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高效能区块链关键技术及应用研究

付金华  
【摘要】:随着计算机技术的迅速发展,社会进入信息化和大数据的时代。为了保障社会的稳定和人们的生活便利,数据安全、数据共享、数据防篡改等问题一直是人们研究的重点。传统中心化的方法解决这些问题,存在着技术和成本上的困难,比如数据记录在中心节点,容易造成篡改、伪造、泄漏等问题,而且随着节点越来越多,数据的使用成本也会越来越高。去中心化的区块链技术出现,为解决这些问题带来了契机。区块链技术运用密码学的方式对数据加密、自动化脚本代码组成的智能合约进行编程,拥有操作的分布式基础框架以及经济激励等手段,在节点无需添加第三方信任的分布式系统中,实现利用密码学保证信用的点对点交易、协调与协作。因此,区块链自从出现,就受到人们广泛的关注和研究,并以爆发式的发展速度,应用到社会各个领域。同时伴随而来的是,针对区块链的恶意攻击现象也随之增加,使区块链面临着数据损坏,篡改,泄露等风险,以及随着数据增大、应用增加,区块链的效率也有待提高,因此如何提高区块链的安全性能和运行效率,提高区块链的运行效能,一直是人们研究的重点。在区块链的基础框架的基础上,本文研究了基于聚合签名和分片的区块链性能提升技术、基于FPGA的哈希算法优化等关键技术及区块链在天文大数据处理和入侵检测中的应用问题。论文的主要创新性工作包括以下几个方面:第一,针对区块链面临的可扩展性挑战,提出了一种基于分片、聚合签名和密码抽签的新型公有链系统。在此区块链系统中,交易吞吐率能够随着分片的数量而增加,而共识签名的长度是一个常数。同时,共识代表的产生由可验证的随机函数控制,可以有效地解决集中共识问题。另外,对区块链系统的性能进行了分析,并与其它分片技术进行相比,证明其具有更可靠的安全性。第二,针对区块链中的哈希函数计算效率相对较低,影响区块链整体的计算效率,甚至导致区块链存在安全隐患的问题,提出了一种基于FPGA的区块链哈希加速优化算法。通过把区块链和FPGA加速卡结合,实现流水哈希算法,优化通信设施和网络数据传输效率,提高哈希函数的计算性能。同时选择轻量级哈希算法进行多次哈希,变换Hash算法结构,确保数据信息的安全性。实验结果表明,该方案不仅提高了区块链的安全性,还提高了处理数据的效率。另外,将多个签名消息聚合成一个签名,当发生验证签名的行为时,单纯采用CPU来完成该任务已无法满足性能要求,提出了一种基于FPGA的聚合签名共识方案。为了提高计算性能,利用FPGA并行性和寄存器多的特点对验签运算进行加速,该方案不仅减少了签名的存储空间和节约了网络带宽资源,而且也减少了签名验证的工作量,同时利用PFGA可重构特性提高了签名验证运算效率,从而提高区块链系统的性能。第三,针对SKA天文大数据处理的安全性、防篡改性、可溯源性和共享性的问题,提出了基于区块链的SKA数据处理方案。基于区块链的去中心化与分布式共识,确保数据处理的完整性,可靠性和真实性。并采用智能合约,同态哈希,安全容器,聚合签名和单向加密通道,保证了该方案的智能性、安全性和高性能。第四,针对用户间特征库无法共享,单用户检测网络恶意入侵对大型特征库有较大依赖的供需矛盾,检测效能低,导致单用户检测质量低于全网最高检测质量的问题,基于区块链技术,提出去中心化、去信任、防篡改、防伪造、可溯源的入侵检测系统,提出可以使各用户能够通过P2P网络传播的方式将特征库全网共享。此方法不仅可以达到单用户检测质量高于全网最高检测质量的目的,而且可以使现有网络的最高检测质量远大于原有网络最高检测质量。


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