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区块链的交易安全和隐私保护关键技术研究

高玉龙  
【摘要】:区块链技术是一种去中心化的分布式数据库技术,具有去信任、交易公开透明、数据不可篡改等特点,能够有效降低数据管理成本、提升工作效率和保护数据安全。然而,随着量子计算的发展,具备强大算力的量子计算攻击能够破解经典密码学算法,这对依赖椭圆曲线数字签名算法保证区块链的交易安全构成巨大威胁。同时,由于区块链上的交易信息公开透明,相关研究已经证明其还存在用户身份隐私泄漏的风险。因此,区块链交易安全和隐私保护的研究已成为当前区块链安全领域的重要课题。本文旨在提高区块链交易的安全性和匿名性。针对区块链交易的签名算法无法抵抗量子计算攻击,以及用户身份隐私泄漏的安全问题,开展了区块链的交易安全和隐私保护关键技术研究。本文的主要研究成果分别如下:(1)针对区块链交易中签名算法无法抵抗量子计算攻击的安全问题,提出了一种基于格签名算法的后量子区块链方案。在该方案中,利用格基委派算法和原像采样算法设计了基于格上小整数解困难问题的签名算法。将该签名算法引入到区块链技术中,用于区块链交易的签名与验证。经过安全性分析,本文区块链方案中的签名算法满足正确性和不可伪造性。同时,基于格上小整数解的困难问题,该签名算法可以提高区块链交易签名和验证的安全性,使区块链技术中交易的签名算法能够抵抗量子计算攻击。相较于其他基于格的签名算法,实验测试结果显示本文方案中的用户公钥和私钥长度更短,签名长度降低了 50%,有益于提高区块链交易中签名和验证的效率。(2)针对区块链存在的用户身份隐私泄漏问题,研究并设计了一种基于可链接环签名的匿名后量子区块链方案。通过格的陷门生成算法和拒绝采样原理设计了基于格的可链接环签名方案。将可链接环签名方案引入区块链的交易中,并利用隐蔽地址和密钥镜像原理,设计了匿名后量子区块链方案,隐藏交易双方的身份信息,防止区块链中用户身份隐私泄漏的风险。在随机预言模型下对该方案进行安全性分析,证明了方案中环签名满足正确性、匿名性、不可伪造性和可链接性。与其他格上环签名方案相比,实验测试结果显示该区块链方案中的密钥和签名长度都更短,通信计算开销和完成时长也更少。与零币和门罗币方案相比,本文方案不仅为用户身份提供隐私保护,而且区块链交易具有抵抗量子计算攻击的安全优势。(3)针对用户隐私信息易遭泄漏和滥用的安全隐患,且传统的信息访问控制存在数据臃肿、安全性不高等问题,研究了一个基于云存储和区块链的信息访问控制方案。在该方案中,利用云存储技术,将个人信息以密文形式存储在云服务器中,保护区块链用户隐私信息。以信息哈希值作为索引,经过分布式网络节点共识后存储在区块链上,优化了区块链的信息存储方式,改善了区块链数据臃肿的问题。同时,采用智能合约技术自动触发对个人信息访问的操作,防止用户的隐私信息被第三方泄漏或滥用,更加高效安全。与FairAccess等方案进行比较,用户信息经加密后存储在云服务器中,区块链仅仅存储信息的安全索引,降低了区块链对信息存储和管理的成本,并且有利于提升区块链的运行效率。(4)利用量子纠缠原理和委托权益证明(Delegated Proof of Stake,DPoS)共识机制,提出了一种安全的量子区块链方案。在该方案中,设计了以量子态形式的量子币作为区块链用户交易的加密货币进行使用。基于量子不可克隆原理,量子币无法被复制,可以抵抗针对区块链的双花攻击。结合量子纠缠原理和量子密钥安全分发协议,在区块链交易中采用量子密钥进行加密和签名,保障用户交易和隐私信息安全。同时,该方案利用最大纠缠态Bell态实现量子块编码,并通过委托权益证明DPoS共识机制达成量子区块链的共识。对该方案进行安全性分析,结果显示该方案能够抵抗中间人攻击、窃听攻击、双花攻击、状态估计攻击等攻击方式,提高了区块链交易和隐私信息的安全性。


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