CN110474765A - 一种基于委托权益证明扩展的量子区块链构建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于委托权益证明扩展的量子区块链构建方法，包括以下步骤：全网节点根据所持有的区块链权益的比例进行投票，从全网节点中选举出k个超级节点；每个节点与每个超级节点之间制备与分发纠缠量子对，并建立QKD信道；将意图发布交易的节点通过QKD信道与相应的k个超级节点生成安全密钥；意图发布交易的节点通过安全密钥采用验证算法对交易信息打上验证标签后进行广播；超级节点分别接收交易信息后对所其进行验证；超级节点分别将当前时间窗口内的交易信息进行排序，生成区块；k个超级节点两两之间进行协商，若存在最终区块则通过超级节点进行广播，普通节点接收最终区块后将其加入上一个所接收的区块，至所有超级节点完成出块流程。

Description

一种基于委托权益证明扩展的量子区块链构建方法
技术领域
本发明涉及区块链技术领域，更具体地，涉及一种基于委托权益证明扩展的量子区块链构建方法。
背景技术
区块链作为一种分布式账本技术，具有去中心化、透明、不可篡改、共识信任，跨平台等特性，在电子货币、供应链物流、知识产权保护等领域已有广泛的应用。然而在量子时代来临之际，其挖矿和前后区块关联的哈希算法将被量子Grover算法增加被搜索碰撞攻击的风险，以及签名所使用的椭圆曲线数字签名算法(ECDSA)和RSA数字签名等算法在量子Shor算法的威胁下，也岌岌可危。
针对这些问题，先后有学者提出了各种基于经典和基于量子的抗量子攻击的区块链版本。其中，Kiktenko等作者提出的利用量子密钥分配(QKD)进行签名验证的量子安全区块链(Quantum-secured blockchain)在可见的未来，最具有可行性，并且相关学者已对其完成实验验证。利用QKD进行签名验证的量子安全区块链主要包含了两层网络，第一层是任意两个节点间都可进行保密通信的QKD网络，主要用于在任意两个节点间共享密钥；第二层为经典网络，用于使用第一层QKD网络形成的密钥打上签名标签的交易信息的传输。
然而，Kitenko等所提出的Quantum-secured Blockchain存在扩展成本高昂的问题。因为他们所提出的量子安全区块链要求任意两个节点间都必须建立QKD通信连接，而建立QKD通信连接的节点之间需要制备与分发大量的纠缠量子对。假设有n个节点，那么就需要建立n(n-1)/2条QKD信道。假设有一万个节点，则需要建立上千万条QKD信道，而需要制备的纠缠量子对还要再乘上加密信息的长度，由此可见，其扩展成本极其庞大，因而限制了Quantum-secured Blockchain只能应用于实验室与极少数应用场景中。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的扩展成本高，不能广泛应用的缺陷，提供一种基于委托权益证明扩展的量子区块链构建方法，通过选举获取超级节点，每个节点与选举得到的超级节点建立QKD信道，能够有效降低其扩展成本。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种基于委托权益证明扩展的量子区块链构建方法，包括以下步骤：
S1：每相隔一定时间或一定数量的区块，全网节点根据所持有的区块链权益的比例进行投票，从全网节点中选举出k个超级节点，其中k<n，n为全网节点总数；
S2：在全网节点中的每个节点与所述选举出来的k个超级节点之间制备与分发纠缠量子对，并建立量子密钥分配QKD通信连接，即建立QKD信道；
S3：将意图发布交易的节点通过QKD信道与相应的k个超级节点生成安全密钥；
S4：所述意图发布交易的节点通过所述安全密钥采用信息理论安全的验证算法对交易信息打上验证标签，然后将打上验证标签的交易信息进行广播；
S5：所述k个超级节点分别接收交易信息后，对所接收的交易信息进行验证；
S6：所述k个超级节点分别将当前时间窗口内的交易信息按预设的排序条件进行排序，生成区块；
S7：所述k个超级节点两两之间进行协商，若存在共识认同的区块，即为最终区块，并通过超级节点进行广播，普通节点接收所述最终区块后将其加入上一个所接收的区块，然后重复本步骤至所有超级节点完成出块流程，即完成量子区块链的构建；若无法达成共识，则宣告本轮出块失败，并跳转执行S6步骤，若连续三轮出块失败，则认定为***性问题，跳转执行S1步骤并重新选举超级节点。
本技术方案基于DPOS(Delegated Proof of Stake)委托权益证明的扩展对量子区块链进行构建，通过选举出超级节点用于与其他节点建立QKD信道，从而使需要建立的QKD信道从平方项数量降低到了线性数量级；完成QKD信道建立后，通过采用信息理论安全的验证算法对交易信息打上验证标签，且所有超级节点之间进行协商达成共识后实现共同出块，完成最终区块出块过程。
优选地，S4步骤中的信息理论安全的验证算法包括通用哈希算法、Toeplitz哈希算法。
优选地，S4步骤中，交易信息包括发送方信息、接收方信息、时间戳、转账数目、发送方账户具有足够余额证明信息。
优选地，S6步骤中，交易信息根据其时间戳进行排序。
优选地，S7步骤中，所有超级节点两两之间采用拜占庭容错算法进行协商达成共识。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：采用DPOS委托权益证明对量子区块链进行构建，使每个节点与完成选举的超级节点建立QKD信道，能够有效降低量子区块链建立QKD信道的扩展成本，提高了其扩展性；在每个节点与所选举的超级节点之间建立QKD信道，使量子区块链具有无条件安全性，具有抗量子算法攻击的特性；采用拜占庭容错算法对所有超级节点进行协商，使其具有一定的拜占庭容错能力。
附图说明
图1为本实施例的基于委托权益证明扩展的量子区块链构建方法流程图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
如图1所示，为本实施例的基于委托权益证明扩展的量子区块链构建方法流程图。
本实施例提出一种基于委托权益证明扩展的量子区块链构建方法，包括以下步骤：
S1：每相隔一定时间或一定数量的区块，全网节点根据所持有的区块链权益的比例进行投票，从全网节点中选举出k个超级节点，其中k<n，n为全网节点总数。
S2：在全网节点中的每个节点与所述选举出来的k个超级节点之间制备与分发纠缠量子对，并建立量子密钥分配QKD通信连接，即建立QKD信道。
S3：将意图发布交易的节点通过QKD信道与相应的k个超级节点生成安全密钥。
S4：所述意图发布交易的节点通过所述安全密钥采用通用哈希算法、Toeplitz哈希算法对交易信息打上验证标签，然后将打上验证标签的交易信息进行广播。
本实施例中，所发送的交易信息包括发送方信息、接收方信息、时间戳、转账数目、发送方账户具有足够余额证明信息。
S5：所述k个超级节点分别接收交易信息后，对所接收的交易信息进行验证。
S6：所述k个超级节点分别将当前时间窗口内的交易信息根据其时间戳进行排序，生成区块。
S7：所述k个超级节点两两之间采用拜占庭容错算法进行协商达成共识，若存在共识认同的区块，即为最终区块，并通过超级节点进行广播，普通节点接收所述最终区块后将其加入上一个所接收的区块，然后重复本步骤至所有超级节点完成出块流程，即完成量子区块链的构建；若无法达成共识，则宣告本轮出块失败，并跳转执行S6步骤，若连续三轮出块失败，则认定为***性问题，跳转执行S1步骤并重新选举超级节点。
本实施例中，采用DPOS委托权益证明对量子区块链进行构建，不需要对所有节点建立点对点的QKD通信，每个节点只需与选举得到的超级节点建立QKD信道即可，这使需要建立的QKD信道从平方项数量级降低到线性数量级，有效降低了量子加密区块链建立QKD信道的成本，有效提高其扩展性，使其具有更普及化的使用价值。由于QKD信道已经被证明理论上具有无条件安全性，因此本实施例的量子区块链也同样具有抗量子算法攻击的特性。此外，由于DPOS没有挖矿过程，不存在因量子Grover搜索算法可能导致的算力不平衡产生的51％攻击风险。
本实施例中，由于所有超级节点共同出块，杜绝了单个节点出块可能发生的伪造交易、篡改区块以及交易发起方抵赖交易的可能，且当存在攻击者时，攻击者必须同时攻击至少1/3的超级节点才能对其共识造成影响，且由于超级节点在每一轮的选举结果不同，极大地提高了攻击者的攻击难度。
本实施例采用拜占庭容错算法对所有超级节点进行协商达成共识，使量子区块链具有一定拜占庭容错能力，当不诚实超级节点不超过预设的阈值时，都能在超级节点中达成拜占庭共识，能够完成最终区块的出块过程。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于委托权益证明扩展的量子区块链构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：每相隔一定时间或一定数量的区块，全网节点根据所持有的区块链权益的比例进行投票，从全网节点中选举出k个超级节点，其中k<n，n为全网节点总数；
S2：在全网节点中的每个节点与所述选举出来的k个超级节点之间制备与分发纠缠量子对，并建立量子密钥分配QKD通信连接，即建立QKD信道；
S3：将意图发布交易的节点通过QKD信道与相应的k个超级节点生成安全密钥；
S4：所述意图发布交易的节点通过所述安全密钥采用信息理论安全的验证算法对交易信息打上验证标签，然后将打上验证标签的交易信息进行广播；
S5：所述k个超级节点分别接收交易信息后，对所接收的交易信息进行验证；
S6：所述k个超级节点分别将当前时间窗口内的交易信息按预设的排序条件进行排序，生成区块；
S7：所述k个超级节点两两之间进行协商，若存在共识认同的区块，即为最终区块，并通过超级节点进行广播，普通节点接收所述最终区块后将其加入上一个所接收的区块，然后重复本步骤至所有超级节点完成出块流程，即完成量子区块链的构建；若无法达成共识，则宣告本轮出块失败，并跳转执行S6步骤，若连续三轮出块失败，则认定为***性问题，跳转执行S1步骤并重新选举超级节点。
2.根据权利要求1所述的量子区块链构建方法，其特征在于：所述S4步骤中的信息理论安全的验证算法包括通用哈希算法、Toeplitz哈希算法。
3.根据权利要求1所述的量子区块链构建方法，其特征在于：所述S4步骤中，所述交易信息包括发送方信息、接收方信息、时间戳、转账数目、发送方账户具有足够余额证明信息。
4.根据权利要求3所述的量子区块链构建方法，其特征在于：所述S6步骤中，所述交易信息根据其时间戳进行排序。
5.根据权利要求1所述的量子区块链构建方法，其特征在于：所述S7步骤中，所述k个超级节点两两之间采用拜占庭容错算法进行协商达成共识。
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