CN109257182B - 基于同态密码学承诺与零知识范围证明的隐私保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于同态的密码学承诺与零知识范围证明的区块链隐私保护方法，该方法利用了密码学承诺隐藏区块链上的状态数据与交易体，解决了区块链上全网同步的公开数据库中，账户与交易数据的隐私问题，同时没有引入中心化组件，在不影响共识机制和存储结构的情况下，最小化地修改交易发送和执行的逻辑，即可实现对用户隐私的保护。

Description

基于同态密码学承诺与零知识范围证明的隐私保护方法
技术领域
本发明涉及区块链技术、密码学承诺技术与零知识证明技术领域，具体涉及一种基于同态的密码学承诺与零知识范围证明的区块链隐私保护方法。
背景技术
区块链技术，区块链是一种新型去中心化协议，能安全地存储数字货币交易或其他数据，信息不可伪造和篡改，区块链上的交易确认由区块链上的所有节点共同完成，由共识算法保证其一致性，区块链上维护一个公共的账本，公共账本位于存储区块上任何节点可见，从而保证其不可伪造和篡改。
为了支持现实世界的业务逻辑，区块链的存储多采用账户模型，即用户数据以键值对存储在防篡改的数据结构中。区块链上典型的交易流程如下：用户根据区块链协议生成交易体，并对交易体签名；节点收到交易后，验证交易合法性，向全体节点广播该交易；节点执行该交易，并根据某种共识算法达成一致后，更新区块链上数据。区块链的强分布式设计，即要求链上数据和交易体对全网节点可见，来保证交易可以被分布式执行，引入了隐私问题，也阻碍了区块链在某些场景下的应用落地。
密码学承诺技术是将一个值或一个断言隐藏起来（称为“承诺”），在通信协议中，常用来保证一方在公布该承诺后，无法对该值或者断言进行修改。密码学承诺常被用来构建零知识证明、安全多方计算等密码学协议。
部分密码学承诺具有加法同态的性质，假设明文M1和M2，通过算法Commitment()，隐藏为C1和C2，如果二者的某种运算Add()满足Commitment(M1+M2)=Add(C1, C2)，即称该承诺具有加法同态性。
零知识证明技术是指证明者能在不透露任何有用信息的前提下，使验证者相信某个论断为真。零知识证明可以被用来证明一个承诺值存在于一个指定的区间，同时不暴露该承诺值的明文，这种用法被称为零知识范围证明。
如何在区块链系统中实现数据隐私是当前区块链技术的一个难题；区块链上的数据为分布式存储，保证了数据的高可用，但同时引入了数据完全可见的问题。以简单的转账交易场景为例，一笔交易的参与方、参与方的账户余额以及交易金额对于参与节点都是完全可见的。
一种做法将账户余额与交易金额进行加密来实现隐私保护，但这种做法会破坏数据的可用性，即只有加密密钥的持有者才可以使用数据，与区块链分布式的设计相悖，且增加了设计的复杂度与安全风险。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于同态的密码学承诺与零知识范围证明的区块链隐私保护方法，具体技术方案如下：
一种基于同态的密码学承诺与零知识范围证明的区块链隐私保护方法，其特征在于，所述的区块链包括客户端与区块链节点，所述的客户端配置密码学原语以及相关参数；交易创建发生在所述的客户端，并保存用户的明文数据，交易处理发生在所述的区块链节点，所述的隐私保护的对象为区块链节点上存储与处理的用户数据；
所述的隐私保护方法具体包括如下步骤：
S1：所述的客户端为用户生成盲因子k，并根据盲因子k将账户状态初始化为密文，采用零知识范围证明判断初始状态的合法性，当判定合法时，则账户状态初始化成功，当判定不合法时，则账户状态初始化失败；
S2：所述的客户端接收用户输入的交易参数，所述的交易参数包括发送方、接收方和交易金额，并判断参数合法性，当交易参数合法时，采用密码学承诺将用户输入的交易参数生成交易体，所述的交易体中的交易金额为密文，所述的交易体还包括合法性证明和交易发送方的签名；当交易参数不合法，提示输入不合法，返回用户重新输入交易参数；
S3：所述的客户端将S2生成的交易体发送到与其连接的区块链节点上，该节点将该交易体向其他区块链节点进行广播；
S4：其他区块链节点收到该交易体后，首先验证签名是否合法，当合法时，执行交易并等待交易确认；
S5：交易双方的客户端建立连接，交易发送方的客户端通过加密信道传输交易金额及交易金额对应的盲因子，交易接收方的客户端进行交易的验证，然后交易双方的客户端更新各自的账户状态；
S6：交易接收方的客户端向与其连接的区块链节点发送确认信息，该节点向其他区块链节点广播该确认信息，所有节点更新存储的交易双方的账户状态。
进一步地，所述的S1中的初始状态的合法性判断为保证每个账户的初始余额为大于零的整数。
进一步地，所述的S6中的账户状态的更新包括账户余额的初始化、交易的创建和交易执行后交易双方的账户余额。
进一步地，所述的S2中的交易参数的合法性判断包括：（1）交易双方的账户余额的密码学承诺不能为负；（2）交易金额的密码学承诺不能为负；（3）每笔交易前后，交易双方的账户余额的总和守恒。
本发明的有益效果如下：
本发明的隐私保护方法对于基于账户模型的区块链系统，在不影响共识机制和存储结构的情况下，最小化地修改交易发送和执行的逻辑，即可实现对用户隐私的保护。
附图说明
图1为本发明涉及的区块链系统的数据存储示意图；
图2 为本发明的基于同态的密码学承诺与零知识范围证明的区块链隐私保护方法的主要步骤流程图。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-2所示，一种基于同态的密码学承诺与零知识范围证明的区块链隐私保护方法，所述的区块链包括客户端与区块链节点，所述的客户端配置密码学原语以及相关参数；交易创建发生在所述的客户端，并保存用户的明文数据，交易处理发生在所述的区块链节点，所述的隐私保护的对象为区块链节点上存储与处理的用户数据；
所述的隐私保护方法具体包括如下步骤：
S1：所述的客户端为用户生成盲因子k，并根据盲因子k将账户状态初始化为密文，采用零知识范围证明判断初始状态的合法性，当判定合法时，则账户状态初始化成功，当判定不合法时，则账户状态初始化失败；
S2：所述的客户端接收用户输入的交易参数，所述的交易参数包括发送方、接收方和交易金额，并判断参数合法性，当交易参数合法时，采用密码学承诺将用户输入的交易参数生成交易体，所述的交易体中的交易金额为密文，所述的交易体还包括合法性证明和交易发送方的签名；当交易参数不合法，提示输入不合法，返回用户重新输入交易参数；
S3：所述的客户端将S2生成的交易体发送到与其连接的区块链节点上，该节点将该交易体向其他区块链节点进行广播；
S4：其他区块链节点收到该交易体后，首先验证签名是否合法，当合法时，执行交易并等待交易确认；
S5：交易双方的客户端建立连接，交易发送方的客户端通过加密信道传输交易金额及交易金额对应的盲因子，交易接收方的客户端进行交易的验证，然后交易双方的客户端更新各自的账户状态；
S6：交易接收方的客户端向与其连接的区块链节点发送确认信息，该节点向其他区块链节点广播该确认信息，所有节点更新存储的交易双方的账户状态。
举例如下：
（1）生成隐私交易：用户A向用户B发送一笔金额为v的转账，转账后双方账户状态明文为A’、B’，此时链上存储的为用户A和B的密码学承诺CA、CB。A生成v的密码学承诺Cv，A更新后的状态C’A，并提供如下零知识证明pr：对CA所有权的零知识证明、对Cv的零知识证明、Cv合法性的零知识证明与C’A合法的零知识证明。生成包括Cv和pr的交易体之后，广播至区块链网络；
（2）验证与执行交易：节点收到交易体后，验证如下内容：CA和Cv的同态差为C’A；pr为合法的；验证通过即可执行交易，计算CB和Cv的同态和C’ B，并更新A和B的账户状态为C’A、C’B；
（3）交易接收：交易确认后，A与B建立双方连接，通过加密信道传输转账金额v及其盲因子，B收到并验证后，更新本地状态。
优选地，由于账户数据并非明文，在进行初始化时，应当保证初始值为合法有效，例如，每个账户的初始余额为大于零的整数。零知识范围证明可以在不泄露真实值的情况下，满足这一需求。在S1中，根据选择的密码学承诺技术，在客户端中配置所需的密码学原语与参数，以基于离散对数问题难度的Pedersen Commitment为例，需要配置整数群的质数阶p，生成元q等。在满足一定安全系数的前提下，所有用户应具有同样的参数配置。
优选地，所述的S6中的账户状态的更新包括账户余额的初始化、交易的创建和交易执行后交易双方的账户余额。
优选地，所述的S2中的交易参数的合法性判断包括：（1）交易双方的账户余额的密码学承诺不能为负；（2）交易金额的密码学承诺不能为负；（3）每笔交易前后，交易双方的账户余额的总和守恒。S2中使用完备的零知识证明来保证协议的安全性。区块链协议通常使用数字签名技术来验证用户对账户的所有权，在此基础上，该方法要求交易发送者证明自己知道账户余额的明文，增加了恶意者伪造交易的难度。在所述的步骤3中，结合了加法同态性和零知识证明来验证交易的合法性。
账户模型下，一笔交易的合法性描述为：A发送一笔数额为v的转账给B，需要满足账户余额A>0，数额v>0，且A>v。当账户余额和交易数额为密文（交易前：CA、CB；交易额：Cv；交易后C’A、C’B）时，除了上述内容，还需要交易双方的账户余额守恒，即满足Add(CA,CB)=Add(C’A,C’B)。步骤（2）中，pr中包括了Cv合法性的零知识证明与C’A合法的零知识证明，同时，通过验证C’A=Add(CA,Cv)，使得上面的守恒成立。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于同态的密码学承诺与零知识范围证明的区块链隐私保护方法，其特征在于，所述的区块链包括客户端与区块链节点，所述的客户端配置密码学原语以及相关参数；交易创建发生在所述的客户端，并保存用户的明文数据，交易处理发生在所述的区块链节点，所述的隐私保护的对象为区块链节点上存储与处理的用户数据；
所述的隐私保护方法具体包括如下步骤：
S1：所述的客户端为用户生成盲因子k，并根据盲因子k将账户状态初始化为密文，采用零知识范围证明判断初始状态的合法性，当判定合法时，则账户状态初始化成功，当判定不合法时，则账户状态初始化失败；
S2：所述的客户端接收用户输入的交易参数，所述的交易参数包括发送方的账户余额、接收方的账户余额和交易金额，并判断参数合法性，当交易参数合法时，采用密码学承诺将用户输入的交易参数生成交易体，所述的交易体中的交易金额为密文，所述的交易体还包括零知识证明和交易发送方的签名；当交易参数不合法，提示输入不合法，返回用户重新输入交易参数；
所述的S2中的交易参数的合法性判断包括：（1）交易双方的账户余额的密码学承诺不能为负；（2）交易金额的密码学承诺不能为负；（3）每笔交易前后，交易双方的账户余额的总和守恒；
所述零知识证明包括对交易发送方密码学承诺所有权的零知识证明、对交易发送方生成交易金额的密码学承诺的零知识证明、交易发送方生成交易金额的密码学承诺合法性的零知识证明与交易后交易发送方更新后的密码学承诺的零知识证明；
S3：所述的客户端将S2生成的交易体发送到与其连接的区块链节点上，该节点将该交易体向其他区块链节点进行广播；
S4：其他区块链节点收到该交易体后，首先验证签名是否合法，当合法时，执行交易并等待交易确认；
S5：交易双方的客户端建立连接，交易发送方的客户端通过加密信道传输交易金额及交易金额对应的盲因子，交易接收方的客户端进行交易的验证，然后交易双方的客户端更新各自的账户状态；
S6：交易接收方的客户端向与其连接的区块链节点发送确认信息，该节点向其他区块链节点广播该确认信息，所有节点更新存储的交易双方的账户状态。
2.根据权利要求1所述的基于同态的密码学承诺与零知识范围证明的区块链隐私保护方法，其特征在于，所述的S1中的初始状态的合法性判断为保证每个账户的初始余额为大于零的整数。
3.根据权利要求1所述的基于同态的密码学承诺与零知识范围证明的区块链隐私保护方法，其特征在于，所述的S6中的账户状态的更新包括账户余额的初始化、交易的创建和交易执行后交易双方的账户余额。
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