CN114978515A - 基于混合加密的轻量级区块链加密方法 - Google Patents

基于混合加密的轻量级区块链加密方法 Download PDF

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CN114978515A CN202210342782.1A CN202210342782A CN114978515A CN 114978515 A CN114978515 A CN 114978515A CN 202210342782 A CN202210342782 A CN 202210342782A CN 114978515 A CN114978515 A CN 114978515A
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Abstract

本发明公开了一种基于混合加密的轻量级区块链加密方法，解决了区块链的计算成本高、可扩展性有限以及显著的带宽开销和延迟等问题。本发明提出的算法为解决椭圆曲线离散对数问题(Ellipticcurvediscretelogarithmproblem,ECDLP)的不可逆问题，引入ElGamal密码机制，对区块链交易进行非对称数据加密，以提高传输交易的安全性；采用遗传算法生成高度随机的密钥，并将密钥作为安全哈希算法384(SecureHashAlgorithm,SHA‑384)的输入对中间哈希值进行加密，从而实现较高的哈希率和哈希质量实。实验结果表明，该算法在交易处理时间、块验证处理时间、哈希率和哈希质量等方面均有明显的提高，便于轻量级可扩展区块链(LightweightScalableBlockChain,LSB)在物联网领域的应用。

Description

基于混合加密的轻量级区块链加密方法
技术领域
本发明区块链技术领域，尤其涉及一种基于混合加密的轻量级区块链加密方法。
背景技术
区块链是一种按照时间顺序将数据区块以顺序相连的方式组合成的一种链式数据结构，并以密码学方式保证的不可篡改和不可伪造的分布式账本，用于以分布式方式存储和共享数据。区块链以其分布式结构、可审计性、不变性、安全性和匿名性等显著特点成为解决上述物联网问题的一个有吸引力的解决方案。区块链的核心加密功能和分散性质也使其成为需要高安全性和去中心化的应用程序的一个有利选择。近年来，区块链在物联网的安全性、可审计性、可靠性和匿名性方面引起了极大的关注。传统物联网框架面临带宽、计算、内存受限、集中化等挑战，物联网生态***依赖于集中代理的通信模型，所有设备都通过云服务器进行识别、认证和连接，这种模式不可能随着数十亿个设备的连接而扩展。此外，云服务器仍然是一个瓶颈和故障点，可能会中断整个网络。
随着区块链的应用增多，现有区块链实例化的限制也显现出来：网络中节点数量增加时的开销、偶尔的不可追踪性、复杂共识算法、延迟以及由于交易增加而导致吞吐量受限。现有技术中提出了一种轻量级可扩展的物联网区块链框架，该架构在空间域中以不相交的方式形成小型的局部区块链，并将其保存在用于物联网设备的存储空间中，时间域中的大小限制是由局部区块链寿命的时间约束所施加的，在内存中本地区块链在时间上保留在传感器节点上，以将常规区块链简化为轻量级区块链。该框架在局部区块链上的验证速度很快，但导致了额外的块验证开销和延迟。
发明内容
针对上述区块链存在的计算成本高、可扩展性有限以及显著的带宽开销和延迟等问题，提供一种基于混合加密的轻量级区块链加密方法，该方法采用ElGamal型椭圆曲线密码体制和基于遗传算法的安全哈希算法对区块链实现双重加密，能够有效提高区块链加密性能。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种基于混合加密的轻量级区块链加密方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：身份注册
S11：将物联网设备作为轻量级区块链节点，每个物联网设备间进行点对点的交易；
S12：每个物联网设备经过注册服务器在区块链中完成身份注册；
S2：利用混合加密的轻量级区块链加密算法加密交易信息
S21：利用ElGamal型椭圆曲线密码体制对覆盖节点生成的交易数据进行非对称加密、解密；
S22：利用基于遗传算法的SHA-384加密哈希函数进行块哈希，生成哈希摘要；
S3：将完成的交易上传至交易链，获取当前可信物联网设备列表，进而实现区块链管控物联网终端设备。
进一步地，所述步骤S21的具体操作步骤为：
S211：接收机随机生成私钥d，再使用椭圆曲线密钥生成算法生成接收机的转换私钥Q，且Q＝dL，其中L为椭圆曲线方程Ep上的基点，Ep的表达式为：
Eq:y2＝x3+ax+b(mod(p)) (1)
S212：发送机随机生成私钥k，对于输入的纯文本数据T，根据式(1)和式(2)将其转换为椭圆曲线领域点的文本T′，并输出加密文本C1和C2，其中C1＝kL，
Figure BDA0003579967230000031
将加密数据C＝(C1,C2)发送给接收方；
D+A＝A+D＝A,-D＝D (2)
其中，A、B、C、D为椭圆曲线Eq上的四个点，D为无穷大；
S213：接收机方接收到密文C＝(C1,C2)后，利用其私钥d和解密算法计算T′：
Figure BDA0003579967230000032
其中，
Figure BDA0003579967230000033
表示椭圆曲线上的逆加法运算；
S214：将得到的T′关于x轴对称得到明文T。
进一步地，所述步骤S22的具体操作步骤包括：
S221：将传感器收到的数据发送到区块链；
S222：将所述区域链将所述数据划分成多个子数据，将所述子数据进行交叉运算生成初始群落；
S223：对初始群落基于适应度函数进行选择、基于轮盘赌进行交叉、基于向左向右旋转进行突变，最终将最后一代的最优个体设置为密钥；
S224：利用SHA-384加密哈希函数进行块哈希；
S225：利用S223生成的密钥对中间哈希值进行加密，最终生成哈希摘要。
有益效果
本发明提出了一种基于混合加密的轻量级区块链加密方法，其为解决椭圆曲线离散对数问题(Elliptic curve discrete logarithm problem,ECDLP)的不可逆问题，引入ElGamal密码机制，采用ElGamal型椭圆曲线密码体制和基于遗传算法的安全哈希算法对区块链实现双重加密，在保证较高的哈希率和哈希质量的前提下，提高传输交易的安全性。通过仿真实验其结果表明，本发明在交易处理时间、块验证处理时间、哈希率和哈希质量等方面均有明显的改善，可以更好地在基于区块链的物联网应用中采用。
附图说明
图1为块哈希的结构示意图。
图2为基于遗传算法的密钥生成流程图。
图3为不同算法的交易处理时间。
图4为不同算法的块验证的平均处理时间。
图5为不同算法的哈希率比较结果图。
图6为不同算法的哈希质量比较结果图。
具体实施方式
为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。
本发明以区块链加密方法作为问题背景。
传统的区块链加密方法介绍
基于分布式总账的数字加密货币的区块链，主要分为私有链、公有链和联盟链3种，区别是参与方式的不同。在区块链中，区块头和体组成了不同的区块，与之对应的区块地址由唯一哈希值构成。通过前后区块记录的哈希值构成了链式结构，将区块进行连接。在区块链交易中，对交易进行加密的数字签名用于保证数据的不可伪造和不可篡改性。常用的加密签名算法为椭圆曲线密码。
椭圆曲线密码(Elliptic Curve Cryptosystem,ECC)是基于椭圆曲线数学的一种公钥密码的方法。椭圆曲线离散对数问题(Elliptic curve discretelogarithmproblem,ECDLP)是一种基于椭圆曲线密码体制的非对称密码体制：设p是素数，Ep是椭圆曲线，对于椭圆曲线上的两点P和Q，它们满足Q＝kP。可以证明，用k和P计算Q比较容易，而用Q和P计算k比较困难。令椭圆曲线Eq在有限域上的椭圆曲线方程为：
Eq:y 2 ＝x 3 +ax+b(mod(p)) (1)
其中，a和b是满足4a3+27b2≠0的椭圆曲线Eq上的点，p是大于3的素数。使用加性运算符的后继椭圆曲线上的坐标遵循加性阿尔贝性质，将D视为来自椭圆曲线Eq上的无穷点，设A、B、C、D为椭圆曲线Eq(D为无穷大)上的四个点，则：
D+A＝A+D＝A,-D＝D (2)
如果A(x；y)≠0则-A＝(x；-y)；如果B＝-A，则A+B＝D；如果A≠B，则B≠D,B≠-A。
椭圆曲线上点的加法：在椭圆曲线上随机取两点A(x1,y1)和B(x2,y2)，如果A≠B，则过直线AB与椭圆曲线相交于第三点(C点)，然后关于X轴对称得到C'点，则D为这两点的和，记做A(x1,y1)+B(x2,y2)＝C'(x3,y3),C'＝-C＝(x3,-y3)。如果AB两点重合，则作椭圆曲线在A点处的切线，与曲线相交于第二点(C点)，关于X轴对称得到C'点，则C点为A点与自身的和，记作C'＝A+A。因此，C'(x3,y3)是点加法的结果，表示如下：
x3＝λ2-x1-x2,y3＝λ(x1-x3)-y1 (3)
其中λ表示斜率，如果A＝B，则
Figure BDA0003579967230000061
如果A≠B，则λ＝(y2-y1)/(x2-x1)。
通过以上分析，可以得出点加法的结果都在椭圆曲线上。此外，结合椭圆曲线的加法定律和离散对数运算，可以建立一个基于椭圆曲线的密码体制。
基于混合加密的轻量级区块链加密算法
本发明提出基于混合加密的轻量级区块链加密算法由两部分组成：ElGamal型椭圆曲线密码和遗传算法生成的加密安全哈希算法。本发明使用ElGamal型椭圆曲线密码体制在传感器传输过程中对交易进行加密，并在网关接收时解密，以提高传输交易的安全性。在物联网中，成千上万的传感器不断地将感官数据作为交易推送到区块链，哈希是块聚合和块验证的核心，本发明使用遗传算法和SHA-384开发高性能的哈希算法，以较高的哈希率和质量实现高性能和高安全性。
一、ElGamal型椭圆曲线密码加密与解密
由于椭圆曲线上的离散对数问题(ECDLP)的不可逆解，在椭圆曲线密码中引入了Elgamal密码体制，Elgamal是基于有限域上离散对数问题的最著名的公钥密码体制，可以提供更快的速度和更小的密钥长度。此外ElGamal的安全性高于其他经典的同类，能够对覆盖节点生成的交易进行非对称加密。该加密方法具有密钥长度短、速度快、性能好的优点。其包括以下几方面：
(1)生成接收密钥。对于式(1)中椭圆曲线方程Ep，选择素数点p和基点L，接收机设置私钥d，且接收机的转换私钥Q由Q＝dL确定，然后输出Ep,p,L,Q。
(2)发射机加密。对于输入的纯文本T，输出加密文本C1和C2。使用式(1)和(2)将纯文本转换为椭圆曲线领域点的文本T′，私钥k由发射机设置，C1＝kL，
Figure BDA0003579967230000071
其中
Figure BDA0003579967230000072
表示椭圆曲线上的加法运算，将加密数据C＝(C1,C2)发送给接收方。
(3)接收机解密。接收机接收密文C＝(C1,C2)，使用私钥d和公式(4)计算T′：
Figure BDA0003579967230000073
其中，
Figure BDA0003579967230000074
表示椭圆曲线上的逆加法运算。
将T′关于x轴对称得到明文T。
二、基于遗传算法的SHA-384加密哈希函数
在IoT中，成千上万的传感器不断地将感官数据作为交易推送到区块链，哈希是块聚合和块验证的核心，可以以较高的哈希率和质量实现高性能和高安全性，本发明基于遗传算法和SHA-384进行块哈希，如附图1所示，其输入是密钥和块，输出是统一长度的哈希摘要。
密码体制的钥匙强度取决于钥匙的动态性和不可预测的独特性，故而本发明使用遗传算法生成密钥以增加其随机性。具体的密钥生成过程包括：基于随机的群体大小和染色体长度的染色体创建、通过染色体收集进行群体生成、利用适应度函数进行强力染色体选择、随机选择亲本和交叉操作的基因选择、基于向左向右旋转的随机基因突变、基于适应度函数的子染色体选择、基于随机密钥选择密码。附图2给出了具体流程图。
遗传过程始于大小为Ps的种群，种群是长度为Cl的染色体的集合，染色体是基因的集合。染色体的长度就是它的基因数(Cl)。基因值在1到Ps×Cl之间随机产生，对于每个加密过程，密钥大小(染色体长度)是一个动态的框架，具有高度的个性化。
在遗传过程中只选择强染色体，称为m1≤m的拟合群体。采用以下方程进行初始选择：
Figure BDA0003579967230000081
适应度函数(Fitness function，又称目标函数)有助于确定染色体的适宜性。随着算法的迭代，适应度函数有助于提高整体的最佳拟合。素数是根据适应度函数fit(x)来确定的，这有助于使密钥更健壮。该过程从初始填充大小开始，并从最终的填充中选择密钥：
fit(x)＝((x+1)！+1)％x (6)
为了提高候选解的质量，采用轮盘赌选择机制来确定要交叉的染色体，以提高合格候选解的选择概率。在轮盘赌选择机制中，整个轮盘被分成切片或切槽，每个解用切片或切槽表示，轮盘的插槽尺寸根据个体的适应度值成比例地确定。
交叉过程在迭代基础上应用概率控制值pi(i＝1,2,…,m)，产生一个介于0和1之间的随机值S作为突变的概率。当p1＞S时，随机选择两个亲本进行突变处理，然后随机选择要杂交的基因数量。交叉染色体的长度为m2(m2＜m1)，进行随机混合交叉。交叉过程的算法如图2所示。
基于向左向右旋转进行突变，旋转是随机的，每个染色体要旋转的基因数量将以随机方式决定。旋转完成后，突变的染色体更新为mutation-pop，大小为m2(m2＜m1)。遗传过程被重复进行有限次计数，最后聚集最终群体进行密钥选择过程。
在选择过程中所使用的适应度函数同样适用于突变收集中的染色体，同样的选择过程被应用和更新到群体中，从新的群体中选择关键词。
安全哈希算法(Secure HashAlgorithm,SHA)利用功能强大的SHA-384与384位分组密码算法相结合，利用遗传算法生成的密钥对中间哈希值进行加密。块和密钥作为哈希函数的输入，将最后一个哈希值与前面的哈希值链接。
使用密钥的第9到16个素数初始化哈希变量H[0:7]，使用密钥的前80个素数初始化K[0:63]。在消息预处理阶段，主要完成消息的填充和扩展填充，将输入的原始消息转换为了n个768比特的消息块。然后对每个消息块利用SHA384压缩函数进行压缩循环处理，最后生成哈希摘要。
三、混合加密的轻量级区块链加密方法的安全性分析
由于交易经过编码嵌入椭圆曲线上一点Pj，每次交易随机选取私钥κj，计算
Figure BDA0003579967230000091
其中P是椭圆曲线上的基点。Pj经过加密被隐藏到项
Figure BDA0003579967230000092
上，PK表示区块链掌握的公钥。所以本交易外的人员获得交易用户交易信息最直接的方法是通过窃听获得加密隐藏的交易信息对
Figure BDA0003579967230000093
然后计算以上公式。但求得Pj，需要解决椭圆曲线离散对数问题，而椭圆曲线离散对数问题是一个极其困难的问题。因此，交易外人员很难获得交易用户的隐藏交易信息，从而无法获取用户的交易信息。
交易用户获得其他用户的交易信息也主要是通过窃听获得加密交易信息对
Figure BDA0003579967230000101
结合上面的分析，交易用户同样无法获取其他次用户的交易信息。
综上所述，混合加密的轻量级区块链加密算法很好地保护了区块链交易用户的隐私。
实施例2：混合加密的轻量级区块链加密算法仿真实例
为了验证所提方法的性能和有效性，在Intel Core i5处理器、8GBRAM和64位Windows 7操作***的计算机上进行实验，实验和仿真使用python3实现。通过以下仿真实验对其进行说明。
将温度传感器数据作为来自地理分布传感器的交易数据，选取Kaggle数据集，该数据集包含匿名建筑内外安装的物联网设备的温度读数，读数是在设备的测试阶段捕获的，包含用于数据传输的特性和97605条记录。对比方法有：文献[1]提出的基于RSA数字签名轻量级区块链的物联网方案；文献[2]提出的基于非对称密钥算法(Rivest ShamirAdleman,RSA)和数字签名算法(Digital Signature Algorithm,DSA)的混合签名算法。
随着物联网设备的增加，预计聚合器的交易处理开销会增加，交易由不断推送到区块链生态***的IoT设备数据组成。交易数据包的大小是一致的，将其作为所有交易大小的累积和(以kB为单位)来度量。
附图图3为本发明提出的方法与文献[1]和文献[2]所提算法之间的从设备通过交易聚合器到块管理器的交易流的处理时间的比较结果。从图中可以看出，所有方法的交易处理开销都会随着物联网设备的增加而增加，而本发明提出的交易流处理时间少于其他两种算法。这是因为文献[1]使用了典型的非对称密钥算法(Rivest Shamir Adleman,RSA)，文献[2]中使用了RSA)和数字签名算法(Digital Signature Algorithm,DSA)的混合签名算法，混合签名算法降低了RSA的处理时间，所以文献[2]处理时间低于文献[1]中方法。而本文方法中使用了ElGamal型椭圆曲线密码对区块链交易加密和解密，与现有两种方法比较，所提方法计算量小，处理速度快，并在较短时间内实现较强的抗攻击性。
附图4给出了本文算法与现有算法成功验证的块附加到块链上的平均处理时间的对比结构。从图中可以看出，随着块管理器的块增加，本发明算法的周转时间增长的趋势变小，且块验证的处理时间少于其他两种算法。这是因为相较于现有两种方法，本文方法总的速度较快，处理时间短，尽管块管理人员增加了块流量，但是本发明的处理时间最短。
相等数量的块循环执行的哈希操作的公式如式(7)所示：
Figure BDA0003579967230000111
其中HO散列操作，SB为块大小，PTB为块处理时间，NOH为哈希数。
附图5给出了本发明与协同多重证明(Synergistic Multiple Proof,SMP)和工作量证明机制(Proof-of-Work,POW)的哈希率的比较。与SMP和POW相比，本发明的哈希运算产生了更好的结果，这是因为本文散列是使用遗传算法和SHA-384相结合创建的，使用种群大小×染色体大小代替随机整数来创建初始种群，另外目标函数有助于确定染色体的适用性，随着算法的迭代，适应度函数有助于增加整体上的最佳拟合度，根据适应度函数确定素数，有助于使密钥更加密性能更强，增强了整个加密哈希函数过程的操作。
块循环的哈希质量是生态***中所需计算量的指标。根据式(8)确定最小哈希质量：
Figure BDA0003579967230000121
其中HQ为哈希质量，NOH为创建的哈希数，CH为哈希创建成本。
图6给出了不同算法的块循环的哈希质量。从图中可以看出，与SMP和POW相比，本发明的哈希质量优于所对比的方法。这是因为本发明使用ElGamal椭圆曲线加密体制对交易进行加密，并使用SHA-384和遗传算法改进了哈希质量。
参考文献[1]：基于RSA数字签名轻量级区块链的物联网方案；
参考文献[2]：基于非对称密钥算法(Rivest Shamir Adleman,RSA)和数字签名算法(Digital Signature Algorithm,DSA)的混合签名算法。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种基于混合加密的轻量级区块链加密方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：身份注册
S11：将物联网设备作为轻量级区块链节点，每个物联网设备间进行点对点的交易；
S12：每个物联网设备经过注册服务器在区块链中完成身份注册；
S2：利用混合加密的轻量级区块链加密算法加密交易信息
S21：利用ElGamal型椭圆曲线密码体制对覆盖节点生成的交易数据进行非对称加密、解密；
S22：利用基于遗传算法的SHA-384加密哈希函数进行块哈希，生成哈希摘要；
S3：将完成的交易上传至交易链，获取当前可信物联网设备列表，进而实现区块链管控物联网终端设备。
2.根据权利要求1所述的一种基于混合加密的轻量级区块链加密方法，其特征在于：所述步骤S21的具体操作步骤为：
S211：接收机随机生成私钥d，再使用椭圆曲线密钥生成算法生成接收机的转换私钥Q，且Q＝dL，其中L为椭圆曲线方程Ep上的基点，Ep的表达式为：
Eq:y2＝x3+ax+b(mod(p)) (1)
S212：发送机随机生成私钥k，对于输入的纯文本数据T，根据式(1)和式(2)将其转换为椭圆曲线领域点的文本T′，并输出加密文本C1和C2，其中C1＝kL，
Figure FDA0003579967220000021
将加密数据C＝(C1,C2)发送给接收方；
D+A＝A+D＝A,-D＝D (2)
其中，A、B、C、D为椭圆曲线Eq上的四个点，D为无穷大；
S213：接收机方接收到密文C＝(C1,C2)后，利用其私钥d和解密算法计算T′：
Figure FDA0003579967220000022
其中，
Figure FDA0003579967220000023
表示椭圆曲线上的逆加法运算；
S214：将得到的T′关于x轴对称得到明文T。
3.根据权利要求1所述的一种基于混合加密的轻量级区块链加密方法，其特征在于：所述步骤S22的具体操作步骤包括：
S221：将传感器收到的数据发送到区块链；
S222：将所述区域链将所述数据划分成多个子数据，将所述子数据进行交叉运算生成初始群落；
S223：对初始群落基于适应度函数进行选择、基于轮盘赌进行交叉、基于向左向右旋转进行突变，最终将最后一代的最优个体设置为密钥；
S224：利用SHA-384加密哈希函数进行块哈希；
S225：利用S223生成的密钥对中间哈希值进行加密，最终生成哈希摘要。
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