CN113268542A - 一种基于多方授权的区块链重写方法及*** - Google Patents

一种基于多方授权的区块链重写方法及*** Download PDF

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CN113268542A CN202110507579.0A CN202110507579A CN113268542A CN 113268542 A CN113268542 A CN 113268542A CN 202110507579 A CN202110507579 A CN 202110507579A CN 113268542 A CN113268542 A CN 113268542A
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齐赛宇
侯迪
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Abstract

一种基于多方授权的区块链重写方法及***,包括以下步骤:设计多陷门阈值变色龙哈希;在计算碰撞时实现“t‑out‑of‑n”的陷门重构方案,即对于数量为n的节点,只要获得其中t个节点签署的凭证时即可运行哈希碰撞算法计算碰撞;将上述改进的多陷门阈值变色龙哈希应用到区块链共识中,基于共识的重写算法,由一组节点通过共识去重写历史区块;在确定需要重写的区块后,由所有节点组成的联盟开始重写区块,这一过程调用多陷门阈值变色龙哈希中的函数。本发明的基于多方授权的区块重写技术通过对现有变色龙哈希方案进行改进,通过加入秘密分享将单陷门分散成多个子密钥,使原有的变色龙哈希符合去中心化设定。

Description

一种基于多方授权的区块链重写方法及***
技术领域
本发明属于区块重写技术领域,特别涉及一种基于多方授权的区块链重写方法及***。
背景技术
区块链技术的优点之一是在去中心化的不可信环境中保证交易和数据的可信访问和写入。在分布式环境中,要对新生成的区块达成共识是具有挑战性的,因为共识可能会被恶意节点破坏。目前区块链使用的共识算法分为公有链共识和联盟链共识,都能在存在一定数量恶意节点的情况下达成共识。
区块链利用链结构、共识协议和密码学方法确保储存在链上的交易不会被恶意篡改,即不可篡改性。毫无疑问,区块链数据的这种不可变和透明的记录保存,促进了信息以安全、可审计和可信的方式移动和存储,从而保证了区块链的可信性、持久性和安全性。尽管区块链的不可变性有其明显的好处,但它也有一些意想不到的后果,例如当错误或非法内容存储在区块链中。更确切地说,当个人数据受到威胁时,不可更改性与隐私和数据保护权利的冲突使得绝对不可更改性成为区块链的障碍。
在基于变色龙哈希的区块重写方案中,现有的变色龙哈希算法在区块链环境下不安全且重写效率较低。由于变色龙哈希依赖陷门来计算哈希碰撞,而原始的单陷门在这种大规模区块重写的场景下会带来安全隐患。一旦恶意用户得到陷门,就可以滥用重写操作来篡改任何数据,整个***将被攻破,此外,单陷门并不符合区块链的去中心化设定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多方授权的区块链重写方法及***,以解决上述问题。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种基于多方授权的区块链重写方法,包括以下步骤:
设计多陷门阈值变色龙哈希:通过秘密分享将变色龙哈希的单陷门分散成多个子密钥,由多个参与方持有;参与方通过持有的密钥签署凭证对哈希碰撞函数进行授权,且凭证可通过公钥验证有效性;
在计算碰撞时实现“t-out-of-n”的陷门重构方案,即对于数量为n的节点,只要获得其中t个节点签署的凭证时即可运行哈希碰撞算法计算碰撞;
将上述改进的多陷门阈值变色龙哈希应用到区块链共识中,基于共识的重写算法,由一组节点通过共识去重写历史区块;
在确定需要重写的区块后,由所有节点组成的联盟开始重写区块,这一过程调用多陷门阈值变色龙哈希中的函数。
重写过程分为四个阶段,分别是提案阶段,由主节点打包交易并确认被重写区块;投票阶段:由验证节点验证交易、签署凭证;计算碰撞阶段,由主节点收集到过半凭证后计算碰撞;确认阶段,所有节点执行区块替换操作。
进一步的,在陷门重构的过程中,首先要求每个边缘节点签署的凭证是可验证的,对于每个凭证σi,都能够使用子公钥PKi进行验证。
进一步的,多陷门阈值变色龙哈希具备原始变色龙哈希的安全性质,任何运行哈希碰撞算法的节点都无法得知重构出的哈希陷门。
进一步的,重写操作为一半以上的边缘节点同意时执行,具体为将多陷门阈值变色龙哈希阈值设置为N/2+1。
进一步的,多陷门阈值变色龙哈希:
密钥生成函数Gen(params,t,n):选取
Figure BDA0003059035570000021
Figure BDA0003059035570000022
分别设置
Figure BDA0003059035570000023
Figure BDA0003059035570000024
计算d作为密钥;选取一个t-1次多项式v,其中每一项的系数从Zp中随机选取,将多项式v的常数项设为d;将哈希公钥设置为
Figure BDA0003059035570000025
对于每个节点i∈[1,...,n],分发私钥ski=v(i)和公钥
Figure BDA0003059035570000026
哈希生成函数Hash:选择随机数
Figure BDA0003059035570000027
Figure BDA0003059035570000028
Figure BDA0003059035570000029
哈希验证函数HVer:验证是否有
Figure BDA0003059035570000031
签名函数Sign:
Figure BDA0003059035570000032
验签函数SVer:验证是否有
Figure BDA0003059035570000033
哈希碰撞函数Hcol:
Figure BDA0003059035570000034
Figure BDA0003059035570000035
进一步的,提案阶段:初始化:调用Gen生成(hk,(sk1,pk1),...(skn,pkn))并通过可信加密信道进行密钥分发;将初始化双线性群得到的椭圆曲线和预设的公共参数广播到所有边缘节点;
提案:通过公式p=v mod|R|选举主节点,其中v是视图编号,p是主节点ID,R是节点个数;被选举出的主节点将进入提案流程,将修改后的内容打包成提案块进行广播;提案消息为<<PROPOSAL,v,n,d>,m>,其中v为视图编号,n为提案块编号,d为主节点签名的块头摘要,m代表提案块。
进一步的,投票阶段:其它节点收到提案消息后对内容进行验证,若同意主节点重写则进入投票阶段,节点将使用自己的私钥ski通过Sign函数对提案块中的块头信息进行签名,得到凭证σi,并向主节点发送投票消息<VOTE,v,i,σi>,其中v为当前视图编号,i为该节点ID,σi为该节点签署的针对提案消息的凭证;
进一步的,计算碰撞阶段:主节点收到节点发送的投票消息VOTE后,首先验证v是否与当前视图编号一致,i是否为设备列表中的ID,之后使用节点的公钥pki对凭证σi进行验证,验证通过后该凭证即为有效凭证;主节点自身也可以使用私钥sk生成有效凭证;当主节点收集到t个有效凭证后,即进入计算碰撞阶段,将t个有效凭证进行聚合并生成对应于当前提案块的随机数R’。
进一步的,确认阶段:其余节点收到主节点证明消息后,首先验证视图编号、提案块编号和主节点签名,之后验证提案块中的变色龙哈希值是否是针对提案块头信息的多陷门变色龙哈希;验证通过后,节点使用提案块替换被重写区块。
进一步的,一种基于多方授权的区块链重写***,包括:
多陷门阈值变色龙哈希设计模块用于通过秘密分享将变色龙哈希的单陷门分散成多个子密钥,由多个参与方持有;参与方通过持有的密钥签署凭证对哈希碰撞函数进行授权,且凭证可通过公钥验证有效性;
陷门重构方案确定模块用于在计算碰撞时实现“t-out-of-n”的陷门重构方案,即对于数量为n的节点,只要获得其中t个节点签署的凭证时即运行哈希碰撞算法计算碰撞;
历史区块重写模块用于将上述改进的多陷门阈值变色龙哈希应用到区块链共识中,基于共识的重写算法,由一组节点通过共识去重写历史区块;在确定需要重写的区块后,由所有节点组成的联盟开始重写区块,这一过程调用多陷门阈值变色龙哈希中的函数;重写过程分为四个阶段,分别是提案阶段,由主节点打包交易并确认被重写区块;投票阶段:由验证节点验证交易、签署凭证;计算碰撞阶段,由主节点收集到过半凭证后计算碰撞;确认阶段,所有节点执行区块替换操作。
与现有技术相比,本发明有以下技术效果:
本发明的基于多方授权的区块重写技术通过对现有变色龙哈希方案进行改进,通过加入秘密分享将单陷门分散成多个子密钥,使原有的变色龙哈希符合去中心化设定。共识节点通过子密钥签署凭证对哈希碰撞函数进行授权,同时可以验证凭证的有效性。在计算碰撞时实现了指数上的(t,n)陷门重构,保证了陷门重构的安全性,同时可以容忍一定数量的错误节点。
一组节点通过共识完成区块重写操作,而不是由单个实体控制重写,增加了安全性,最大程度保护了链上数据的不可篡改特性,该技术可以用于修改链上非法数据和错误数据,同时可以用于在存储受限场景中扩展区块链存储。
附图说明
图1为区块链网络中不同节点个数对重写操作时间的影响;
图2为流程图。
具体实施方式
以下对本发明进一步说明:
本发明提出了一种基于多方授权的区块重写技术,依托于多陷门阈值变色龙哈希算法,能够实现基于共识的、安全、可控的区块重写。
本发明是通过以下技术方案来实现:
步骤一:对传统变色龙哈希进行改进,设计多陷门阈值变色龙哈希。通过秘密分享将变色龙哈希的单陷门分散成多个子密钥,由多个参与方持有;参与方通过持有的密钥签署凭证对哈希碰撞函数进行授权,且凭证可通过公钥验证有效性;
步骤二:在计算碰撞时实现“t-out-of-n”的陷门重构方案,即对于数量为n的节点,只要获得其中t个节点签署的凭证时即可运行哈希碰撞算法计算碰撞。在陷门重构的过程中,首先要求每个边缘节点签署的凭证是可验证的,即对于每个凭证σi,都可以使用子公钥PKi进行验证,确保整个陷门重构方案的健壮性。
步骤三:多陷门阈值变色龙哈希具备原始变色龙哈希的安全性质,保证敌手在多项式时间内无法攻破算法并且计算出有效的碰撞。其次,在陷门重构过程中要确保重构出的变色龙哈希陷门的安全性,即任何运行哈希碰撞算法的节点都无法得知重构出的哈希陷门。
步骤四:将上述步骤改进的多陷门阈值变色龙哈希应用到区块链共识中,设计了基于共识的重写算法,由一组节点通过共识去重写历史区块,这种共识可以容忍一半以下的故障节点。
步骤五:在确定需要重写的区块后,由所有节点组成的联盟开始重写区块,这一过程调用多陷门阈值变色龙哈希中的函数。重写操作只有一半以上的边缘节点同意才能执行,这个条件通过将多陷门阈值变色龙哈希阈值设置为N/2+1,保证这个过程是经过授权且安全可控的。
步骤六:重写过程分为四个阶段,分别是提案阶段,由主节点打包交易并确认被重写区块;投票阶段:由验证节点验证交易、签署凭证;计算碰撞阶段,由主节点收集到过半凭证后计算碰撞;确认阶段,所有节点执行区块替换操作。
变色龙哈希是一种单向哈希函数,包含哈希公钥和陷门,使用公钥进行哈希。在不知道陷门的情况下,变色龙哈希和其它哈希函数一样很难计算哈希碰撞(即很难找到对应于同样哈希的两条不同的消息),而一旦得到变色龙哈希的陷门,用户就能有效地计算任何哈希碰撞。在区块链中,每个区块头都存有前一个区块的哈希,这使得对区块链上任意区块的修改都会破坏区块的链式结构,使被修改区块之后的区块无法被验证。通过使用变色龙哈希,可以在不破坏块之间的哈希链接的情况下重写旧块。
多陷门阈值变色龙哈希
密钥生成函数Gen(params,t,n):选取
Figure BDA0003059035570000061
Figure BDA0003059035570000062
分别设置
Figure BDA0003059035570000063
Figure BDA0003059035570000064
计算d作为密钥。选取一个t-1次多项式v,其中每一项的系数从Zp中随机选取,将多项式v的常数项设为d。将哈希公钥设置为
Figure BDA0003059035570000065
对于每个节点i∈[1,...,n],分发私钥ski=v(i)和公钥
Figure BDA0003059035570000066
哈希生成函数Hash:选择随机数
Figure BDA0003059035570000067
Figure BDA0003059035570000068
Figure BDA0003059035570000069
哈希验证函数HVer:验证是否有
Figure BDA00030590355700000610
签名函数Sign:
Figure BDA00030590355700000611
验签函数SVer:验证是否有
Figure BDA0003059035570000071
哈希碰撞函数Hcol:
Figure BDA0003059035570000072
Figure BDA0003059035570000073
重写过程
1)初始化:
调用Gen生成(hk,(sk1,pk1),...(skn,pkn))并通过可信加密信道进行密钥分发。将初始化双线性群得到的椭圆曲线和预设的公共参数广播到所有边缘节点。
2)提案阶段
在提案阶段中,***通过公式p=v mod|R|选举主节点,其中v是视图编号,p是主节点ID,R是节点个数。被选举出的主节点将进入提案流程,将修改后的内容打包成提案块进行广播。提案消息为<<PROPOSAL,v,n,d>,m>,其中v为视图编号,n为提案块编号,d为主节点签名的块头摘要,m代表提案块。
3)投票阶段
其它节点收到提案消息后对内容进行验证,若同意主节点重写则进入投票阶段。节点将使用自己的私钥ski通过Sign函数对提案块中的块头信息进行签名,得到凭证σi,并向主节点发送投票消息<VOTE,v,i,σi>,其中v为当前视图编号,i为该节点ID,σi为该节点签署的针对提案消息的凭证。
4)计算碰撞阶段
主节点收到节点发送的投票消息VOTE后,首先验证v是否与当前视图编号一致,i是否为设备列表中的ID,之后使用节点的公钥pki对凭证σi进行验证,验证通过后该凭证即为有效凭证。主节点自身也可以使用私钥sk生成有效凭证。当主节点收集到t个有效凭证后,即进入计算碰撞阶段,将t个有效凭证进行聚合并生成对应于当前提案块的随机数R’。
5)确认阶段
其余节点收到主节点证明消息后,首先验证视图编号、提案块编号和主节点签名,之后验证提案块中的变色龙哈希值是否是针对提案块头信息的多陷门变色龙哈希。验证通过后,节点使用提案块替换被重写区块。
符号定义
假设g是p阶的循环群G的生成元,其中p为λ位的质数。假设一个算法是有效的当它能够在“概率多项式时间”(PPT)内执行完成。Zp为模p的加法群,
Figure BDA0003059035570000081
表示r是从Zp中随机选择的,GGen是一个PPT算法,该算法返回一个非对称双线性群G=(G1,G2,GT,p,g1,g2,e),其中G1,G2,GT都是p阶循环群,g1,g2分别是群G1和群G2的生成元,定义这三个群上的一个映射关系e:G1×G2→GT是一个可计算的双线性映射。
具体实施过程:
使用随机种子初始化双线性映射,测试重写过程中的参数大小:
Figure BDA0003059035570000082
重写过程使用了256bit的椭圆曲线定义双线性映射,与基于RSA的方法相比,本方案使用的基于椭圆曲线的方法安全性相当于3072bit的RSA方法,且生成的参数只有相同安全级别RSA方法的1/8,有利于减小整个***中的传输开销。
重写操作在不同节点数下产生的时间开销:
图1描述了区块链网络中不同节点个数对重写操作时间的影响,设节点数量为n,本***设置阈值参数t=n/2+1,重写操作中计算碰撞的时间随节点数量的增加而增加,在节点总数为1023时计算碰撞的时间大约为10ms。

Claims (10)

1.一种基于多方授权的区块链重写方法,其特征在于,包括以下步骤:
设计多陷门阈值变色龙哈希:通过秘密分享将变色龙哈希的单陷门分散成多个子密钥,由多个参与方持有;参与方通过持有的密钥签署凭证对哈希碰撞函数进行授权,且凭证通过公钥验证有效性;
在计算碰撞时实现“t-out-of-n”的陷门重构方案,即对于数量为n的节点,只要获得其中t个节点签署的凭证时即可运行哈希碰撞算法计算碰撞;
将上述改进的多陷门阈值变色龙哈希应用到区块链共识中,基于共识的重写算法,由一组节点通过共识去重写历史区块;
在确定需要重写的区块后,由所有节点组成的联盟开始重写区块,这一过程调用多陷门阈值变色龙哈希中的函数;
重写过程分为四个阶段,分别是提案阶段,由主节点打包交易并确认被重写区块;投票阶段:由验证节点验证交易、签署凭证;计算碰撞阶段,由主节点收集到过半凭证后计算碰撞;确认阶段,所有节点执行区块替换操作。
2.根据权利要求1所述的一种基于多方授权的区块链重写方法,其特征在于,在陷门重构的过程中,首先要求每个边缘节点签署的凭证是可验证的,对于每个凭证σi,都能够使用子公钥PKi进行验证。
3.根据权利要求1所述的一种基于多方授权的区块链重写方法,其特征在于,多陷门阈值变色龙哈希具备原始变色龙哈希的安全性质,任何运行哈希碰撞算法的节点都无法得知重构出的哈希陷门。
4.根据权利要求1所述的一种基于多方授权的区块链重写方法,其特征在于,重写操作为一半以上的边缘节点同意时执行,具体为将多陷门阈值变色龙哈希阈值设置为N/2+1。
5.根据权利要求1所述的一种基于多方授权的区块链重写方法,其特征在于,多陷门阈值变色龙哈希:
密钥生成函数Gen(params,t,n):选取
Figure FDA0003059035560000011
Figure FDA0003059035560000012
分别设置
Figure FDA0003059035560000013
Figure FDA0003059035560000014
计算d作为密钥;选取一个t-1次多项式v,其中每一项的系数从Zp中随机选取,将多项式v的常数项设为d;将哈希公钥设置为
Figure FDA0003059035560000021
对于每个节点i∈[1,...,n],分发私钥ski=v(i)和公钥
Figure FDA0003059035560000022
哈希生成函数Hash:选择随机数
Figure FDA0003059035560000023
Figure FDA0003059035560000024
Figure FDA0003059035560000025
哈希验证函数HVer:验证是否有
Figure FDA0003059035560000026
签名函数Sign:
Figure FDA0003059035560000027
验签函数SVer:验证是否有
Figure FDA0003059035560000028
哈希碰撞函数Hcol:
Figure FDA0003059035560000029
Figure FDA00030590355600000210
6.根据权利要求1所述的一种基于多方授权的区块链重写方法,其特征在于,提案阶段:初始化:调用Gen生成(hk,(sk1,pk1),...(skn,pkn))并通过可信加密信道进行密钥分发;将初始化双线性群得到的椭圆曲线和预设的公共参数广播到所有边缘节点;
提案:通过公式p=v mod|R|选举主节点,其中v是视图编号,p是主节点ID,R是节点个数;被选举出的主节点将进入提案流程,将修改后的内容打包成提案块进行广播;提案消息为<<PROPOSAL,v,n,d>,m>,其中v为视图编号,n为提案块编号,d为主节点签名的块头摘要,m代表提案块。
7.根据权利要求1所述的一种基于多方授权的区块链重写方法,其特征在于,投票阶段:其它节点收到提案消息后对内容进行验证,若同意主节点重写则进入投票阶段,节点将使用自己的私钥ski通过Sign函数对提案块中的块头信息进行签名,得到凭证σi,并向主节点发送投票消息<VOTE,v,i,σi>,其中v为当前视图编号,i为该节点ID,σi为该节点签署的针对提案消息的凭证。
8.根据权利要求1所述的一种基于多方授权的区块链重写方法,其特征在于,计算碰撞阶段:主节点收到节点发送的投票消息VOTE后,首先验证v是否与当前视图编号一致,i是否为设备列表中的ID,之后使用节点的公钥pki对凭证σi进行验证,验证通过后该凭证即为有效凭证;主节点自身也可以使用私钥sk生成有效凭证;当主节点收集到t个有效凭证后,即进入计算碰撞阶段,将t个有效凭证进行聚合并生成对应于当前提案块的随机数R’。
9.根据权利要求1所述的一种基于多方授权的区块链重写方法,其特征在于,确认阶段:其余节点收到主节点证明消息后,首先验证视图编号、提案块编号和主节点签名,之后验证提案块中的变色龙哈希值是否是针对提案块头信息的多陷门变色龙哈希;验证通过后,节点使用提案块替换被重写区块。
10.一种基于多方授权的区块链重写***,其特征在于,包括:
多陷门阈值变色龙哈希设计模块用于通过秘密分享将变色龙哈希的单陷门分散成多个子密钥,由多个参与方持有;参与方通过持有的密钥签署凭证对哈希碰撞函数进行授权,且凭证可通过公钥验证有效性;
陷门重构方案确定模块用于在计算碰撞时实现“t-out-of-n”的陷门重构方案,即对于数量为n的节点,只要获得其中t个节点签署的凭证时即运行哈希碰撞算法计算碰撞;
历史区块重写模块用于将上述改进的多陷门阈值变色龙哈希应用到区块链共识中,基于共识的重写算法,由一组节点通过共识去重写历史区块;在确定需要重写的区块后,由所有节点组成的联盟开始重写区块,这一过程调用多陷门阈值变色龙哈希中的函数;重写过程分为四个阶段,分别是提案阶段,由主节点打包交易并确认被重写区块;投票阶段:由验证节点验证交易、签署凭证;计算碰撞阶段,由主节点收集到过半凭证后计算碰撞;确认阶段,所有节点执行区块替换操作。
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