CN109784917B - 基于对称密钥池的抗量子计算区块链保密交易系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于对称密钥池的抗量子计算区块链保密交易系统和方法，包括多个用户端，均配有存有相同对称密钥池的量子密钥卡，发起用户端将交易签名及用于解密交易签名的公钥加密发送至区块链的各用户端，交易验证时，验证用户端生成未签名交易并对未签名交易进行特定运算生成特定函数值，该特定函数值与己方密钥卡所生成的随机数相结合解密加密的交易签名，进而进行交易验证。发起用户端将交易签名及用于解密交易签名的公钥在密钥卡加密，大大降低恶意操作窃取密钥的可能性，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。同时，基于公私钥的签名交易也被密钥进一步加密。即使在量子计算机存在的情况下，难以被推导出私钥。

Description

基于对称密钥池的抗量子计算区块链保密交易系统和方法

技术领域

本发明涉及区块链领域，尤其涉及区块链的交易系统和方法。

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。

(4)现有技术中，区块链交易中的转入钱包地址和转入金额的公开可能会暴露用户隐私信息。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种基于对称密钥池的抗量子计算区块链保密交易系统和方法。

一种基于对称密钥池的抗量子计算区块链保密交易方法，包括多个用户端，各用户端配置的量子密钥卡中存储有相同的对称密钥池，交易发起时，发起用户端对已生成的未签名交易进行特定运算生成特定函数值，所述特定函数值与己方私钥结合生成交易签名,发起用户端将交易签名及用于解密所述交易签名的公钥加密发送至区块链的各用户端。

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。

本实施例中，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。密钥卡中还存有用户公钥和私钥。

在其中一个实施例中，所述发起用户端生成所述特定函数值的方法包括：将未签名交易内部数据调整后进行特定函数运算得到所述特定函数值。

在其中一个实施例中，所述特定函数运算为哈希运算，所述特定函数值为哈希值。

在其中一个实施例中，所述交易签名及用于解密所述交易签名的公钥的加密方法包括：将所述发起用户端所生成的随机数结合特定指针函数得到指针，并利用该指针从所述对称密钥池中提取对应的密钥，该密钥结合所述特定函数值并利用函数运算得到密钥sk，所述密钥sk用于加密：

a)所述交易签名,及

b)所述用于解密所述交易签名的公钥。

一种基于对称密钥池的抗量子计算区块链保密交易方法，包括多个用户端，各用户端配置的量子密钥卡中存储有相同的对称密钥池，发起用户端将交易签名及用于解密所述交易签名的公钥加密发送至区块链的各用户端，交易验证时，验证用户端生成未签名交易并对所述未签名交易进行特定运算生成特定函数值，该特定函数值与己方密钥卡所生成的随机数相结合生成密钥sk，该密钥sk用于解密：

a)加密的所述交易签名，及

b)加密的所述用于解密所述交易签名的公钥；

经所述公钥解密所述交易签名后与验证用户端生成的所述特定函数值相比较，实现交易验证。

在其中一个实施例中，所述验证用户端生成所述特定函数值的方法包括：将未签名交易内部数据调整后进行哈希运算得到所述特定函数值。

在其中一个实施例中，所述特定函数值与己方密钥卡所生成的随机数相结合生成密钥的方法包括：将所述验证用户端密钥卡内所生成的随机数结合特定指针函数得到指针，并利用该指针从所述对称密钥池中提取对应的密钥，该密钥结合所述特定函数值并利用函数运算得到所述密钥。

在其中一个实施例中，验证后的签名交易经加密后，进行内部数据调整存放在区块链中。

一种基于对称密钥池的抗量子计算区块链保密交易系统，包括多个用户端，各用户端配置的量子密钥卡中存储有相同的对称密钥池，发起用户端对已生成的未签名交易进行特定运算生成特定函数值，所述特定函数值与己方私钥结合生成交易签名,发起用户端将交易签名及用于解密所述交易签名的公钥加密发送至区块链的各用户端；交易验证时，验证用户端生成未签名交易并对所述未签名交易进行特定运算生成特定函数值，该特定函数值与己方密钥卡所生成的随机数相结合生成密钥sk，该密钥sk用于解密：

a)加密的所述交易签名，及

b)加密的所述用于解密所述交易签名的公钥；

经所述公钥解密所述交易签名后与验证用户端生成的所述特定函数值相比较，实现交易验证。

上述基于对称密钥池的抗量子计算区块链保密交易系统和方法，包括多个用户端，各用户端配置的量子密钥卡中存储有相同的对称密钥池，发起用户端将交易签名及用于解密所述交易签名的公钥加密发送至区块链的各用户端，交易验证时，验证用户端生成未签名交易并对所述未签名交易进行特定运算生成特定函数值，该特定函数值与己方密钥卡所生成的随机数相结合生成密钥sk，该密钥sk用于解密：

a)加密的所述交易签名，及

b)加密的所述用于解密所述交易签名的公钥；

经所述公钥解密所述交易签名后与验证用户端生成的所述特定函数值相比较，实现交易验证。所述发起用户端将发起用户端将交易签名及用于解密交易签名的公钥在密钥卡加密，大大降低恶意软件或恶意操作窃取密钥的可能性，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。同时，基于公私钥的签名交易也被密钥sk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。

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为未签名交易的结构示意图；

图3为第m次签名过程中交易结构示意图；

图4为加密的已签名交易的结构示意图；

图5为用于加密签名和公钥的密钥的生成流程图；

图6为用于加密钱包地址和资金数额的密钥的生成流程图；

图7为区块与交易的关系示意图；

图8为存储入区块的交易结构示意图；

图9为原始挖矿交易示意图；

图10为加密后挖矿交易示意图。

具体实施方式

本实施例在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。

本实施例中，区块链中的每一个节点都有匹配的密钥卡，密钥卡中的用户侧密钥都下载自同一个网络服务站，且每个密钥卡中存储的密钥池是完全一致的。

一种基于对称密钥池的抗量子计算区块链保密交易系统，包括多个用户端，各用户端配置的量子密钥卡中存储有相同的对称密钥池，发起用户端对已生成的未签名交易进行特定运算生成特定函数值，该特定函数值与己方私钥结合生成交易签名,发起用户端将交易签名及用于解密所述交易签名的公钥加密发送至区块链的各用户端；

交易验证时，验证用户端生成未签名交易并对所述未签名交易进行特定运算生成特定函数值，该特定函数值与己方密钥卡所生成的随机数相结合生成密钥，该密钥用于解密所述加密交易签名及加密的所述用于解密所述交易签名的公钥，经所述公钥解密交易签名后与验证用户端生成的所述特定函数值相比较，实现交易验证。

本系统结构如图1所示，每个用户作为区块链的一个节点，都有相应的区块链应用，并配有密钥卡，密钥卡中存有用户公钥PK、私钥SK和相同的对称密钥池；密钥卡被区块链应用调用，密钥不出密钥卡。

交易的具体步骤如下：

步骤1.1生成未签名交易RTx；

发起交易前，交易发起人即发起用户端A需生成一个未签名交易RTx，结构如图2所示。图2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。

步骤1.2生成交易签名Txs；

以第m次签名为例，对RTx作如图3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。

获取方式见步骤1.7：

将该Dest值作为PreDestm加入RTx得到RTxm。对RTxm进行Hash，得到Hash值Txhm；使用私钥SKm对Txhm进行签名，得到第m个签名Txsm。用相同的方法得到所有Txs。当然根据设计需要，发起用户端对已生成的未签名交易进行特定运算生成特定函数值，该特定函数值与己方私钥结合生成交易签名，其中所述发起用户端生成所述特定函数值的方法包括：将未签名交易内部数据调整后进行特定函数运算得到所述特定函数值，所述特定运算不限于此，只要能够生成所述交易签名即可。

步骤1.3对取用某笔输入资金的数字签名Txs和取用某笔输入资金的公钥PK进行加密；

对于每笔输入资金，其Txs和PK分别用各自的sk加密，加密后的Tx如图4所示。得到sk的步骤如图5所示，文字描述如下：

由该用户端匹配的密钥卡中的随机数发生器生成随机数rs，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RTx的哈希值Txh结合函数fsk得到用于加密Txs和PK的密钥sk。

步骤1.4发送Tx；

将已签名并且已将签名加密的交易Tx广播至区块链网络的所有节点。

步骤1.5验证Tx：区块链网络中的每个节点对该交易进行验证。

交易验证时，验证用户端生成未签名交易并对所述未签名交易进行特定运算生成特定函数值，该特定函数值与己方密钥卡所生成的随机数相结合生成密钥，该密钥用于解密所述加密交易签名及加密的所述用于解密所述交易签名的公钥，经所述公钥解密交易签名后与验证用户端生成的所述特定函数值相比较，实现交易验证。当然根据设计需要，验证用户端对验证用户端生成未签名交易并对所述未签名交易进行特定运算生成特定函数值，其中所述验证用户端生成所述特定函数值的方法包括：将未签名交易内部数据调整后进行特定函数运算得到所述特定函数值，在本实施例中所述特定运算为哈希算法，当然所述算法不限于此，只要能够完成交易验证即可。

交易验证过程中，区块链网络中的每个节点均可作为验证节点。验证节点用与上文相同的方式形成一个验证方的RTx，对RTx进行Hash得到Hash值Txh。根据rs和Txh计算出sk，具体过程如图5所示，文字描述与上文相同。再使用sk解密Txs和PK。使用公钥解密签名，将得到的Txh’与Txh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。

步骤1.6将该交易加入区块：区块与交易的关系如图7所示。

步骤1.6.1矿工加密Dest和Value；

在将Tx加入区块前，先将钱包地址Dest和资金数额Value用tk加密。得到tk的步骤如图6所示，文字描述如下：

由该用户端匹配的密钥卡中的随机数发生器生成随机数rt，rt结合特定的指针函数fpt得到指针pt并从密钥池中提取出相应的密钥kt。kt与本次Tx输入部分的哈希值Th结合函数ftk得到用于加密Dest和Value的密钥tk。

使用各自的tk加密Dest和Value后得到Tx’，将各个rt加入Tx’成为整体Tx”，将Tx”作为交易的最终形式加入区块，见图8。并且得到本次交易的TxID＝Hash(Tx”)。

步骤1.6.2矿工形成挖矿交易并加密；

矿工形成一个如图9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。生成挖矿交易后，使用通过随机生成的各个rt得到的各个tk加密Dest和Value得到如图10所示的加密后的挖矿交易，同时还加入各个rt。

步骤1.6.3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，将自己生成并加密的挖矿交易加入到区块中。

步骤1.6.4矿工广播成功挖矿区块：矿工获取成功挖矿区块后，将该区块广播，其余节点对区块进行验证。主要是验证挖矿随机数是否满足规则。如验证成功，则接受该区块为新区块。

步骤1.7解密Dest和Value：根据TxID找到Tx”，由各个rt解密Dest和Value。其中Dest用于构造新的Tx，并且Dest和Value用于步骤1.5中Txs的验证。

本实施例中使用加密的公钥，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。本发明中对区块链交易中的转入钱包地址和转入金额也进行了加密，防止其公开导致暴露用户隐私信息。

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专利范围的限制。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，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种基于对称密钥池的抗量子计算区块链保密交易方法，其特征在于，包括多个用户端，各用户端配置的量子密钥卡中存储有公钥、私钥和相同的对称密钥池，交易发起时，发起用户端对已生成的未签名交易进行特定运算生成特定函数值，所述特定函数值与己方私钥结合生成交易签名,发起用户端将交易签名及用于解密所述交易签名的公钥加密发送至区块链的各用户端；

所述交易签名及用于解密所述交易签名的公钥的加密方法包括：将所述发起用户端所生成的随机数结合特定指针函数得到指针，并利用该指针从所述对称密钥池中提取对应的密钥，该密钥结合所述特定函数值并利用函数运算得到密钥sk, 所述密钥sk用于加密：

a）所述交易签名，及

b）所述用于解密所述交易签名的公钥。

2.根据权利要求1所述的基于对称密钥池的抗量子计算区块链保密交易方法，其特征在于，所述发起用户端生成所述特定函数值的方法包括：将未签名交易内部数据调整后进行哈希运算得到所述特定函数值。

3.一种基于对称密钥池的抗量子计算区块链保密交易方法，包括多个用户端，各用户端配置的量子密钥卡中存储有公钥、私钥和相同的对称密钥池，发起用户端将交易签名及用于解密所述交易签名的公钥加密发送至区块链的各用户端，其特征在于，所述交易签名及用于解密所述交易签名的公钥的加密方法包括：将所述发起用户端所生成的随机数结合特定指针函数得到指针，并利用该指针从所述对称密钥池中提取对应的密钥，该密钥结合特定函数值并利用函数运算得到密钥sk, 所述特定函数值由发起用户端对已生成的未签名交易进行特定运算生成，所述密钥sk用于加密：

a）所述交易签名，及

b）所述用于解密所述交易签名的公钥；

交易验证时，验证用户端生成未签名交易并对所述未签名交易进行特定运算生成特定函数值，该特定函数值与己方密钥卡所生成的随机数相结合生成密钥sk，该密钥sk用于解密：

a）加密的所述交易签名，及

b）加密的所述用于解密所述交易签名的公钥；

经所述公钥解密所述交易签名后与验证用户端生成的所述特定函数值相比较，实现交易验证。

4.根据权利要求3所述的基于对称密钥池的抗量子计算区块链保密交易方法，其特征在于，所述验证用户端生成所述特定函数值的方法包括：将未签名交易内部数据调整后进行哈希运算得到所述特定函数值。

5.根据权利要求4所述的基于对称密钥池的抗量子计算区块链保密交易方法，其特征在于，所述特定函数值与己方密钥卡所生成的随机数相结合生成密钥sk的方法包括：将所述验证用户端密钥卡内所生成的随机数结合特定指针函数得到指针，并利用该指针从所述对称密钥池中提取对应的密钥，该密钥结合所述特定函数值并利用函数运算得到所述密钥sk。

6.根据权利要求3所述的基于对称密钥池的抗量子计算区块链保密交易方法，其特征在于，验证后的签名交易经加密后，进行内部数据调整存放在区块链中。

7.一种基于对称密钥池的抗量子计算区块链保密交易系统，包括多个用户端，各用户端配置的量子密钥卡中存储有公钥、私钥和相同的对称密钥池，其特征在于，

发起用户端对已生成的未签名交易进行特定运算生成特定函数值，所述特定函数值与己方私钥结合生成交易签名,发起用户端将交易签名及用于解密所述交易签名的公钥加密发送至区块链的各用户端；

所述交易签名及用于解密所述交易签名的公钥的加密方法包括：将所述发起用户端所生成的随机数结合特定指针函数得到指针，并利用该指针从所述对称密钥池中提取对应的密钥，该密钥结合所述特定函数值并利用函数运算得到密钥sk, 所述密钥sk用于加密：

a）所述交易签名，及

b）所述用于解密所述交易签名的公钥；

交易验证时，验证用户端生成未签名交易并对所述未签名交易进行特定运算生成特定函数值，该特定函数值与己方密钥卡所生成的随机数相结合生成密钥sk，该密钥sk用于解密：

a）加密的所述交易签名，及

b）加密的所述用于解密所述交易签名的公钥；

经所述公钥解密所述交易签名后与验证用户端生成的所述特定函数值相比较，实现交易验证。

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