CN109104286B - 一种基于门限数字签名的共识的新区块生成方法 - Google Patents

一种基于门限数字签名的共识的新区块生成方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于门限数字签名的共识的新区块生成方法，区块生成候选人获得签名密钥算法、公钥、私钥及验证数据，收到交易数据后有效则置入交易缓冲区，区块生成条件满足则签名，得到并广播哈希值
Figure DDA0001744553120000011
和签名σi，区块生成候选人收到其余区块传送的σi及
Figure DDA0001744553120000012
后，验证σi为
Figure DDA0001744553120000013
的有效签名则保留，有效σi与门限数相等且

Description

一种基于门限数字签名的共识的新区块生成方法
技术领域
本发明涉及支付体系结构、方案或协议的技术领域，特别涉及一种减少新区块产生和确认的时间且有效避免区块生成候选人失效而带来的风险的基于门限数字签名的共识的新区块生成方法。
背景技术
区块链，本质上是一个去中心化的数据库，是一串使用密码学方法相关联产生的数据块，每一个数据块中包含了一次交易的信息，用于验证其信息的有效性(防伪)和生成下一个区块。
随着区块链技术的发展，一些基于区块链的应用越来越多，而区块链中的交易确认速度及吞吐量一直为人诟病。
现有技术中，区块链技术中具有较高吞吐量和较短确认速度的共识机制主要有中心节点模式和委员会模式，然而，这些模式都存在单点失败或者多轮通信的弊端。
发明内容
本发明解决的技术问题是，现有技术中，区块链技术的共识机制中，不管是中心节点模式还是委员会模式都存在单点失败或者多轮通信的弊端，本发明提供了一种优化的基于门限数字签名的共识的新区块生成方法，利用具有门限数字的签名共识机制技术克服单点失败及多轮通信的弊端。
本发明所采用的技术方案是，一种基于门限数字签名的共识的新区块生成方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：在共识节点网络中，选择n个区块生成候选人；
步骤2：区块生成候选人执行门限数字t的签名密钥算法，对候选人参数进行初始化，任一区块生成候选人获得候选人公钥pk、对应的共享私钥ski以及验证数据vk；
步骤3：交易数据产生，发送到每个区块生成候选人，任一区块生成候选人验证交易有效性，若有效，则将交易数据置入交易缓冲区，进行下一步，否则，丢弃交易，返回步骤3；
步骤4：判断区块生成条件是否满足，若是，按交易数据的哈希值对交易缓冲区中的交易进行排序，并且计算对应的Merkle根R，否则，进行步骤4；
步骤5：任一区块生成候选人利用对应的ski进行门限数字签名，得到哈希值
Figure GDA0003026757030000021
，生成签名σi；广播σi及
Figure GDA0003026757030000022
；
步骤6：任一区块生成候选人收到其余区块生成候选人传送的σi及
Figure GDA0003026757030000023
，利用vk验证σi是否为
Figure GDA0003026757030000024
的有效签名，若是，则保留，当收到与门限数字值t一致的有效σi且
Figure GDA0003026757030000025
都一致时，可以执行门限签名合成算法，生成最终签名σ，生成新区块；否则，丢弃所述σi及
Figure GDA0003026757030000026
；
步骤7：广播当前新区块。
优选地，所述步骤2中，密钥算法为有分发者模式或无分发者模式。
优选地，所述步骤2中，公钥和对应的私钥为RSA的公钥和对应的私钥。
优选地,所述步骤4中，满足区块生成条件包括候选人具有对交易数据进行数字签名的资格。
优选地，所述步骤5中，哈希值
Figure GDA0003026757030000027
包括前一个区块的区块头哈希值hi、当前区块高度height以及当前Merkle根R这三个数据的哈希值
Figure GDA0003026757030000028
。
优选地，所述步骤6中，新区块包括区块头和区块体，区块头包括区块头哈希值hi、当前区块高度height、当前Merkle根R和最终签名σ，区块体为区块包含的交易数据。
优选地，所述步骤6中，当达成共识
Figure GDA0003026757030000029
和本候选人计算得出的
Figure GDA00030267570300000210
不一致时，该候选人向其他候选人读取新区块的数据。
本发明提供了一种优化的基于门限数字签名的共识的新区块生成方法，区块生成候选人执行门限数字t的签名密钥算法，任一区块生成候选人获得候选人公钥pk、对应的共享私钥ski以及验证数据vk，当交易数据发送到每个区块生成候选人，任一区块生成候选人验证交易有效则将交易数据置入交易缓冲区，当区块生成条件满足，按交易数据的哈希值对交易缓冲区中的交易进行排序，并且计算对应的Merkle根R，利用对应的ski进行门限数字签名，得到签名内容的哈希值
Figure GDA0003026757030000031
，生成σi，广播σi及
Figure GDA0003026757030000032
；任一区块生成候选人收到其余区块生成候选人传送的σi及
Figure GDA0003026757030000033
后，利用v验证σi，σi为
Figure GDA0003026757030000034
的有效签名则保留，当收到与门限数字值t一致的有效σi且
Figure GDA0003026757030000035
都一致时，可以执行门限签名合成算法，生成最终签名σ，生成新区块并广播。
本发明运用基于门限数字的签名技术，在一群区块生成候选人中达成对新生区块的共识，从而保证区块链的正常运行，只要有t个区块生成候选人执行共识算法，新生区块就能马上获得确认，减少新区块产生和确认的时间，避免由于某个或若干个区块生成候选人失效所带来的风险，无单点失败问题，只要还有t个以上的候选人运行正常，新的区块总能产生，一轮候选人之间的通信便可达成新区块的共识。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细描述，但本发明的保护范围并不限于此。该示例中所用到的具体门限数字签名方案取自于密码学家Victor Shoup发表在EUROCRYPT 2000会议的《Practical Threshold Signatures》论文中。
本发明涉及一种基于门限数字签名的共识的新区块生成方法，一共预设n个区块生成候选人，当新区块出现，每个区块生成候选人都对这个新区块进行认证以及部分签名操作并广播到这n个区块生成候选人里的其他人，其他每个区块生成候选人接收到其他人发来的部分签名后，进行验证，当针对同一个区块的有效部分签名达到t个时，合成最终的新区块。
所述方法包括以下步骤。
步骤1：在共识节点网络中，选择n个区块生成候选人。
步骤2：区块生成候选人执行门限数字t的签名密钥算法，对候选人参数进行初始化，任一区块生成候选人获得候选人公钥pk、对应的共享私钥ski以及验证数据vk。
所述步骤2中，密钥算法为有分发者模式或无分发者模式。
所述步骤2中，公钥和对应的私钥为RSA的公钥和对应的共享私钥。
本发明中，共享私钥即secret share，指一个整体的私钥被分割成了n份(其中有重复的部分)，每人分得一份。
本发明中，举例来说，当密钥算法为有分发者模式时，算法如下。
步骤2.1：生成区块生成候选人的公钥pk＝(n,e)及对应的共享私钥ski＝(n,d)，其中，n＝p·q，p＝2p'+1，q＝2q'+1，p、q、p'和q'都是大素数。
步骤2.2：系统生成随机数u，满足u＜n且
Figure GDA0003026757030000041
即雅克比符号为-1。
步骤2.3：生成多项式
Figure GDA0003026757030000042
其中a0＝d，t为门限值。
步骤2.4：系统生成随机数r，满足r＜n，计算v＝r2 modn。
步骤2.5：令区块生成候选人的个数为L，对每个服务器从1到L进行编号。
步骤2.6：计算△＝L！；计算si＝f(i)△-1modp'q'，
Figure GDA0003026757030000043
步骤2.7：发送n、v、u、{vi}和si给区块生成候选人i，销毁d、f(x)和{si}；区块生成候选人的公钥pk＝(n,e,u)，对应的共享私钥ski＝si，验证数据vk＝(v,{vi})。
本发明中，步骤2.7完成后，区块生成候选人除了获得公钥、共享私钥和验证数据外，系统里还存在部分功能性的哈希函数。
本发明中，步骤2主要进行了候选人参数的初始化。
步骤3：交易数据产生，发送到每个区块生成候选人，任一区块生成候选人验证交易有效性，若有效，则将交易数据置入交易缓冲区，进行下一步，否则，丢弃交易，返回步骤3。
本发明中，步骤3表示对新生成的交易是否有效进行判断，基于有效的前提才有需要生成新的区块，一个区块中包含了很多交易数据，一条交易数据的产生并不能说明新区块将要产生。
本发明中，步骤3的有效性是指交易数据自身的有效性验证过程，一般来说，是对其中的数字签名进行验证。
步骤4：判断区块生成条件是否满足，若是，按交易数据的哈希值对交易缓冲区中的交易进行排序，并且计算对应的Merkle根R，否则，进行步骤4。
所述步骤4中，满足区块生成条件包括候选人具有对交易数据进行数字签名的资格。
本发明中，步骤4中区块生成条件指的是候选人可以对这些交易数据(打包成区块)进行数字签名，但是该区块是否被加入到区块链中还要看其他候选人是否也对相同的区块进行数字签名，如前文所述，需要有t个候选人都对相同的区块都进行了签名，这个新区块才最终生成。
本发明中，步骤4的排序从大到小或从小到大都可以，只要每个候选执行相同的操作即可。
步骤5：任一区块生成候选人利用对应的ski进行门限数字签名，得到哈希值
Figure GDA0003026757030000051
生成签名σi；广播σi及
Figure GDA0003026757030000052
所述步骤5中，哈希值
Figure GDA0003026757030000053
包括前一个区块的区块头哈希值hi、当前区块高度height以及当前Merkle根R这三个数据的哈希值
Figure GDA0003026757030000054
本发明中，步骤4和步骤5用于生成每个区块生成候选人处的哈希值
Figure GDA0003026757030000055
和签名σi，用于后续的交互判断。
步骤6：任一区块生成候选人收到其余区块生成候选人传送的σi及
Figure GDA0003026757030000061
利用vk验证σi是否为
Figure GDA0003026757030000062
的有效签名，若是，则保留，当收到与门限数字值t一致的有效σi且
Figure GDA0003026757030000063
都一致时，可以执行门限签名合成算法，生成最终签名σ，生成新区块；否则，丢弃所述σi及
Figure GDA0003026757030000064
所述步骤6中，新区块包括区块头和区块体，区块头包括区块头哈希值hi、当前区块高度height、当前Merkle根R和最终签名σ，区块体为区块包含的交易数据。
所述步骤6中，当达成共识
Figure GDA0003026757030000065
和本候选人计算得出的
Figure GDA0003026757030000066
不一致时，该候选人向其他候选人读取新区块的数据。
本发明中，步骤6主要用于对于每个区块生成候选人计算得到的哈希值
Figure GDA0003026757030000067
和签名σi进行交互验证，当验证到门限数字t个有效的签名σi后且
Figure GDA0003026757030000068
都一致时，即成为新区块的生成必要条件。本发明中，门限签名合成算法是门限数字签名算法里的一个子算法。一个门限数字签名算法里面包含系统公私钥对产生(密钥)算法、候选人秘密和验证参数产生算法、候选人签名(门限数字签名产生)算法、最终签名合成(门限签名合成算法)、签名验证算法，其中，门限签名合成算法是本领域常规技术特征，本领域技术人员可以依据需求进行执行操作。
本发明中，举例来说，步骤6中生成最终签名σ包括以下步骤。
步骤6.1：记区块头哈希值
Figure GDA0003026757030000069
当前区块高度height、当前Merkle根R为block。
步骤6.2：计算
Figure GDA00030267570300000610
则
Figure GDA00030267570300000611
步骤6.3：计算
Figure GDA00030267570300000612
e′＝4。
步骤6.4：从0到n中任选一个数ri；计算
Figure GDA00030267570300000613
Figure GDA00030267570300000614
zi＝sici+ri。
步骤6.5：广播
Figure GDA00030267570300000615
xi、ci和zi。
步骤6.6：收到其他区块链服务器发送的
Figure GDA0003026757030000071
xi、ci和zi，判断有效性，如无效则丢弃，如收到t组有效的
Figure GDA0003026757030000072
xi、ci和zi且
Figure GDA0003026757030000073
均相等，进行下一步。
所述步骤6.6中，判断有效性通过等式
Figure GDA0003026757030000074
当等式成立时，则其他区块链服务器发送的
Figure GDA0003026757030000075
xi、ci和zi是有效的。
步骤6.7：另其他区块链服务器的编号为i1,i2…it，组成集合S，且
Figure GDA0003026757030000076
计算
Figure GDA0003026757030000077
步骤6.8：根据扩展欧几里得算法计算a和b，满足e′·a+e·b＝1，计
Figure GDA0003026757030000078
步骤6.9：新区块为block与σ的组合。
步骤7：广播当前新区块。
本发明通过区块生成候选人执行门限数字t的签名密钥算法，任一区块生成候选人获得候选人公钥pk、对应的共享私钥ski以及验证数据vk，当交易数据发送到每个区块生成候选人，任一区块生成候选人验证交易有效则将交易数据置入交易缓冲区，当区块生成条件满足，按交易数据的哈希值对交易缓冲区中的交易进行排序，并且计算对应的Merkle根R，利用对应的ski进行门限数字签名，得到签名内容的哈希值
Figure GDA0003026757030000079
生成σi，广播σi及
Figure GDA00030267570300000710
任一区块生成候选人收到其余区块生成候选人传送的σi及
Figure GDA00030267570300000711
后，利用vk验证σi，σi为
Figure GDA00030267570300000712
的有效签名则保留，当收到与门限数字值t一致的有效σi且
Figure GDA00030267570300000713
都一致时，可以执行门限签名合成算法，生成最终签名σ，生成新区块并广播。
本发明运用基于门限数字的签名技术，在一群区块生成候选人中达成对新生区块的共识，从而保证区块链的正常运行，只要有t个区块生成候选人执行共识算法，新生区块就能马上获得确认，减少新区块产生和确认的时间，避免由于某个或若干个区块生成候选人失效所带来的风险，无单点失败问题，只要还有t个以上的候选人运行正常，新的区块总能产生，一轮候选人之间的通信便可达成新区块的共识。

Claims (6)

1.一种基于门限数字签名的共识的新区块生成方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤1：在共识节点网络中，选择n个区块生成候选人；
步骤2：区块生成候选人执行门限数字t的签名密钥算法，对候选人参数进行初始化，任一区块生成候选人获得候选人公钥pk、对应的共享私钥ski以及验证数据vk；
步骤3：交易数据产生，发送到每个区块生成候选人，任一区块生成候选人验证交易有效性，若有效，则将交易数据置入交易缓冲区，进行下一步，否则，丢弃交易，返回步骤3；
步骤4：判断区块生成条件是否满足，若有t个候选人都对相同的区块都进行了签名，区块生成条件满足，按交易数据的哈希值对交易缓冲区中的交易进行排序，并且计算对应的Merkle根R，否则，进行步骤4；
步骤5：任一区块生成候选人利用对应的ski进行门限数字签名，得到哈希值
Figure FDA0003121183830000011
生成签名σi；广播σi及
Figure FDA0003121183830000012
哈希值
Figure FDA0003121183830000013
包括前一个区块的区块头哈希值hi、当前区块高度height以及当前Merkle根R这三个数据的哈希值
Figure FDA0003121183830000014
步骤6：任一区块生成候选人收到其余区块生成候选人传送的σi及
Figure FDA0003121183830000015
利用vk验证σi是否为
Figure FDA0003121183830000016
的有效签名，若是，则保留，当收到与门限数字值t一致的有效σi且
Figure FDA0003121183830000017
都一致时，可以执行门限签名合成算法，生成最终签名σ，生成新区块；否则，丢弃所述σi及
Figure FDA0003121183830000018
步骤7：广播当前新区块。
2.根据权利要求1所述的一种基于门限数字签名的共识的新区块生成方法，其特征在于：所述步骤2中，密钥算法为有分发者模式或无分发者模式。
3.根据权利要求1所述的一种基于门限数字签名的共识的新区块生成方法，其特征在于：所述步骤2中，公钥和对应的共享私钥为RSA的公钥和对应的共享私钥。
4.根据权利要求1所述的一种基于门限数字签名的共识的新区块生成方法，其特征在于：所述步骤4中，满足区块生成条件包括候选人具有对交易数据进行数字签名的资格。
5.根据权利要求1所述的一种基于门限数字签名的共识的新区块生成方法，其特征在于：所述步骤6中，新区块包括区块头和区块体，区块头包括区块头哈希值hi、当前区块高度height、当前Merkle根R和最终签名σ，区块体为区块包含的交易数据。
6.根据权利要求1所述的一种基于门限数字签名的共识的新区块生成方法，其特征在于：所述步骤6中，当达成共识
Figure FDA0003121183830000021
和本候选人计算得出的
Figure FDA0003121183830000022
不一致时，该候选人向其他候选人读取新区块的数据。
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