CN109687961B - 基于对称密钥池路由装置的抗量子计算区块链交易方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及于对称密钥池路由装置的抗量子计算区块链交易方法和系统，参与的多个用户归属于不同的内网，各内网中还配置有路由装置，所有用户经由所在内网中的路由装置通信连接组成区块链网络；各用户以及路由装置分别配有密钥卡，其中路由装置密钥卡中存有己方的路由装置公/私钥，对称密钥池，以及内网公钥集合；用户密钥卡中有存储有己方的用户私钥和路由装置公钥；所有路由装置密钥卡中的对称密钥池相同，所述内网公钥集合中存储有该内网中所有用户的公钥。本发明使用加密的公钥，用于加密公钥的密钥存储在密钥卡中。密钥卡是独立的硬件隔离设备，被恶意软件或恶意操作窃取密钥的可能性大大降低。

Description

基于对称密钥池路由装置的抗量子计算区块链交易方法和 系统
技术领域
本发明涉及区块链领域，尤其涉及区块链的交易方法和系统。
背景技术
区块链是一种全新的分布式基础架构与计算范式，利用有序的链式数据结构存储数据，利用共识算法更新数据，利用密码学技术保障数据安全。在基于区块链的交易中，确保交易的数据安全和客户的隐私是区块链能够进一步发展的必要条件。为此，密码学技术尤其是公钥密钥学在区块链中得到了广泛的应用。
正如大多数人所了解的，量子计算机在密码破解上有着巨大潜力。当今主流的非对称(公钥)加密算法，如RSA加密算法，大多数都是基于大整数的因式分解或者有限域上的离散对数的计算这两个数学难题。他们的破解难度也就依赖于解决这些问题的效率。传统计算机上，要求解这两个数学难题，花费时间为指数时间(即破解时间随着公钥长度的增长以指数级增长)，这在实际应用中是无法接受的。而为量子计算机量身定做的秀尔算法可以在多项式时间内(即破解时间随着公钥长度的增长以k次方的速度增长，其中k为与公钥长度无关的常数)进行整数因式分解或者离散对数计算，从而为RSA、离散对数加密算法的破解提供可能。
现有技术存在的问题：
(1)现有技术中，区块链的传输和存储均未加密。
(2)由于量子计算机能快速通过公钥得到对应的私钥，因此现有的区块链交易方法容易被量子计算机破解。
(3)现有技术中，基于公私钥的数字签名的输入和输出均可被敌方所知，在量子计算机存在的情况下，可能被推导出私钥，导致区块链系统被量子计算机破解。
发明内容
本发明提供一种安全性更高的基于对称密钥池路由装置的抗量子计算区块链交易方法和系统。
本发明基于对称密钥池路由装置的抗量子计算区块链交易方法，参与的多个用户归属于不同的内网，各内网中还配置有路由装置，所有用户经由所在内网中的路由装置通信连接组成区块链网络；
各用户以及路由装置分别配有密钥卡，其中路由装置密钥卡中存有己方的路由装置公/私钥，对称密钥池，以及内网公钥集合；用户密钥卡中有存储有己方的用户私钥和路由装置公钥；所有路由装置密钥卡中的对称密钥池相同，所述内网公钥集合中存储有该内网中所有用户的公钥；
交易发起时，在发起方的用户对未签名的交易进行运算生成函数值，通过私钥对所述函数值签名生成交易签名，利用路由装置公钥加密交易签名后存入并得到第一交易，将该第一交易发给同属一内网的路由装置；
路由装置接收第一交易并用路由装置私钥相应解密后得到交易签名，路由装置还生成随机数，根据该随机数并结合路由装置密钥卡的对称密钥池得到网络密钥，利用所述网络密钥分别加密交易签名和发起方的用户公钥，再与所述随机数一起存入并得到第二交易，并在区块链网络中广播该第二交易以供验证。
可选的，交易验证时，在与验证方的用户同属一内网的路由装置中，包括：
接收来自区块链网络的第二交易，根据其中的所述随机数并结合路由装置密钥卡的对称密钥池得到网络密钥，利用所述网络密钥分别相应解密得到交易签名和发起方的用户公钥，再用验证方的用户公钥加密后存入并得到第三交易，将该第三交易发送给验证方的用户。
可选的，在验证方的用户还包括：
接收所述第三交易并用己方的用户私钥解密后得到交易签名和发起方的用户公钥；利用发起方的用户公钥和所述函数值验证所述交易签名；
将验证通过后的验证交易发布至区块链网络。
可选的，矿工用户在区块链网络获得验证交易后，相应形成挖矿交易并加入区块中进行广播；
其他用户对相应区块进行验证，验证通过后接收该区块。
可选的，路由装置生成得到网络密钥的过程为：
用指针函数作用于所述随机数得到指针，利用该指针路由装置密钥卡的对称密钥池提取出相应的网络密钥。
本发明还提供一种基于对称密钥池路由装置的抗量子计算区块链交易系统，参与的多个用户归属于不同的内网，各内网中还配置有路由装置，所有用户经由所在内网中的路由装置通信连接组成区块链网络；
各用户以及路由装置分别配有密钥卡，其中路由装置密钥卡中存有己方的路由装置公/私钥，对称密钥池，以及内网公钥集合；用户密钥卡中有存储有己方的用户私钥和路由装置公钥；所有路由装置密钥卡中的对称密钥池相同，所述内网公钥集合中存储有该内网中所有用户的公钥；
各用户以及路由装置分别包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现所述的基于对称密钥池路由装置的抗量子计算区块链交易方法。
本发明使用加密的公钥，用于加密公钥的密钥存储在密钥卡中。密钥卡是独立的硬件隔离设备，被恶意软件或恶意操作窃取密钥的可能性大大降低。由于量子计算机无法得到用户公钥，于是也无法得到对应的私钥。另外，本发明中，基于公私钥的数字签名也被密钥进一步加密。即使在量子计算机存在的情况下，也难以被推导出私钥。因此该方案不容易被量子计算机破解。
附图说明
图1为本发明实施例提供的通信系统结构图；
图2为路由装置密钥卡的结构示意图；
图3为未签名交易的结构示意图；
图4为第m次签名过程中交易结构示意图；
图5为用户发送给路由装置的交易结构示意图；
图6为存入区块的交易结构示意图；
图7为用于加密签名和公钥的密钥的生成流程图；
图8为发送给验证方的交易结构示意图；
图9为区块与交易的关系示意图；
图10为矿工生成的挖矿交易示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了更好地描述和说明本申请的实施例，可参考一幅或多幅附图，但用于描述附图的附加细节或示例不应当被认为是对本申请的发明创造、目前所描述的实施例或优选方式中任何一者的范围的限制。
应该理解的是，除非本文中有明确的说明，各步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
区块链是一种按照时间顺序将数据区块用类似链表的方式组成的数据结构，并以密码学方式保证不可篡改和不可伪造的分布式去中心化账本，能够安全存储简单的、有先后关系的、能在系统内进行验证的数据。其中，密码学主要用到公钥密码学。本发明处理区块链中的交易过程，总体思路是对区块链交易中的数字签名、公钥、转入钱包地址以及转入金额进行加密。
本发明中，区块链中的每一个节点都有匹配的密钥卡，密钥卡的颁发方为密钥卡的主管方，一般为某企业或事业单位的管理部门，密钥卡的被颁发方为密钥卡的主管方所管理的成员，一般为某企业或事业单位的各级员工。密钥卡中的用户侧密钥都下载自同一个网络服务站，且对同一个密钥卡的主管方来说，其颁发的每个密钥卡中存储的密钥池是完全一致的。优选为，密钥卡中存储的密钥池大小可以是1G、2G、4G、8G、16G、32G、64G、128G、256G、512G、1024G、2048G、4096G等等。其容量取决于主管方对安全的要求，容量越大安全性越高。
本发明涉及的区块链网络结构如图1所示，区块链数据不存储于用户，存储于路由装置，但路由装置不参与交易。
其中一实施例中，提供一种基于对称密钥池路由装置的抗量子计算区块链交易方法，参与的多个用户归属于不同的内网，各内网中还配置有路由装置，所有用户经由所在内网中的路由装置通信连接组成区块链网络；
各用户以及路由装置分别配有密钥卡，其中路由装置密钥卡中存有己方的路由装置公/私钥，对称密钥池，以及内网公钥集合；用户密钥卡中有存储有己方的用户私钥和路由装置公钥；所有路由装置密钥卡中的对称密钥池相同，所述内网公钥集合中存储有该内网中所有用户的公钥；
交易发起时，在发起方的用户对未签名的交易进行运算生成函数值，通过私钥对所述函数值签名生成交易签名，利用路由装置公钥加密交易签名后存入并得到第一交易，将该第一交易发给同属一内网的路由装置；
路由装置接收第一交易并用路由装置私钥相应解密后得到交易签名，路由装置还生成随机数，根据该随机数并结合路由装置密钥卡的对称密钥池得到网络密钥，利用所述网络密钥分别加密交易签名和发起方的用户公钥，再与所述随机数一起存入并得到第二交易，并在区块链网络中广播该第二交易以供验证。
其中网络密钥生成方式为：用指针函数作用于所述随机数得到指针，利用该指针路由装置密钥卡的对称密钥池提取出相应的网络密钥。
交易验证时，在与验证方的用户同属一内网的路由装置中，包括：
接收来自区块链网络的第二交易，根据其中的所述随机数并结合路由装置密钥卡的对称密钥池得到网络密钥，利用所述网络密钥分别相应解密得到交易签名和发起方的用户公钥，再用验证方的用户公钥加密后存入并得到第三交易，将该第三交易发送给验证方的用户。
在验证方的用户还包括：
接收所述第三交易并用己方的用户私钥解密后得到交易签名和发起方的用户公钥；利用发起方的用户公钥和所述函数值验证所述交易签名；
将验证通过后的验证交易发布至区块链网络。
矿工用户在区块链网络获得验证交易后，相应形成挖矿交易并加入区块中进行广播；
其他用户对相应区块进行验证，验证通过后接收该区块。
以下还结合附图，对上述过程做进一步详述，每个用户作为区块链网络的一个节点，都有相应的区块链应用，并配有密钥卡，用户密钥卡中存有己方的用户私钥和路由装置公钥。
路由装置带有路由装置密钥卡，结构如图2所示。路由装置密钥卡中存储有路由装置公钥PK、路由装置私钥SK；密钥卡中存储有对称密钥池，均为真随机数，优选为量子随机数，该对称密钥池由所有路由装置共享。
路由装置密钥卡存有内网公钥集合，同一内网所有用户的PKuser都存储在内网公钥集合中，路由装置公钥和用户公钥都可通过安全方式获得(例如在内网进行注册登记，将PKuser安全导入路由装置密钥卡，将路由装置公钥PK导入用户密钥卡)，且公钥不会出密钥卡。
所有的密钥区存储于密钥卡内部；或者，对称密钥池位于密钥卡外部，且由QKD生成，即多个QKD通过直接传递或中继传递使得多个路由装置共享同一个对称密钥池。
交易的具体步骤描述如下：
1.生成未签名交易RTx：发起交易前，交易发起人即发起方的用户需生成一个未签名交易RTx，结构如图3所示。图3中，InN表示某笔输入资金在本Tx中的序号；TxID表示某笔输入资金在其来源所在的Tx的ID。一般可取TxID＝Hash(Tx)；N表示某笔输入资金在其来源所在的Tx中作为输出资金的序号；OutN表示某笔输出资金在本Tx中的序号；Dest表示某笔输出资金的转入地址，一般是钱包的形式；Value表示某笔输出资金的数额。用户从路由装置读取区块链交易数据；例如，可以通过文档共享方式，由路由装置共享给内网用户。
2.生成交易签名Txs：以第m次签名为例，对RTx作如图4所示改动得到RTxm。第m次签名时，获取第m笔输入金额在其来源所在的Tx中对应的Dest值。
将该Dest值作为PreDestm加入RTx得到RTxm。对RTxm进行Hash，得到Hash值Txhm(即所述函数值)；使用发起方的用户私钥SKuserm对Txhm进行签名，得到第m个签名Txsm。用相同的方法得到所有交易签名Txs。
针对交易中的每个钱包地址(运算后得到函数值)在进行签名时使用不同的发起方的用户私钥SKuser，即用户密钥卡内存储有多个SKuser，当然各SKuser所对应的用户公钥均存储在路由装置密钥卡的内网公钥集合中。
3.对取用某笔输入资金的交易签名Txs进行加密：使用路由装置公钥PK对每个Txs进行加密后存入并得到第一交易，结构如图5所示。
4.发送Tx：将交易Tx广播至区块链网络的所有节点。
4.1用户发送交易到路由装置：用户将已签名并且已对签名进行加密的第一交易发送至同属一内网路由装置。
4.2路由装置解密交易：路由装置使用自己的私钥SK对加密的签名进行解密得到未加密的签名。
4.3路由装置填充所有的公钥：路由装置根据各个TxID和N找到前次交易的输出条目，根据前次交易的输出条目的钱包地址，在路由装置密钥卡内部找到其对应的PKuser。
4.4路由装置获得用于加密签名和公钥的密钥：路由装置根据匹配的密钥卡中的随机数发生器生成随机数rs，进一步得到网络密钥sk。得到sk的步骤如图7所示，文字描述如下：
rs结合特定的指针函数fps得到指针ps并从密钥池中提取出相应的密钥ks。ks与Txh结合函数fsk得到用于加密Txs和PKuser的sk。
4.5路由装置加密签名和用户公钥：路由装置使用sk对Txs以及发起方的用户公钥PKuser进行加密，与rs一起存入并得到第二交易，完成后的Tx如图6所示。
4.6路由装置将完成后的Tx即第二交易广播至区块链网络的所有节点。
5.区块链网络中的每个节点对该交易进行验证。
5.1与验证方的用户同属一内网的路由装置路由装置收到第二交易。
5.2路由装置根据rs和Txh得到sk：路由装置使用与上文相同的方式计算出Txh后，与rs一起得到sk，具体步骤如图7所示，文字描述与上文相同。
5.3路由装置解密签名和用户公钥：路由装置使用sk相应解密得到Txs以及发起方的用户公钥PKuser。
5.4路由装置用验证方的用户公钥PKverify加密所有的Txs和PKuser：对Txs和PKuser加密完成后存入并得到第三交易，第三交易结构如图8所示。
5.5路由装置将该第三交易发送到验证方用户。
6.验证方对交易进行验证：验证方收到路由装置发来的第三交易后，使用己方的用户私钥SKverify对Txs和PKuser进行解密。然后对签名进行验证，以Txsm为例。使用SKverity解密得到了PKuserm后，使用PKuserm解密签名Txsm，将得到的Txhm’与Txhm对比，完成验证。如果转出金额信息包含多笔不同的转出金额来源，则使用相同方法对多笔转出金额分别对应的加密转出签名进行验证。
对各签名进行验证后，验证节点根据各个输入金额的TxID在区块链的历史记录中找到转出金额，从而证明本次交易各输入金额的存在性。验证节点取出输入金额后得到输入金额总额，与本次输出金额总额进行对比，查看是否相等；如果相等则验证通过；如果不相等则验证失败。
7.将该交易加入区块：区块与交易的关系如图9所示
7.1矿工收集交易：矿工从路由装置收集当前时间段的所有尚未确认的交易，可以通过文件共享方式或直接请求方式。区块链中存储的交易的最终形态如图6所示。
7.2矿工形成挖矿交易：矿工形成一个如图10所示的挖矿交易，输入部分填充一些矿工所属矿池或者其他必要信息，输出部分与普通交易相同，输出金额总量与生成区块的奖励金额相同。
7.3矿工计算挖矿随机数：矿工计算出一个满足规则的随机数，即获得本次记账权，将自己生成的挖矿交易加入到区块中。
7.4矿工广播成功挖矿区块：矿工获取成功挖矿区块后，使用路由装置的PK加密区块，发送至路由装置。路由装置使用私钥解密获得成功挖矿区块，对该区块进行验证后将其写入区块链，主要是验证挖矿随机数是否满足规则。验证通过后广播该区块至其他路由装置。其他路由装置对该区块进行验证，如验证成功，则接受该区块为新区块。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，即一种基于对称密钥池路由装置的抗量子计算区块链交易系统，该计算机设备可以是终端，其内部结构可以包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现上述抗量子计算区块链交易方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
其中一实施例中，提供一种基于对称密钥池路由装置的抗量子计算区块链交易系统，参与的多个用户归属于不同的内网，各内网中还配置有路由装置，所有用户经由所在内网中的路由装置通信连接组成区块链网络；
各用户以及路由装置分别配有密钥卡，其中路由装置密钥卡中存有己方的路由装置公/私钥，对称密钥池，以及内网公钥集合；用户密钥卡中有存储有己方的用户私钥和路由装置公钥；所有路由装置密钥卡中的对称密钥池相同，所述内网公钥集合中存储有该内网中所有用户的公钥；
各用户以及路由装置分别包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现所述的基于对称密钥池路由装置的抗量子计算区块链交易方法。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.基于对称密钥池路由装置的抗量子计算区块链交易方法，其特征在于，参与的多个用户归属于不同的内网，各内网中还配置有路由装置，所有用户经由所在内网中的路由装置通信连接组成区块链网络；
各用户以及路由装置分别配有密钥卡，其中路由装置密钥卡中存有己方的路由装置公/私钥，对称密钥池，以及内网公钥集合；用户密钥卡中有存储有己方的用户私钥和路由装置公钥；所有路由装置密钥卡中的对称密钥池相同，所述内网公钥集合中存储有该内网中所有用户的公钥；
交易发起时，在发起方的用户对未签名的交易进行运算生成函数值，通过私钥对所述函数值签名生成交易签名，利用路由装置公钥加密交易签名后存入并得到第一交易，将该第一交易发给同属一内网的路由装置；
路由装置接收第一交易并用路由装置私钥相应解密后得到交易签名，路由装置还生成随机数，根据该随机数并结合路由装置密钥卡的对称密钥池得到网络密钥，利用所述网络密钥分别加密交易签名和发起方的用户公钥，再与所述随机数一起存入并得到第二交易，并在区块链网络中广播该第二交易以供验证；
交易验证时，在与验证方的用户同属一内网的路由装置中，包括：
接收来自区块链网络的第二交易，根据其中的所述随机数并结合路由装置密钥卡的对称密钥池得到网络密钥，利用所述网络密钥分别相应解密得到交易签名和发起方的用户公钥，再用验证方的用户公钥加密后存入并得到第三交易，将该第三交易发送给验证方的用户。
2.如权利要求1所述的基于对称密钥池路由装置的抗量子计算区块链交易方法，其特征在于，在验证方的用户还包括：
接收所述第三交易并用己方的用户私钥解密后得到交易签名和发起方的用户公钥；利用发起方的用户公钥和所述函数值验证所述交易签名；
将验证通过后的验证交易发布至区块链网络。
3.如权利要求2所述的基于对称密钥池路由装置的抗量子计算区块链交易方法，其特征在于，矿工用户在区块链网络获得验证交易后，相应形成挖矿交易并加入区块中进行广播；
其他用户对相应区块进行验证，验证通过后接收该区块。
4.如权利要求3所述的基于对称密钥池路由装置的抗量子计算区块链交易方法，其特征在于，路由装置生成得到网络密钥的过程为：
用指针函数作用于所述随机数得到指针，利用该指针路由装置密钥卡的对称密钥池提取出相应的网络密钥。
5.基于对称密钥池路由装置的抗量子计算区块链交易系统，其特征在于，参与的多个用户归属于不同的内网，各内网中还配置有路由装置，所有用户经由所在内网中的路由装置通信连接组成区块链网络；
各用户以及路由装置分别配有密钥卡，其中路由装置密钥卡中存有己方的路由装置公/私钥，对称密钥池，以及内网公钥集合；用户密钥卡中有存储有己方的用户私钥和路由装置公钥；所有路由装置密钥卡中的对称密钥池相同，所述内网公钥集合中存储有该内网中所有用户的公钥；
各用户以及路由装置分别包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现权利要求1～4任一项所述的基于对称密钥池路由装置的抗量子计算区块链交易方法。
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