CN110489422B - 区块链自动修复的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及区块链自动修复的方法，包括：A.系统初始化：根据安全参数，通过哈希函数，输出具有系统参数的初始区块，并为每一个加入区块链的用户选择一个私钥和公钥；B.产生交易信息：用户将交易信息广播到区块链网络中；C.验证并记录区块：通过系统对当前时间段内的交易信息进行打包并验证，将验证通过的交易信息记录到区块内；D.自动化修复区块：将问题区块的内容m替换为更新内容m′，并且通过已有的临时陷门计算更新内容m′对应的新变色龙随机数，使更新内容m′的变色龙哈希值与内容m保持一致。本发明能够在区块链的编辑过程中出现安全问题后，自动对问题区块进行修复，并且有效保证了区块和区块链的安全性。

Description

区块链自动修复的方法
技术领域
本发明涉及网络安全领域，具体讲是区块链自动修复的方法。
背景技术
区块链的概念是在2008年首次正式被提出的，它可以用于实现去中心化环境下的公共账本和不可更改的交易记录。2016年Ateniese et al发表了《Redactable Blokchain-or-rewirting history in bitcoin and friends》，该文中提出了基于变色龙哈希函数的可被编辑的区块链技术，然而该方案依赖于对变色龙函数陷门密钥的管理和分配的问题。如果由一方来掌握该密钥，则会破坏去中心化的架构。如果将密钥分配给多方来掌握，(如Huang et al提出的《Building Redactable Consortium Blockchain for IndustrialInternet of Things》等)，会引发密钥分配、管理、以及编辑结果如何在全网达成一致的问题。更重要的是，该区块链的编辑过程需要各方的诚实参与。换言之，该区块链的编辑过程实际上是一个交互式的过程，这使得该过程容易遭受中间人攻击，侧信道攻击等等威胁，并且面临无法全网达成一致的难题。
发明内容
本发明提供了一种区块链自动修复的方法，使区块链在编辑过程中出现安全问题后，可以自动对问题区块进行修复，并且保证区块和区块链的安全性。
本发明区块链自动修复的方法，包括：
A.系统初始化：根据安全参数λ，通过哈希函数，输出具有系统参数P的初始区块(Genesis Block)，并为每一个加入区块链的用户选择一个随机数
Figure GDA0002222445720000011
作为私钥，通过该私钥生成对应的公钥yi，其中R表示从p阶的任意一个整数群Zp中随机选择一个元素xi，*表示整数群Zq为任意整数群；
B.产生交易信息：用户将交易信息广播到区块链网络中；
C.验证并记录区块：通过系统对当前时间段内的交易信息进行打包并验证，将验证通过的交易信息记录到区块内；
D.自动化修复区块：将问题区块的内容m替换为更新内容m′，并且通过已有的临时陷门计算更新内容m′对应的新变色龙随机数，使更新内容m′的变色龙哈希值与内容m的变色龙哈希值保持一致。
本发明的方法在区块链的编辑过程中无需用户使用私钥进行参与，并且通过与当前时间的关联设置来限制区块链编辑发生的时间周期，从而确保了区块链的修复不会被滥用。
具体的，步骤A包括：
A1.根据安全参数λ，选择g阶的生成元和两个均为p阶的素数群G和GT，通过双线性映射函数e:G×G→GT，将两个素数群G的向量空间上的元素映射到素数群GT的向量空间的一个元素上。在双线性映射函数e中对每个参数都是线性的，通过双线性映射能够满足双线性性、非退化性和可计算性等。双线性映射函数e被普遍应用到各种密码方案的设计中。
A2.设置时间周期Δt∈Zp，选择第一哈希函数：H1:{0,1}*→G和第二哈希函数：H2:{0,1}*→Zp，第一哈希函数H1表示将0或1所组成任意长度的字符串{0,1}*映射到素数群G的一个任意元素上，*表示字符串{0,1}为任意长度，第二哈希函数H2表示将0或者1所组成任意长度的字符串{0,1}*映射到由(0,1,…,p-1)元素所组成的p阶的整数群Zp上，Z表示整数群；
A3.设置系统参数P＝<G,GT,g,p,e,H1,H2,Δt>，将所述的系统参数P写入生成的初始区块中；
A4.为每一个加入区块链的用户，选择一个随机值
Figure GDA0002222445720000021
作为该用户对应的第i个交易的私钥，然后计算出对应的公钥
Figure GDA0002222445720000022
具体的，步骤B包括：选择一个随机数
Figure GDA0002222445720000023
和交易标识符CIDi，根据当前时间tc(为公知信息)得到交易参数hc＝H1(CIDi||tc)。将交易参数hc与当前时间tc绑定的原因是为了使所需的临时陷门只能用于计算某一时间周期Δt内的变色龙碰撞，换言之，其目的是为了控制区块链修复的有效期，否则任何人在任何时间都可以编辑区块链，会使修复后区块链无法达成全网一致确认。时间周期Δt的设置可以根据实际应用进行配置。
然后根据所述的随机数αi计算当前第i个交易的持有者j的变色龙随机数
Figure GDA0002222445720000024
变色龙哈希值
Figure GDA0002222445720000025
和签名
Figure GDA0002222445720000026
Figure GDA0002222445720000027
其中CH为变色龙哈希函数，即上述等式：
Figure GDA0002222445720000028
mi为第i个交易的内容，SIGN为任意数字签名方案，例如BLS签名方案等，再计算持有者j当前对应的临时陷门
Figure GDA0002222445720000029
最后用户将集合{σj||rj||etdj||tc}作为交易信息广播到区块链网络中，其中
Figure GDA00022224457200000210
表示绑定有私钥xi的交易参数hc，即etdj,1是绑定有交易标识符CIDi、当前时间tc和用户i的私钥xi的陷门参数；
Figure GDA00022224457200000211
表示绑定有私钥xi 2的交易参数hc，即etdj,2是绑定有交易标识符CIDi、当前时间tc和用户i的私钥xi 2的陷门参数。
具体的，步骤C包括：对当前一段时间内的交易信息使用每个公钥yi验证对应的每一个签名σj的正确性(例如通过BLS签名的验证算法)，若签名σj正确，则将每一笔交易trani＝σj||rj||etdj通过系统打包，否则，抛弃该交易信息；最后将打包好的交易信息集合{trani}，按照工作量证明机制(Proof-of-Work)记录到区块中。按照工作量证明机制的区块记录方法和现有的对比特币区块记录的方式一致，在此不做详述。
假设区当块链上的某一区块发生问题(如出现违法信息或者非法交易)后，需要对问题区块内涉及的交易进行重新编辑，并且不破坏原有签名的可验证性。并且，还要在不需要任何一方的诚实参与(要求不涉及到使用任何用户的私钥，否则该过程为交互式的计算过程，无法实现区块链的自动修复)的情况下，执行自动化区块内容修复。
在区块的自动修复时，需要将第i个交易的内容m编辑为第i*个交易的内容m′，将用户j*作为第i*个交易的持有者，替换掉原始的第j个持有者。因此，对于每一个排在i－1交易后面的交易信息，都需要重新计算新的签名和新的变色龙随机数，使新的签名仍然可验证当前的交易信息，实现不影响签名认证性的目的。临时陷门的生成时间设为t，设置的时间周期为Δt，则对问题区块的编辑时间应在[t,t+Δt]的区间内。因此，步骤D包括：通过所述的临时陷门
Figure GDA0002222445720000031
计算新变色龙随机数
Figure GDA0002222445720000032
使得变色龙哈希值
Figure GDA0002222445720000033
保持不变，即哈希碰撞成立，满足了
Figure GDA0002222445720000034
由此得到更新内容m′对应的签名
Figure GDA0002222445720000035
这样便可以保证新的签名仍然可以通过验证，而且使用公钥y仍然可以验证并通过该签名。由此，便对问题区块内的交易信息进行了有效的编辑，并且编辑结果不影响签名的可验证性。
本发明区块链自动修复的方法的有益效果包括：
(1)对问题区块能够实现自动化修复，并且在修复的过程中不需要用户的密钥，保证了安全性。
(2)在交易信息中嵌入了临时陷门，并且用于区块链的自动化修复。临时陷门被设定为在一定时间范围内有效，由此避免了临时陷门被肆意滥用的问题。
以下结合实施例的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。
附图说明
图1为本发明区块链自动修复的方法的流程图。
图2为本发明在产生交易信息和对交易信息验证时区块内的交易结构示意图。
图3为本发明自动化修复区块时的修复结构示意图。
具体实施方式
如图1所示的本发明区块链自动修复的方法，包括：
A.系统初始化：
A1.根据安全参数λ，选择g阶的生成元和两个均为p阶的素数群G和GT，通过双线性映射函数e:G×G→GT，将两个素数群G的向量空间上的元素映射到素数群GT的向量空间的一个元素上。在双线性映射函数e中对每个参数都是线性的，通过双线性映射能够满足双线性性、非退化性和可计算性等。双线性映射函数e被普遍应用到各种密码方案的设计中。
A2.设置时间周期Δt∈Zp，选择第一哈希函数：H1:{0,1}*→G和第二哈希函数：H2:{0,1}*→Zp，第一哈希函数H1表示将0或1所组成任意长度的字符串{0,1}*映射到素数群G的一个任意元素上，*表示字符串{0,1}为任意长度，第二哈希函数H2表示将0或者1所组成任意长度的字符串{0,1}*映射到由(0,1,…,p-1)元素所组成的p阶的整数群Zp上，Z表示整数群；
A3.设置系统参数P＝<G,GT,g,p,e,H1,H2,Δt>，将所述的系统参数P写入生成的初始区块中；
A4.为每一个加入区块链的用户，选择一个随机值
Figure GDA0002222445720000041
作为该用户对应的第i个交易的私钥，然后计算出对应的公钥
Figure GDA0002222445720000042
其中R表示从p阶的任意一个整数群Zp中随机选择一个元素xi，*表示整数群Zq为任意整数群。
B.产生交易信息：如图2所示，选择一个随机数
Figure GDA0002222445720000043
和交易标识符CIDi，根据当前时间tc(为公知信息)得到交易参数hc＝H1(CIDi||tc)。将交易参数hc与当前时间tc绑定的原因是为了使所需的临时陷门只能用于计算某一时间周期Δt内的变色龙碰撞，换言之，其目的是为了控制区块链修复的有效期，否则任何人在任何时间都可以编辑区块链，会使修复后区块链无法达成全网一致确认。时间周期Δt的设置可以根据实际应用进行配置。
然后根据所述的随机数αi计算当前第i个交易的持有者j的变色龙随机数
Figure GDA0002222445720000044
变色龙哈希值
Figure GDA0002222445720000045
和签名
Figure GDA0002222445720000046
Figure GDA0002222445720000047
其中CH为变色龙哈希函数，即上述等式：
Figure GDA0002222445720000048
mi为第i个交易的内容，SIGN为任意数字签名方案，例如BLS签名方案等，再计算持有者j当前对应的临时陷门
Figure GDA0002222445720000049
最后用户将集合{σj||rj||etdj||tc}作为交易信息广播到区块链网络中，其中
Figure GDA0002222445720000051
表示绑定有私钥xi的交易参数hc，
Figure GDA0002222445720000052
表示绑定有私钥xi 2的交易参数hc。
C.验证并记录区块：对当前一段时间内的交易信息使用每个公钥yi验证对应的每一个签名σj的正确性(例如通过BLS签名的验证算法)，若签名σj正确，则如图2所示，将每一笔交易trani＝σj||rj||etdj通过系统打包，否则，抛弃该交易信息；最后将打包好的交易信息集合{trani}，按照工作量证明机制(Proof-of-Work)记录到区块中。按照工作量证明机制的区块记录方法和现有的对比特币区块记录的方式一致，在此不做详述。
D.自动化修复区块：假设区当块链上的某一区块发生问题(如出现违法信息或者非法交易)后，需要对问题区块内涉及的交易进行重新编辑，并且不破坏原有签名的可验证性。并且，还要在不需要任何一方的诚实参与(要求不涉及到使用任何用户的私钥，否则该过程为交互式的计算过程，无法实现区块链的自动修复)的情况下，执行自动化区块内容修复。
如图3所示，在对问题区块进行自动修复时，需要将第i个交易的内容m编辑为第i*个交易的内容m′，将用户j*作为第i*个交易的持有者，替换掉原始的第j个持有者。因此，对于每一个排在i－1交易后面的交易信息，都需要重新计算新的签名和新的变色龙随机数，使新的签名仍然可验证当前的交易信息，实现不影响签名认证性的目的。临时陷门的生成时间设为t，设置的时间周期为Δt，则对问题区块的编辑时间应在[t,t+Δt]的区间内。因此，步骤D包括：通过所述的临时陷门
Figure GDA0002222445720000053
计算新变色龙随机数
Figure GDA0002222445720000054
Figure GDA0002222445720000055
使得变色龙哈希值
Figure GDA0002222445720000058
保持不变，即哈希碰撞成立，满足了
Figure GDA0002222445720000056
由此得到更新内容m′对应的签名
Figure GDA0002222445720000057
这样便可以保证新的签名仍然可以通过验证，而且使用公钥y仍然可以验证并通过该签名。由此，便对问题区块内的交易信息进行了有效的编辑，并且编辑结果不影响签名的可验证性。

Claims (3)

1.区块链自动修复的方法，其特征包括：
A.系统初始化：根据安全参数λ，通过哈希函数，输出具有系统参数P的初始区块，并为每一个加入区块链的用户选择一个随机数
Figure FDA0003372372230000011
作为私钥，通过该私钥生成对应的公钥yi，其中R表示从p阶的任意一个整数群Zp中随机选择一个元素xi，*表示整数群Zq为任意整数群；
B.产生交易信息：用户将交易信息广播到区块链网络中；
C.验证并记录区块：通过系统对当前时间段内的交易信息进行打包并验证，将验证通过的交易信息记录到区块内；
D.自动化修复区块：将问题区块的内容m替换为更新内容m′，并且通过已有的临时陷门计算更新内容m′对应的新变色龙随机数，使更新内容m′的变色龙哈希值与内容m保持一致；
步骤A包括：
A1.根据安全参数λ，选择g阶的生成元和两个均为p阶的素数群G和GT，通过双线性映射函数e：G×G→GT，将两个素数群G的向量空间上的元素映射到素数群GT的向量空间的一个元素上；
A2.设置时间周期Δt∈Zp，选择第一哈希函数：H1：{0，1}*→G和第二哈希函数：H2：{0，1}*→Zp，第一哈希函数H1表示将0或1所组成任意长度的字符串{0，1}*映射到素数群G的一个任意元素上，*表示字符串{0,1}为任意长度，第二哈希函数H2表示将0或者1所组成任意长度的字符串{0，1}*映射到由(0，1，...,p-1)元素所组成的p阶的整数群Zp上，Z表示整数群；
A3.设置系统参数P＝＜G,GT,g,p,e,H1,H2,Δt＞，将所述的系统参数P写入生成的初始区块中；
A4.为每一个加入区块链的用户，选择一个随机值
Figure FDA0003372372230000012
作为该用户对应的第i个交易的私钥，然后计算出对应的公钥
Figure FDA0003372372230000013
步骤B包括：选择一个随机数
Figure FDA0003372372230000014
和交易标识符CIDi，根据当前时间tc得到交易参数hc＝H1(CIDi||tc)，然后根据所述的随机数αi计算当前第i个交易的持有者j的变色龙随机数
Figure FDA0003372372230000015
变色龙哈希值
Figure FDA0003372372230000016
和签名
Figure FDA0003372372230000017
Figure FDA0003372372230000018
其中CH为变色龙哈希函数，mi为第i个交易的内容，SIGN为任意数字签名方案，再计算持有者j当前对应的临时陷门
Figure FDA0003372372230000019
最后用户将集合{σj||rj||etdj||tc}作为交易信息广播到区块链网络中，其中
Figure FDA0003372372230000021
表示绑定有私钥xi的交易参数hc，
Figure FDA0003372372230000022
表示绑定有私钥xi 2的交易参数hc。
2.如权利要求1所述的区块链自动修复的方法，其特征为：步骤C包括：对当前一段时间内的交易信息使用每个公钥yi验证对应的每一个签名σj的正确性，若签名σj正确，则将每一笔交易trani＝σj||rj||etdj通过系统打包，否则，抛弃该交易信息；最后将打包好的交易信息集合{trani}，按照工作量证明机制记录到区块中。
3.如权利要求2所述的区块链自动修复的方法，其特征为：步骤D包括：通过所述的临时陷门
Figure FDA0003372372230000023
计算新变色龙随机数
Figure FDA0003372372230000024
Figure FDA0003372372230000025
使得变色龙哈希值
Figure FDA0003372372230000026
保持不变，其中m为问题区块的内容，m′为用于替换m的更新内容，由此得到更新内容m′对应的签名
Figure FDA0003372372230000027
Figure FDA0003372372230000028
通过已有的。
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