CN112070496B - 一种基于动态标记的区块链隐蔽信息传输方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于动态标记的区块链隐蔽信息传输方法及***。该方法包括：统计区块链协议的OP_RETURN字段的数据真实概率分布；根据协商的种子和OP_RETURN字段的数据真实概率分布产生动态标记；发送者节点将动态标记填入两笔交易的OP_RETURN字段中，采用椭圆曲线密码算法进行数字签名，将签名后的两笔交易发送至区块链。接受者节点根据动态标记识别两笔交易，对其数字签名进行椭圆曲线密码算法随机数泄露攻击，计算出所使用的随机因子并推断出私钥即编码后的加密消息，然后进行解码并使用与发送者节点协商的密钥解密。本发明可以实现信道的不可检测性与抗追踪性，并满足强鲁棒性，大大降低了用户隐私暴露的风险。

Description

一种基于动态标记的区块链隐蔽信息传输方法及***

技术领域

本发明涉及一种基于动态标记的区块链隐蔽信息传输方法及***，属于计算机软件技术领域。

背景技术

随着互联网的发展，越来越多的人们选择使用网络来进行信息获取和交流，CNNIC第44次统计报告显示我国网民规模达8.54亿人。但是，目前的互联网络所采用的主流协议TCP/IP在设计的初期，仅仅考虑了如何保证网络的连通性，并未考虑到未来的安全需要，导致越来越多的攻击层出不穷，用户面临着诸多安全挑战与隐私泄露风险。

通信过程中的隐私保护问题不仅仅是指信息的内容安全性，还包括通信连接安全性。在许多的通信场景中，我们不仅仅希望通信的内容是安全的，也希望通信的连接也是安全的。使用加密技术可以很好地保护双方通信的内容，比如https、数字签名等技术。但是通信的元数据(消息源、目的地址，传输信息的间隔等信息)没办法隐藏，而这些元数据可以用来辨识用户，这就导致攻击者可以推断出消息的发送者和接受者。这就导致一些别有用心的组织可以很容易地对通信进行窃听、监控、审查、甚至阻断连接，用户的隐私及通信自由受到极大的威胁。例如，目前已经出现GhostNet，ShadowNet，Axiom等以窃取政府的机密数据为目的的恶意攻击。

在这种背景下，构建隐蔽通信***的需求日益增加，它可以利用网络协议的载体特征来进行隐蔽信息传输。目前现有的***可以分为两大类，一类是时间型网络信道，一种是存储型网络信道。时间型隐蔽信道把隐蔽信息编码进协议的时间行为中，然后在接收端提取。时间型隐蔽信道受网络延迟和阻塞影响较大，所以，他们的鲁棒性较差。存储型网络信道把隐蔽消息填充进协议的某些字段并在接收端接收。一个典型的存储型隐蔽信道是Tor，它是洋葱路由的一个实现，目前每日大约有8亿的活跃用户。然而，存储型隐蔽信道易被流量分析攻击者怀疑，目前有许多文献展示了对其的攻击方式，比如，流关联攻击、低资源路由攻击等。一个成功的隐蔽信道要满足不可检测性、抗追踪性以及强鲁棒性。然而，传统的隐蔽信道不能满足这样要求。

区块链是新一代信息技术的代表，具有抗篡改、泛洪传播、匿名等特性，是构建隐蔽信道的良好载体。其抗篡改性可以保证信息传输的正确性，泛洪传播机制可以阻止外部观察者发现接受者的踪迹，匿名性可以保护发送者的身份信息不被泄露。另外，区块链活跃的用户量大，交易数据包量大，信息可以很好地隐蔽在交易中。现有的基于区块链的隐蔽信道都使用一个事先协商好的标记(接受者的钱包地址或公钥)来标识特定交易(含有隐蔽消息)，一方面，一旦标记泄露，通信的连接将被断掉，另一方面，隐蔽信息的注入会使得特定交易变得可区分。这显著地减少了***的可用性与隐蔽性，需要重新构建区块链隐蔽通信***，来提高通信的安全性。

发明内容

本发明旨在提供一种区块链环境下的隐蔽信息传输方法及***。本发明提出一种基于区块链真实数据分布产生动态标记的标签生成算法，相较于传统***中的静态标记，本发明产生的动态标记可以大大提升标记的隐蔽性，从而加强的信道可用性。在不对区块链的源码进行更改的条件下，本发明构建了基于动态标记的区块链隐蔽通信***，既可以实现信道的不可检测性与抗追踪性，又满足强鲁棒性，用户的通信连接得以保护，大大降低了用户隐私暴露的风险。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于动态标记的区块链隐蔽信息传输方法，包括以下步骤：

统计区块链协议的OP_RETURN字段的数据真实概率分布；

根据发送者节点与接受者节点协商的种子和OP_RETURN字段的数据真实概率分布，产生动态标记；

发送者节点将产生的动态标记填入两笔交易的OP_RETURN字段中，并采用椭圆曲线密码算法进行数字签名，签名所需的私钥是发送者编码后的加密消息；

发送者节点将签名后的两笔交易发送至区块链。

进一步地，接受者节点采用以下步骤获得来自发送者节点的隐蔽信息：

根据动态标记识别区块链中发送者节点发起的两笔交易，得到两笔交易的两个数字签名；

对两个数字签名进行椭圆曲线密码算法随机数泄露攻击，计算出所使用的随机因子，并推断出私钥即编码后的加密消息，然后进行解码并使用与发送者节点协商的密钥解密。

进一步地，所述发送者节点与所述接受者节点协商确定所使用的种子、加密方案、加解密密钥和编码方案。

进一步地，所述统计区块链协议的OP_RETURN字段的数据的真实概率分布，包括：

收集近一年的OP_RETURN数据，对每个字符出现的频率进行统计，得到OP_RETURN字段上数据的真实概率分布。

进一步地，对所述两笔交易的两次数字签名使用相同的随机因子、模数和椭圆曲线基点。

进一步地，所述发送者节点将签名后的两笔交易发送至区块链，包括：

发送者节点作为区块链的客户端节点，发送两笔交易到最近的区块链服务器节点；

通过区块链的泛洪传播机制使得两笔交易被传播到相邻的区块链服务器节点，区块链服务器节点验证签名并广播这两笔交易至全网。

一种发送者节点，其包括：

动态标记生成模块，用于根据发送者节点与接受者节点协商的种子和统计的OP_RETURN字段的数据真实概率分布，产生动态标记；

签名模块，用于将产生的动态标记填入两笔交易的OP_RETURN字段中，并采用椭圆曲线密码算法进行数字签名，签名所需的私钥是发送者编码后的加密消息；

交易发送模块，用于将签名后的两笔交易发送至区块链。

一种接受者节点，其包括：

交易识别模块，用于根据动态标记识别权利要求7所述发送者节点发送至区块链中的两笔交易，得到两笔交易的两个数字签名；

隐蔽信息获取模块，用于对两个数字签名进行椭圆曲线密码算法随机数泄露攻击，计算出所使用的随机因子，并推断出私钥即编码后的加密消息，然后进行解码并使用与发送者节点协商的密钥解密。

一种基于动态标记的区块链隐蔽通信***，其包括上述发送者节点、接受者节点以及区块链。

本发明的关键点在于：

1.针对在区块链上进行隐蔽传输的场景，提出了基于动态标记的区块链隐蔽信道构建方法。该方法可以部署在区块链公链，帮助用户进行隐蔽信息传输，保护信息的机密性与连接的不可关联性。

2.针对标记的产生方式，提出了基于真实数据分布的标记生成算法。固定标记难以保证通信可用性。本发明以区块链协议中的OP_RETURN字段作为标记位置，对近一年的OP_RETURN数据进行了采集，利用其概率分布产生动态标记，保证其通过相关的统计学检测。

3.针对隐蔽消息的嵌入与提取方式，选择了在数字签名字段中的域下信道，这种域下信道通过椭圆曲线密码算法的随机数泄露漏洞来进行数据嵌入与提取。这种方式比起直接嵌入的方法更为隐蔽，使得攻击者即使发现了某些标记，由于其不知道所使用的算法，使其无法推断下一个时期的标记，这样以来，隐蔽消息就不会被攻击者发现。

4.针对隐蔽性检测方面，提出了使用熵率与Kolmogorov-smirnov测试来进行检测。熵率能够发现每月OP_RETURN数据变化的规律性，Kolmogorov-smirnov测试能够发现真实数据分布与标记算法产生标签的数据分布的差异。针对抗追踪方面，由于隐蔽消息的发送方式与正常交易相差无几，所以隐蔽消息对于攻击者来说是不可区分的，这也保证了消息的不可观察性，另外，区块链的匿名性也保护了通信双方的身份隐私，即使攻击者发现了发送者节点，他也无法确定其真实身份。针对鲁棒性方面，区块链天然抗篡改，成功篡改数据需要极大的开销。另外，隐蔽信息提取是通过密钥泄露方式，椭圆曲线密码算法的特性会保证提取消息时不会发生错误。

本发明对构建区块链上的隐蔽信息传输通道有如下特点和有益效果：

1.本发明能在不改变区块链整体***结构的同时，进行隐蔽信息传输。通过对近一年的区块链填充字段的数据分析，构建了基于真实数据分布的标记产生机制，产生的标记与真实数据具有统计意义上的相似性，保证了本***相较于传统***具有更加隐蔽的优势。

2.本发明具有抗篡改性。发送方发送的消息不会被恶意篡改，且接收方可以随时读取，恶意的第三方观察者也无法判断消息处于哪一个交易中。

3.本发明使用的字段均为区块链协议中的常用协议字段，不涉及任何对其源码的更改，具有易部署特性。

4.本发明抗攻击，抗追踪。即使在某些标记泄露的情况下，***依旧具有可用性，并保持强鲁棒性。

附图说明

图1为本***的整体架构图。其中blockchain表示区块链，block898～block904等表示区块链中区块，TXpool表示交易缓冲池。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明中技术核心作进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例的一种基于动态标记的区块链隐蔽信息传输通道构建方法，包括以下步骤：

步骤S101，前期准备阶段，发送者与接受者事先协商所使用的种子、加密方案、加解密密钥和编码方案。其中，种子是指双方运行动态标记产生方案所使用的最初输入数据，如：每日twitter的关键词或其他双方可同时获得的公开数据。

步骤S102，通讯双方收集近一年的OP_RETURN数据，对每个字符出现的频率进行统计，得到OP_RETURN字段上数据的真实概率分布。

步骤S103，发送者与接受者节点将S101中两者协商的种子S_n＝{s_i,0≤i<N}，种子的长度N，S102中的数据的字符集C_n＝{c_i,0≤i≤n}，以及数据真实概率分布F_n＝{f_i,0≤i<n}输入动态标记产生方案以得到新标记L_n，即本发明的动态标记。

其中，动态标记产生方案(即图1中的动态标记生成算法)包括以下步骤：

1)将F_n中每一项乘以N，得到v_i，并对v_i进行向下取整；

2)创建一个新的字典D，字典的每一项d_i＝{c_i：v_i}；

3)从S_n中选取v_i个位置，位置集合为P＝{p_j,0≤j<v_i}，用步骤(2)中字典项d_i中的c_i替换p_j∈P；

4)重复上一步骤直到遍历完字典D的所有d_i；

5)由前面步骤中3)、4)中替换后的S_n构成动态标记L_n，返回新标记L_n。

动态标记示例：

以2019年某月的数据概率分布为例，使用种子：aa21a9ed6817abf0fb20000，长度选为23(23是OP_RETURN数据最为常见的长度)。

产生的动态标记示例：

6f60a6e60900000b0000000

6660090d00f00600000e0b0

a0006b600e009006000f006

步骤S201，发送者发起两笔交易(步骤S402中的椭圆曲线密码算法随机数泄露攻击需要两个数字签名作为输入)，将步骤S103计算得到的动态标记填入这两笔交易的OP_RETURN字段中。

步骤S202，发送者对S201中的两笔交易进行数字签名。签名方案所使用的签名算法是椭圆曲线密码算法，所需的私钥是发送者使用base64编码后的加密消息，对两笔交易的两次数字签名均使用相同的随机因子、模数和椭圆曲线基点。

步骤S301，发送者作为一个区块链的客户端节点，发送步骤S202中的两笔交易到最近的区块链服务器节点。

步骤S302，区块链的泛洪传播机制使得步骤S301中的两笔交易被传播到相邻的区块链服务器节点，这些节点验证签名并广播这两笔交易至全网。

步骤S401，接受者根据步骤S103计算得到的动态标记来检索近期的全部交易并识别发送者发起的两笔特殊交易，得到两笔交易的两个数字签名。

步骤S402，接受者对步骤S401中得到的两个数字签名进行椭圆曲线密码算法随机数泄露攻击，计算出所使用的随机因子(即图1中的“计算随机数k”)，并据此推断出私钥，也就是编码后的加密信息，然后进行base64解码并使用协商的密钥解密。至此，一次隐蔽消息传输完成。

在实验环境下，本发明对近一年的区块链交易数据进行采集，并设计了动态标记产生算法。动态标记产生算法根据这些真实数据的概率分布产生了标记，这些标记用来标志特定的交易。通过熵率检测与Kolmogorov-smirnov测试，发现本发明产生的标记与真实数据具有统计意义上的相似性，从而保证其难以被攻击者发现。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体，但并不能因此理解为对本发明专利范围的限制。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应当以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种基于动态标记的区块链隐蔽信息传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

统计区块链协议的OP_RETURN字段的数据真实概率分布；

根据发送者节点与接受者节点协商的种子和OP_RETURN字段的数据真实概率分布，产生动态标记；

发送者节点将产生的动态标记填入两笔交易的OP_RETURN字段中，并采用椭圆曲线密码算法进行数字签名，签名所需的私钥是发送者编码后的加密消息；

发送者节点将签名后的两笔交易发送至区块链；

其中，接受者节点采用以下步骤获得来自发送者节点的隐蔽信息：

根据动态标记识别区块链中发送者节点发起的两笔交易，得到两笔交易的两个数字签名；

对两个数字签名进行椭圆曲线密码算法随机数泄露攻击，计算出所使用的随机因子，并推断出私钥即编码后的加密消息，然后进行解码并使用与发送者节点协商的密钥解密；

设发送者节点与接受者节点协商的种子为S_n＝{s_i,0≤i<N}，N为种子的长度，OP_RETURN数据的字符集为C_n＝{c_i,0≤i≤n}，OP_RETURN字段的数据真实概率分布为F_n＝{f_i,0≤i<n}，所述根据发送者节点与接受者节点协商的种子和OP_RETURN字段的数据真实概率分布，产生动态标记，包括：

将F_n中每一项乘以N，得到v_i，并对v_i进行向下取整；

创建一个新的字典D，字典的每一项d_i＝{c_i：v_i}；

从S_n中选取v_i个位置，位置集合为P＝{p_j,0≤j<v_i}，用字典项d_i中的c_i替换p_j∈P；

重复上一步骤直到遍历完字典D的所有d_i；

由替换后的S_n构成动态标记L_n，返回动态标记L_n。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发送者节点与所述接受者节点协商确定所使用的种子、加密方案、加解密密钥和编码方案。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述统计区块链协议的OP_RETURN字段的数据的真实概率分布，包括：

收集近一年的OP_RETURN数据，对每个字符出现的频率进行统计，得到OP_RETURN字段上数据的真实概率分布。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述两笔交易的两次数字签名使用相同的随机因子、模数和椭圆曲线基点。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发送者节点将签名后的两笔交易发送至区块链，包括：

发送者节点作为区块链的客户端节点，发送两笔交易到最近的区块链服务器节点；

通过区块链的泛洪传播机制使得两笔交易被传播到相邻的区块链服务器节点，区块链服务器节点验证签名并广播这两笔交易至全网。

6.一种基于动态标记的区块链隐蔽通信***，其特征在于，包括发送者节点、接受者节点、以及区块链；

所述发送者节点包括：

动态标记生成模块，用于根据发送者节点与接受者节点协商的种子和统计的OP_RETURN字段的数据真实概率分布，产生动态标记；

签名模块，用于将产生的动态标记填入两笔交易的OP_RETURN字段中，并采用椭圆曲线密码算法进行数字签名，签名所需的私钥是发送者编码后的加密消息；

交易发送模块，用于将签名后的两笔交易发送至区块链；

所述接受者节点包括：

交易识别模块，用于根据动态标记识别发送者节点发送至区块链中的两笔交易，得到两笔交易的两个数字签名；

隐蔽信息获取模块，用于对两个数字签名进行椭圆曲线密码算法随机数泄露攻击，计算出所使用的随机因子，并推断出私钥即编码后的加密消息，然后进行解码并使用与发送者节点协商的密钥解密；

其中，接受者节点采用以下步骤获得来自发送者节点的隐蔽信息：

根据动态标记识别区块链中发送者节点发起的两笔交易，得到两笔交易的两个数字签名；

对两个数字签名进行椭圆曲线密码算法随机数泄露攻击，计算出所使用的随机因子，并推断出私钥即编码后的加密消息，然后进行解码并使用与发送者节点协商的密钥解密；

设发送者节点与接受者节点协商的种子为S_n＝{s_i,0≤i<N}，N为种子的长度，OP_RETURN数据的字符集为C_n＝{c_i,0≤i≤n}，OP_RETURN字段的数据真实概率分布为F_n＝{f_i,0≤i<n}，所述根据发送者节点与接受者节点协商的种子和OP_RETURN字段的数据真实概率分布，产生动态标记，包括：

将F_n中每一项乘以N，得到v_i，并对v_i进行向下取整；

创建一个新的字典D，字典的每一项d_i＝{c_i：v_i}；

从S_n中选取v_i个位置，位置集合为P＝{p_j,0≤j<v_i}，用字典项d_i中的c_i替换p_j∈P；

重复上一步骤直到遍历完字典D的所有d_i；

由替换后的S_n构成动态标记L_n，返回动态标记L_n。