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区块链隐私关键技术研究

周李京  
【摘要】:区块链(blockchain)是目前安全领域的前沿技术。区块链是按照时间顺序排列的数据区块链式结构,本质上是通过去中心化的方式用密码学实现各个环节安全性的防篡改分布式数据库。区块链具有去中心化、防篡改、匿名性、公开可验证、可溯源、代码开源等特点。目前,在绝大多数区块链平台中,任何节点都可以访问区块链上的所有数据,所以区块链隐私安全问题显得尤为突出,成为区块链领域的重要研究课题。当前区块链隐私技术主要围绕基于区块链的可验证计算、区块链数据隐私、区块链交易地址隐私和区块链交易金额隐私等方面展开研究。首先,由于区块链、安全多方计算和可验证同态秘密分享都为了解决不可信群体之间如何协同工作的问题,所以区块链与安全多方计算和可验证同态秘密分享的结合具有先天优势。绝大多数现有的同态秘密分享和安全多方计算存在通信轮数多和通信量大的问题。然而,在区块链环境下,多轮通信和大量的通信数据势必导致算法本身和区块链平台运行效率的降低。除此之外,由于区块链中的节点是不可信的,大量的通信数据将给节点带来繁重的验证负担。因此,研究低轮通信的同态可验证秘密分享与安全多方计算对基于区块链的可验证计算具有重要意义。其次,现有基于区块链的应用中普遍存在泄露数据隐私和难以支持同态计算的问题。因此,研究安全高效且支持同态计算的去中心化外包计算机制可有效解决区块链应用系统中难以支持同态计算和隐私泄露的问题。最后,按照记账方式,区块链可以分为基于UTXO的区块链和基于账户的区块链。由于基于账户区块链中矿工需要实时更新动态变化的余额,所以区块链的余额隐藏机制具有一定困难性。因此,目前提供金额隐藏功能的区块链平台都是基于UTXO的区块链,而基于账户的区块链平台均以明文方式记录所有交易。所以,研究区块链余额隐藏机制可以弥补现有区块链技术中心缺少余额隐藏机制的不足。本文从区块链隐私出发,分别在一轮通信可验证同态秘密分享和安全多方计算、基于区块链的去中心化外包计算机制和区块链余额隐藏机制三个方面技术展开研究。本文的主要研究成果和创新点如下:(1)在低轮通信可验证同态秘密分享和安全多方计算方面,为应对区块链受通信轮数与通信量严重限制的问题,基于Shamir秘密分享算法递进式提出了三个可验证密码方案,分别是一轮通信可验证一阶乘法同态的秘密分享方案(NVHSS)、一轮通信可验证全同态秘密分享方案(NVFHSS)和一轮通信安全多方计算方案(AntNest)。(2)在基于区块链的外包计算机制方面,为解决区块链应用系统中泄露隐私和难以支持同态计算的问题,结合区块链工作原理、(1)中提出的NVHSS算法和NVFHSS算法,提出了支持高效同态乘法的去中心化外包计算机制(DOC)。在该机之中,在保障数据隐私的前提下,去中心化节点可以为用户提供可验证外包计算服务,并且可大幅减少用户和服务器节点的数据验证负担和存储空间。(3)在区块链交易金额隐私方面,结合范围证明、Pedersen承诺和零知识证明等密码技术,提出了区块链余额隐藏机制,包括匿名币建账过程和匿名币支付过程。该机制是首次实现区块链余额隐藏功能的机制,弥补了现有区块链技术中心缺少余额隐藏机制的不足。一方面,建账过程为用户生成匿名币账户,并从公开币账户向匿名币账户中存入一定数量的代币,解决了“匿名币从何而来”的问题。另一方面,匿名币支付过程实现了匿名币账户之间的保密交易,以实时、安全、可验证的方式隐藏了转账金额与用户余额。


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