CN113271210B - 一种在区块链应用***中使用公钥加密概要密文的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在区块链应用***中使用公钥加密概要密文的方法。包含：应用***的数据收集和归总过程需要公开可验证，***建立在区块链上；应用***有高基数的类分数据，使用概要数据结构表示数据；用户为应用***私密贡献数据，以公钥加密概要，附以基于零知识证明的概要密文有效性证明；归总节点输入证明至智能验证合约，支付验证的运算和存储费用；归总节点归总所有有效概要密文后解密，在区块链上公布归总概要结果。本发明可为应用***增添透明性质，数据的收集和归总过程公开可验证；次线性存储空间的概要数据结构表示数据，降低存储和通讯开销；可确保概要密文的有效性，预防恶意用户对***的数据污染攻击；可广泛应用于需要以概要表示高基数类分数据的透明***中。

Description

一种在区块链应用***中使用公钥加密概要密文的方法
技术领域
本发明属于密码学领域，具体是一种基于零知识证明，在区块链应用***中使用公钥加密概要密文的方法。
背景技术
在应用***中，经常需要归总统计大量数据，然后发布统计结果供数据用户使用。例如视频推荐***中用户视频观看数据的统计、网络监测***中用户流量数据的统计等。该些数据为高基数的类分数据，若使用大小与基数呈线性关系的独热编码 (One-HotEncoding) 来表示数据，会增加存储和通讯开销。另外，数据用户关注统计的正确性，要求数据的收集和归总过程皆公开可验证。
最小计数概要是一种适合于表示高基数的类分数据的概要数据结构，它自身是一个二维数组，其中数据至数组的映射利用了一组哈希函数，以次线性储存空间高精度地表示原数据的近似值。假设概要
Figure DEST_PATH_IMAGE002
的大小为
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，有
Figure DEST_PATH_IMAGE006
个哈希函数
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，则对于每个接收的新数据
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，数据更新过程为
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，数据估算过程为
Figure DEST_PATH_IMAGE014
。概要具有线性性质，可以支持概要的归总操作。具体而言，每行使用了相同哈希函数的概要 𝑋 和 𝑋′ 通过同位元的相加，从而归总 𝑋 和 𝑋′ 对数据的计数至新的概要。
考虑在区块链上运行的透明应用***，当中用户使用公钥同态加密方案的公钥加密数据并上传密文至平台后，***同态归总所有密文、解密并发布归总密文。所谓公钥同态加密方案，是对于公钥
Figure DEST_PATH_IMAGE016
和数据
Figure DEST_PATH_IMAGE018
，有
Figure DEST_PATH_IMAGE020
。类分数据的基数很高时适合使用最小计数概要表示数据。概要的数据表示下，加密后有密文
Figure DEST_PATH_IMAGE022
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE024
。所有概要密文的同态归总利用了其线性性质，通过密文的同位元相加得到归总密文
Figure DEST_PATH_IMAGE026
。最后***使用密钥
Figure DEST_PATH_IMAGE028
解密得到
Figure DEST_PATH_IMAGE030
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE032
。
但是，若用户构造了无效概要（没有数据能映射到此概要）并加密上传，***归总此概要的密文时会造成数据污染问题。因此，在透明***中使用概要数据结构表示数据时，需要一种方法来保证概要密文的有效性。零知识证明是一种可以在隐藏知识的同时利用知识论断某项命题的技术，证明具有完备性、可靠性和零知识的性质。单位向量证明是一种以承诺
Figure DEST_PATH_IMAGE034
隐藏向量
Figure DEST_PATH_IMAGE036
并论断命题
Figure DEST_PATH_IMAGE038
的证明
Figure DEST_PATH_IMAGE040
。给定一个承诺
Figure 103144DEST_PATH_IMAGE034
和一个密文组
Figure DEST_PATH_IMAGE042
，相同消息证明是一种隐藏向量
Figure 364361DEST_PATH_IMAGE036
并论断
Figure DEST_PATH_IMAGE044
的证明
Figure DEST_PATH_IMAGE046
。给定两个密文组
Figure DEST_PATH_IMAGE048
，Shuffle证明是一种隐藏随机排列
Figure DEST_PATH_IMAGE050
并论断命题
Figure DEST_PATH_IMAGE052
，即两个密文组存在排列关系，的证明
Figure DEST_PATH_IMAGE054
。结合此些证明使用，可以证明概要密文的有效性。用户上传概要密文的同时附上证明密文有效性的零知识证明，依靠区块链的智能合约验证证明，可以解决数据污染的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在区块链应用***中使用公钥加密概要密文的方法。
本发明提出的一种在区块链应用***中使用公钥加密概要密文的方法，所述方法基于零知识证明中的单位向量证明、相同消息证明和Shuffle证明，构造出论断概要密文有效性的证明，然后依靠区块链的智能验证合约验证证明；所述区块链应用***包括：区块链平台、用户、数据用户、归总节点和智能验证合约；
所述用户，为区块链应用***提供数据，会注重数据隐私，为此将数据加密上传至区域链平台；
所述区块链平台，是一个公开防篡改平台，包含公链和公开档案***（如以太坊和星際檔案系統的组合）；区块链平台的公链上部署智能验证合约，及区块链平台的档案***记录来自用户提供的数据；
所述智能验证合约，用于验证用户数据附带的有效性证明，验证成功则标注密文为有效概要，该智能验证合约由归总节点部署和执行；
所述归总节点，为用户提供的数据归总后进行解密，为此持有公钥和加密方案的私钥；作为数据的收集方，有一定的公信力，由政府或机构担任，不会解密单个概要密文，且支付合约运算和存储费用；
所述数据用户，为应用***的数据统计的使用方，会注重数据统计的正确性，为此要求数据的收集和归总过程皆公开可验证；
具体步骤如下：
（1）归总节点生成加密方案的公钥
Figure 846289DEST_PATH_IMAGE016
和私钥
Figure 839653DEST_PATH_IMAGE028
，在区块链平台上应用***中公布公钥，并于区块链上部署智能验证合约；
（2）用户为区块链应用***提供高基数的类分数据
Figure 656299DEST_PATH_IMAGE010
，具体以一个大小为
Figure 393311DEST_PATH_IMAGE004
的概要
Figure 916696DEST_PATH_IMAGE002
表示数据，然后加密概要并上传密文
Figure 346541DEST_PATH_IMAGE022
至区块链平台；
（3）用户为数据的概要密文生成有效性证明：
设
Figure DEST_PATH_IMAGE056
为承诺方案的承诺算法，
Figure DEST_PATH_IMAGE058
为加密方案的加密算法，
Figure DEST_PATH_IMAGE060
为同态加法算子,
Figure DEST_PATH_IMAGE062
为
Figure DEST_PATH_IMAGE064
的所有排列的集合；
对于每个
Figure DEST_PATH_IMAGE066
，先对概要第
Figure DEST_PATH_IMAGE068
行向量
Figure DEST_PATH_IMAGE070
进行承诺，得到承诺
Figure DEST_PATH_IMAGE072
；
对于每个
Figure 962068DEST_PATH_IMAGE066
，
Figure DEST_PATH_IMAGE074
是概要密文第
Figure 50241DEST_PATH_IMAGE068
行的密文组，
使用相同消息证明隐藏向量
Figure 693711DEST_PATH_IMAGE070
并论断
Figure DEST_PATH_IMAGE076
，
使用单位向量证明隐藏向量
Figure 91195DEST_PATH_IMAGE070
并论断
Figure DEST_PATH_IMAGE078
；
然后用户选择随机数据
Figure DEST_PATH_IMAGE080
和随机数
Figure DEST_PATH_IMAGE082
，
建立计数密文组
Figure DEST_PATH_IMAGE084
，但保证其中
Figure DEST_PATH_IMAGE086
；
随机选择排列
Figure DEST_PATH_IMAGE088
，计算排列并盲化后的计算密文组
Figure DEST_PATH_IMAGE090
，计算公式为
Figure DEST_PATH_IMAGE092
；
使用Shuffle证明论断
Figure 194018DEST_PATH_IMAGE090
和
Figure DEST_PATH_IMAGE094
存在排列关系；
最后开启密文
Figure DEST_PATH_IMAGE096
的承诺，显示其承诺的消息为
Figure DEST_PATH_IMAGE098
；
（4）用户上传有效性证明至区块链平台，证明包括概要每行的承诺、零知识证明和承诺开启信息；
（5）归总节点将用户上传的有效性证明输入至智能验证合约，并为合约的运算和存储付费；
（6）智能验证合约验证零知识证明和承诺开启信息；若验证成功，标注密文
Figure 85881DEST_PATH_IMAGE022
为有效概要；
（7）归总节点归总所有有效概要密文，得到归总概要密文
Figure 583859DEST_PATH_IMAGE026
，然后使用私钥解密归总概要密文；数据用户可以在区块链平台上得到归总概要结果
Figure 355506DEST_PATH_IMAGE030
。
本发明的有益效果在于：
本发明可以为应用***增添透明性质，数据的收集和归总过程公开可验证；可以以次线性存储空间的概要数据结构表示数据，降低存储和通讯开销；可以确保概要密文的有效性，预防恶意用户对***的数据污染攻击；可广泛应用于需要以概要表示高基数类分数据的透明***中。本发明能够解决使用公钥加密概要密文时的数据污染问题：因为证明有可靠性的性质，对用户提交有效概要密文的信任转化为对证明背后的密码学困难问题的信任。
附图说明
图1为使用了本发明提出的公钥加密概要密文方法的区块链应用***。
图2为本发明提出的公钥加密概要密文方法的使用时序图。
图3为本发明提出的公钥加密概要密文方法的使用流程图。
具体实施方式
下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。
实施例1：
如图1所示，本发明提出的公钥加密概要密文方法，适用于区块链平台中的应用***。用户将数据的概要密文和密文的有效性证明上传至区块链平台中的应用***。归总节点执行区块链平台中智能验证合约，验证应用***中的有效性证明，并标注验证成功的密文为有效概要。归总节点也负责同态归总应用***中的有效密文，再将归总密文解密，得出可供数据用户使用的归总概要结果。
如图2所示，本发明提出的在区块链应用***中使用公钥加密概要密文的方法，需要归总节点首先在应用***公布加密概要所使用的公钥，然后用户将公钥加密概要密文及有效性证明上传至应用***。接着，归总节点以***中的有效性证明作为参数，执行智能验证合约，并支付费用。合约执行结束后标注密文的有效性，最后归总节点归总所有有效概要密文，然后解密归总密文，在应用***中公布归总概要结果。
如图3所示，本发明提出的在区块链应用***中使用公钥加密概要密文的方法，使用的具体流程为：
1、归总节点生成加密方案的公钥
Figure 306144DEST_PATH_IMAGE016
和私钥
Figure 188650DEST_PATH_IMAGE028
，在区块链平台上应用***中公布公钥，并于区块链上部署智能验证合约；
2、用户为应用***提供高基数的类分数据
Figure 603450DEST_PATH_IMAGE010
，具体以概要
Figure 545999DEST_PATH_IMAGE002
表示数据，然后加密概要并上传密文
Figure 983933DEST_PATH_IMAGE022
至区块链平台；
3、用户为数据的概要密文生成有效性证明：
对于每个
Figure 404550DEST_PATH_IMAGE066
，先对概要第
Figure 611541DEST_PATH_IMAGE068
行向量
Figure 724990DEST_PATH_IMAGE070
进行承诺，得到承诺
Figure 650221DEST_PATH_IMAGE072
；
对于每个
Figure 874529DEST_PATH_IMAGE066
，
Figure 575506DEST_PATH_IMAGE074
是概要密文第
Figure 859857DEST_PATH_IMAGE068
行的密文组，
使用相同消息证明论断
Figure 272384DEST_PATH_IMAGE076
，
使用单位向量证明论断
Figure 300383DEST_PATH_IMAGE078
；
然后用户选择随机数据
Figure 295015DEST_PATH_IMAGE080
和随机数
Figure 484688DEST_PATH_IMAGE082
，
建立计数密文组
Figure 384511DEST_PATH_IMAGE084
，但保证其中
Figure 950621DEST_PATH_IMAGE086
；
随机选择排列
Figure 252289DEST_PATH_IMAGE088
，计算
Figure 675181DEST_PATH_IMAGE092
；
使用Shuffle证明论断
Figure 62300DEST_PATH_IMAGE090
和
Figure 432101DEST_PATH_IMAGE094
存在排列关系；
最后开启
Figure 322697DEST_PATH_IMAGE096
的承诺，显示其承诺的消息为
Figure 431336DEST_PATH_IMAGE098
；
4、用户上传有效性证明至区块链平台，证明包括概要每行的承诺、零知识证明和承诺开启信息；
5、归总节点将用户上传的有效性证明输入至智能验证合约，并为合约的运算和存储付费；
6、智能验证合约验证零知识证明和承诺开启信息；若验证成功，标注密文
Figure 40172DEST_PATH_IMAGE022
为有效概要；
7、归总节点归总所有有效概要密文，得到归总概要密文
Figure 213664DEST_PATH_IMAGE026
，然后使用私钥解密归总概要密文；数据用户可以在区块链平台上得到归总概要结果
Figure 224345DEST_PATH_IMAGE030
。

Claims (1)

1.一种在区块链应用***中使用公钥加密概要密文的方法，其特征在于：所述方法基于零知识证明中的单位向量证明、相同消息证明和Shuffle证明，构造出论断概要密文有效性的证明，然后依靠区块链的智能验证合约验证证明；所述区块链应用***包括：区块链平台、用户、数据用户、归总节点和智能验证合约；
所述用户，为区块链应用***提供数据，会注重数据隐私，为此将数据加密上传至区域链平台；
所述区块链平台，是一个公开防篡改平台，包含公链和公开档案***，区块链平台的公链上部署智能验证合约，及区块链平台的档案***记录来自用户提供的数据；
所述智能验证合约，用于验证用户数据附带的有效性证明，验证成功则标注密文为有效概要，该智能验证合约由归总节点部署和执行；
所述归总节点，为用户提供的数据归总后进行解密，为此持有公钥和加密方案的私钥；作为数据的收集方，有一定的公信力，由政府或机构担任，不会解密单个概要密文，且支付合约运算和存储费用；
所述数据用户，为应用***的数据统计的使用方，会注重数据统计的正确性，为此要求数据的收集和归总过程皆公开可验证；
具体步骤如下：
（1）归总节点生成加密方案的公钥
Figure 418789DEST_PATH_IMAGE001
和私钥
Figure 70350DEST_PATH_IMAGE002
，在区块链平台上应用***中公布公钥，并于区块链上部署智能验证合约；
（2）用户为区块链应用***提供高基数的类分数据
Figure 771459DEST_PATH_IMAGE003
，具体以概要
Figure 901089DEST_PATH_IMAGE004
表示数据，然后加密并上传密文
Figure 512199DEST_PATH_IMAGE005
至区块链平台；
（3）用户为数据的概要密文生成有效性证明：
设
Figure 69082DEST_PATH_IMAGE006
为承诺方案的承诺算法，
Figure 742640DEST_PATH_IMAGE007
为加密方案的加密算法，
Figure 738278DEST_PATH_IMAGE008
为同态加法算子,
Figure 141577DEST_PATH_IMAGE009
为
Figure 554848DEST_PATH_IMAGE010
的所有排列的集合；
对于每个
Figure 840336DEST_PATH_IMAGE011
，先对概要第
Figure 311768DEST_PATH_IMAGE012
行向量
Figure 507257DEST_PATH_IMAGE013
进行承诺，得到承诺
Figure 671522DEST_PATH_IMAGE014
；
对于每个
Figure 444306DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 640801DEST_PATH_IMAGE015
是概要密文第
Figure 18693DEST_PATH_IMAGE012
行的密文组，
使用相同消息证明隐藏向量
Figure 150597DEST_PATH_IMAGE013
并论断
Figure 286043DEST_PATH_IMAGE016
，
使用单位向量证明隐藏向量
Figure 99279DEST_PATH_IMAGE013
并论断
Figure 393994DEST_PATH_IMAGE017
；
然后用户选择随机数据
Figure 900061DEST_PATH_IMAGE018
和随机数
Figure 7957DEST_PATH_IMAGE019
，
建立计数密文组
Figure 687200DEST_PATH_IMAGE020
，但保证其中
Figure 774105DEST_PATH_IMAGE021
；
随机选择排列
Figure 388757DEST_PATH_IMAGE022
，计算排列并盲化后的计算密文组
Figure 357850DEST_PATH_IMAGE023
，计算公式为
Figure 512888DEST_PATH_IMAGE024
；
使用Shuffle证明论断
Figure 906829DEST_PATH_IMAGE023
和
Figure 551437DEST_PATH_IMAGE025
存在排列关系；
最后开启密文
Figure 211088DEST_PATH_IMAGE026
的承诺，显示其承诺的消息，得到的数据是正整数
Figure 107500DEST_PATH_IMAGE027
；
（4）用户上传有效性证明至区块链平台，证明包括概要每行的承诺、零知识证明和承诺开启信息；
（5）归总节点将用户上传的有效性证明输入至智能验证合约，并为合约的运算和存储付费；
（6）智能验证合约验证零知识证明和承诺开启信息；若验证成功，标注密文
Figure 903418DEST_PATH_IMAGE005
为有效概要；
（7）归总节点归总所有有效概要密文，得到归总概要密文
Figure 984506DEST_PATH_IMAGE028
，然后使用私钥解密归总概要密文；数据用户可以在区块链平台上得到归总概要结果
Figure 131454DEST_PATH_IMAGE029
。
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