理。用户的数字身份信息被加密并存储在区块链上，作为不可篡改的记录，确保身份数据的真实性和完整性。每次登录尝试都会与链上记 录进行比对，增加安全性。 ｈａｓｈ）； ｕｓｉｎｇＳａｆｅＭａｔｈｆｏｒｕｉｎｔ２５６； ｅｖｅｎｔＤａｔａＥｎｃｒｙｐｔｅｄＡｎｄＳｔｏｒｅｄ（ｂｙｔｅｓ３２ｉｎｄｅｘｅｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓｔｏｒｅＤａｔａＨａｓｈ（ｂｙｔｅｓｍｅｍｏｒｙｄａｔａ） （３）动态权限分配。基于角色的访问控制模型与区块链智能合约结合，根据用户角色动态分配访问权限。智能合约自动执行权限授予与撤销操作，确保权限管理的即 ｐｕｂｌｉｃ｛ｂｙｔｅｓ３２ｄａｔａＨａｓｈ＝ｋｅｃｃａｋ２５６（ｄａｔａ）；／／使用 ｋｅｃｃａｋ２５６生成数据摘要 时性和准确性。 ２�２访问控制管理功能 在智慧城市数据安全管理平台中，访问控制管理功能利用大数据分析来动态评估风险，结合区块链技术的去中心化和不可篡改特性，实现高效且安全的权限管理。主要功能项与工作方式如下： （１）动态风险评估。利用大数据分析技术，平台持续监控用户行为、登录时间和地点等信息，结合历史数据模型，对访问请求进行实时风险评估。高风险访问请求会被标记并进行额外验证或拒绝。 （２）细粒度权限管理。基于角色的访问控制模型，结合区块链智能合约，实现权限的细粒度管理和自动化分配。智能合约自动根据用户角色、任务需求和当前风险级别，动态调整访问权限［３］。 （３）访问日志区块链化。每一次数据访问请求及其结果都会被记录在区块链上，确保访问历史的透明性和不可篡改性，便于审计追踪和责任追溯。 ２�３数据加密存储功能 在智慧城市数据安全管理平台中，数据加密存储功能融合大数据技术和区块链技术的优势，确保数据在传输和存储过程中的安全性。主要功能项与工作方式如下： （１）数据加密处理。利用高级加密标准、ＲＳＡ（Ｒｉｖｅｓｔ⁃Ｓｈａｍｉｒ⁃Ａｄｌｅｍａｎ）等加密算法，对敏感数据进行加密处理。大数据技术用于高效管理和处理大量数据的加密任务，确保加密过程既快速又安全。 （２）区块链上的加密存储。将加密后的数据摘要（哈希值）存储在区块链上，而不是直接存储原始数据，利用区块链的不可篡改性保证数据的完整性和来源的真实性。实际数据存储在链下，可通过区块链上的哈希值验证其真实性［４］。 （３）密钥管理。密钥的生成、分发、存储和回收采用安全的密钥管理系统，确保密钥本身的安全。密钥使用区块链的智能合约管理，实现密钥操作的透明性和可追溯性。加密处理逻辑代码示例如下，展示如何在智能合约中存储数据摘要（哈希值）： －－－ｓｏｌｉｄｉｔｙ ｐｒａｇｍａｓｏｌｉｄｉｔｙ＾０�８�０； ｉｍｐｏｒｔ＂ｈｔｔｐｓ：／／ｇｉｔｈｕｂ．ｃｏｍ／ＯｐｅｎＺｅｐｐｅｌｉｎ／ｏｐｅｎｚｅｐｐｅｌｉｎ⁃ｓｏｌｉｄｉｔｙ／ｃｏｎｔｒａｃｔｓ／ｍａｔｈ／ＳａｆｅＭａｔｈ．ｓｏｌ＂； ｃｏｎｔｒａｃｔＥｎｃｒｙｐｔｅｄＤａｔａＳｔｏｒａｇｅ｛ ｅｍｉｔＤａｔａＥｎｃｒｙｐｔｅｄＡｎｄＳｔｏｒｅｄ（ｄａｔａＨａｓｈ）；／／ 将数据摘要存储到区块链上 ｝ ｝ －－－ ２�４数据审计追踪功能 在智慧城市数据安全管理平台中，数据审计追踪功能是确保数据操作合规性、透明度和可追溯性的关键组件，此功能集成了大数据分析能力和区块链的不可篡改特性，为城市数据的操作历史记录提供了详尽且可靠的保障［５］。主要功能项与工作方式如下： （１）操作日志记录。每一条数据的增、删、改、查操作都会被实时记录，包括操作时间、操作者、操作类型和数据状态变化等信息。大数据技术用于收集、存储并分析海量日志数据，确保即使在大规模数据操作下也能被高效检索和分析。 （２）区块链存证。关键的日志条目或其哈希值被提交至区块链网络，利用区块链的分布式账本特性，为每一次数据操作创建一个不可更改的时间戳和证明，确保了数据审计轨迹的不可篡改性，增强了信任度［６］。 （３）智能合约审计规则。利用智能合约定义审计规则，自动验证数据操作是否符合预设的安全策略和合规要求。一旦发现违规操作，立即触发警报或执行相应的响应措施。 ２�５异常监测预警功能 在智慧城市数据安全管理平台中，异常监测预警功能持续监控数据流，运用机器学习模型识别异常模式，并结合区块链的不可篡改特性验证数据完整性，有效防止数据泄露、篡改等安全威胁（图２）。主要功能项与工作方式如下： （１）实时数据流监控。持续收集并分析系统产生的大数据流，包括但不限于访问频率、流量模式、操作行为等，为异常检测提供实时数据基础。 （２）异常行为识别。运用机器学习算法，如单类支持向量机（Ｏｎｅ⁃ＣｌａｓｓＳＶＭ），训练一个来区分正常数据和异常数据，帮助系统建立起一个精确的正常行为模型，并在此基础上识别出偏离模型的异常点，增强系统的自适应性和智能化水平［７］。 （３）区块链数据完整性验证。定期对比链上数据哈希值与系统内数据的实际哈希值是否相符，任何不匹配都 １１８ 将触发警报，确保数据未被非法篡改。 图２异常监测预警功能 ２�６数据备份与恢复功能 在智慧城市数据安全管理平台中，数据备份与恢复功能通过结合大数据的高效存储与处理能力，以及区块链技术的不可篡改性和分布式特性，为智慧城市的数据资产提供保护。主要功能项与工作方式如下： （１）分布式数据备份。利用大数据技术，自动将关键数据分散存储于多个节点，确保即使单点故障也不会导致数据丢失，包括定期备份策略与增量备份技术，减少备份所需的存储空间和时间。 （２）区块链数据校验。在备份过程中，每个数据块的哈希值被记录在区块链上，利用区块链的不可篡改性作为备份数据完整性的校验机制。任何数据恢复前，都会验证其哈希值与区块链记录的一致性，确保数据未被恶意篡改［８］。 （３）快速数据恢复机制。结合大数据的快速检索能力，设计高效的数据索引和恢复策略，能够在短时间内定位并恢复所需数据，减少因数据丢失带来的业务中断时间。备份数据哈希值记录到区块链的代码示例如下： －－－ｐｙｔｈｏｎ ｆｒｏｍｈａｓｈｌｉｂｉｍｐｏｒｔｓｈａ２５６ｆｒｏｍｗｅｂ３ｉｍｐｏｒｔＷｅｂ３ ＃假设ｄａｔａ＿ｃｈｕｎｋ为需要备份的数据块 ｄａｔａ＿ｃｈｕｎｋ＝ｂ‘Ｙｏｕｒｉｍｐｏｒｔａｎｔｄａｔａｈｅｒｅ．．．’ ＃计算数据块的哈希值 ｄａｔａ＿ｈａｓｈ＝ｓｈａ２５６（ｄａｔａ＿ｃｈｕｎｋ）．ｈｅｘｄｉｇｅｓｔ（） ＃连接到以太坊网络（示例为Ｒｉｎｋｅｂｙ测试网） ｗ３＝Ｗｅｂ３（Ｗｅｂ３．ＨＴＴＰＰｒｏｖｉｄｅｒ（‘ｈｔｔｐｓ：／／ｒｉｎｋｅｂｙ．ｉｎｆｕｒａ．ｉｏ／ｖ３／ＹＯＵＲ＿ＰＲＯＪＥＣＴ＿ＩＤ’）） ＃假设合约已部署，ａｂｉ和ａｄｄｒｅｓｓ已知ｃｏｎｔｒａｃｔ＿ａｄｄｒｅｓｓ＝‘ＹＯＵＲ＿ＣＯＮＴＲＡＣＴ＿ＡＤＤＲＥＳＳ’ａｂｉ＝［．．．］＃合约ＡＢＩ ＝ｃｏｎｔｒａｃｔ＝ｗ３．ｅｔｈ．ｃｏｎｔｒａｃｔ（ａｄｄｒｅｓｓ＝ｃｏｎｔｒａｃｔ＿ａｄｄｒｅｓｓ， 该示例中，通过计算数据块的哈希值，并使用Ｗｅｂ３ 库将此哈希值记录到以太坊区块链上的智能合约中。 ３智慧城市数据安全管理平台的测试 测试条件包括搭建与真实环境高度相似的测试环境，导入模拟数据集以覆盖各类应用场景，以及配置标准化的测试工具与安全扫描软件。 在功能测试中，模拟不同权限用户的登录来衡量身份认证准确性；设置多场景测试访问控制规则，观察其执行的灵活性与适应性；选取样本数据进行加密处理，评估加密效率与解密速度；执行一系列操作记录，检查数据审计功能是否能完整追溯；植入模拟异常行为，观测监测系统报警的及时性；实施数据备份与恢复操作，统计成功率以验证灾难恢复方案的有效性。智慧城市数据安全管理平台的功能测试结果见表１。 表１功能测试表测试指标指标数据测试结果分析 身份认证准确性９９�９％通过身份认证功能表现良好访问控制灵活性良好通过访问控制管理满足需求数据加密效率较高通过加密存储功能有效 数据审计完整性完整通过审计追踪功能可靠异常监测灵敏度高通过预警功能及时发现异常数据备份成功率９８％通过备份与恢复功能稳定 由表１可知，身份认证准确性高达９９�９％，访问控制灵活性良好，数据加密效率较高，数据审计完整性可靠，异常监测灵敏度高，数据备份成功率为９８％。综合分析显示，智慧城市数据安全管理平台各项功能表现出色，满足安全管理需求。