CN111654363A - 一种基于群签名和同态加密的联盟链隐私保护方法 - Google Patents

一种基于群签名和同态加密的联盟链隐私保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于群签名和同态加密的联盟链隐私保护方法，面向基于账户的区块链模型，实现交易金额的保护以及交易双方身份的部分隐私保护。利用Paillier同态加密的加同态性质，在交易金额加密的情况下对密文进行计算验证交易金额合法性，利用群签名匿名性特点，使得交易双方的身份隐私得到保护。本方案将联盟链节点分为分为三类：群管理员、主要节点和次要节点，次要节点为用户，用户之间进行交易，主要节点利用本方案提出的三步验证法验证交易双方身份合法性、金额以及余额的合法性，并在交易发生纠纷时，群管理员利用群签名打开算法找到交易双方真实身份，保护联盟链中合法用户的权益。

Description

一种基于群签名和同态加密的联盟链隐私保护方法
技术领域
本发明涉及区块链交易隐私保护技术领域，尤其涉及一种基于群签名和同态加密的联盟链隐私保护方法。
背景技术
区块链的概念由中本聪于2008年提出，其自提出以来在金融、医疗、物流等领域得到了较为广泛的应用。区块链是一种链式数据结构，具有去中心化、不可篡改、不可伪造的特性，区块链自出现以来，得到了广泛的应用。
因其“去中心化”“可匿名”“不可更改”等特性，使得交易可以在不暴露自己身份的情况下成功进行，这极大促进了数字货币的发展。区块链最初广泛应用于1.0比特币中，在比特币区块链中采用UTXO(即未花费交易)来证明用户资产的合法性，这使得矿工对交易合法性的验证更加简单且效率更高，但其无法快速的查询用户的余额，为了支持更广泛的行业应用，以太坊、超级账本等区块链平台使用了基于账户的模型。使用交易模型的比特币基于公有链进行设计，在最初的公有链中，采用伪匿名的方式将系统中节点的地址与用户的真实身份进行分离，虽然起到了用户身份隐私的保护作用，但随着科学技术的发展，简单的伪匿名已不能满足用户的隐私需求，且在比特币交易中，交易的金额是透明公开的，虽使得矿工对交易合法性验证更加简单，但用户的隐私不能得到应有保障，因此越来越多的密码学算法被应用于区块链中。
公有链允许所有节点自由进出该网络，且全网所有账本透明公开，公有链中大多使用基于交易的账户模型，即UTXO模型，该模型查询效率高，但无法快速得到用户的余额。公有链与UTXO模型的以上特点并不适用于大多企业间的交易，应用面较为局限
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于群签名和同态加密的联盟链隐私保护方法。
本发明采用的技术方案是：
一种基于群签名和同态加密的联盟链隐私保护方法，其包括以下步骤：
步骤S1：构建联盟链节点；把联盟链与群签名中群概念相结合，将联盟链中的节点分为三类：群管理员、主要节点和次要节点；
步骤S2：初始化联盟链；生成群签名密钥、同态加密密钥对以及用户自身的非对称密钥对；
步骤S3：交易双方进行交易交互；设交易发起方为A，交易接收方为B，则具体如下：
步骤S31：A向B发出交易请求消息，即A分别使用自己的私钥和B的公钥对交易金额进行签名和加密，然后发给B；
步骤S32：当B接收A的交易请求，首先利用A的公钥验证签名；然后，使用同态加密的公钥加密交易金额，并附上自身的账户地址、交易信息以及B的签名、群签名；最后，用A的公钥加密消息并回送给A；
步骤S33：A收到B的应答后，先对其进行解密验签；然后，写入自己的账户地址、签名和、群签名；最后，利用主要节点的公钥加密交易信息，并广播给主要节点验证；
步骤S4：主要节点验证交易的合法性；假设主要节点为S，则S接收到广播的交易信息后,解密消息并对其进行以下三步验证：
步骤S41：验证群签名；S利用群公钥对交易双方的群签名进行验签，验证该群签名是否为群成员所签；如果验证不通过，则向A返回错误信息，并终止验证；
步骤S42：验证账户真实性；S利用广播信息中的账户地址找到A和B的账户，并根据交易双方的签名来验证双方账户是否属实；如果验证不通过，则向A返回错误信息，并终止验证；
步骤S43：验证交易金额；即验证交易金额是否大于0且小于A的余额；S利用Paillier同态加密的加同态特性，验证以下公式是否成立：
Figure BDA0002545862100000021
其中，Encp(m)表示交易金额的同态加密密文，Encp(SUMpresent*)表示该账户当前余额的同态加密密文，Encp(SUM*)为交易完成后的余额同态加密密文；如果验证不通过，S向A返回错误信息，并终止验证；
步骤S5：S将本次交易写入新区块中，并分别更新A和B的账户余额；
进一步的，步骤S2具体包括以下步骤：
步骤S21：由群管理员利用群创建算法建立群，群与联盟链结合，一个链为一个群；新用户申请加入群时，需向群管理员中的颁发者发出加入申请；
步骤S22：群管理员收到申请后，为该用户颁发群证书，用户加入联盟链成为次要节点，群管理员为其生成群签名密钥；
步骤S23：群管理员生成全网统一的同态密钥对，并将同态加密公钥发送给用户，用以加密交易金额，私钥由群管理员保存；
步骤S24：用户自身的非对称密钥对：用户加入后成为次要节点，自身生成非对称密钥对，利用公钥生成账户地址。
进一步地，步骤S5中为保护交易双方的身份隐私，区块中仅写入交易金额以及交易双方的群签名，写入区块的交易信息如下：
GsigA(GsigB(Encp(m)))
该信息中包含交易双方的群签名，且包含交易金额，当交易发生纠纷时，可通过群管理员中的打开者打开群签名，实现交易双方是溯源问题，为联盟链中用户的权益提供了保障。
本发明采用以上技术方案，分为交易双方交互阶段和主要节点对交易合法性验证阶段。本发明面向基于账户模型的联盟链区块链，对联盟链中的交易进行隐私保护。因基于账户模型的区块链身份匿名困难，观察到部分交易发生时，交易双方对竞争者实现身份匿名的需求，本发明提出一种基于群签名和同态加密的联盟链隐私保护方法，实现身份和交易金额的双重隐私保护。
本发明的有益效果在于：1、为基于账户模型的区块链提供了用户身份的匿名保护。本发明能验证每笔交易的正确性，并确保交易双方的信息不会暴露给其他竞争者。2、结合Paillier同态加密以及群签名的特点，提出主要节点三步验证方法，通过对群签名、账户真实性和交易金额合法性的验证，实现主要节点对交易合法性的监管。三步紧凑的验证使得本发明方案可以抵抗公钥替换攻击以及篡改攻击，方案的安全性大大提高。3、提出新的区块交易信息写入结构，使得单个交易事务占区块长度降低，提高区块的利用率。4、利用群签名的特点，既可以实现用户身份隐私的保护，有可以实现交易可追溯，保证联盟链中用户的合法权益。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；
图1为联盟链各节点划分示意图；
图2为本发明一种基于群签名和同态加密的联盟链隐私保护方法的架构示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1或图2所示，本发明公开了一种基于群签名和同态加密的联盟链隐私保护方法，通过以下步骤实现：
一、节点设计
步骤S1，构建联盟链节点：把联盟链与群签名中群概念相结合，将联盟链中的节点分为三类：群管理员、主要节点和次要节点；
具体地，本发明利用群签名和同态加密对联盟链节点的交易信息和身份信息进行隐私保护，与群签名相关概念结合，如图1所示，所将联盟链中的节点分为三类：群管理员、主要节点和次要节点。
一个联盟链作为群签名中的一个群的概念，各节点分为主要节点和次要节点，主要节点作为联盟链中的监管人员的角色，不参与交易，但负责对交易的合法性进行验证、维护全网账本；联盟链中设立群管理员，为防止群管理员共谋泄露次要节点身份，将管理员按功能分为颁发者和打开者两种，群管理员独立于主要节点和次要节点之外，负责群公钥、群私钥的生成，以及在交易发生纠纷时的追踪；次要节点为联盟中的用户，次要节点利用自己的签名证明自己的账户所有权，次要节点之间进行交易。
二、初始化
步骤S2，初始化联盟链：生成群签名密钥、同态加密密钥和用户自身生成非对称密钥对；具体包括以下步骤：
步骤S21：由群管理员利用群创建算法建立群，群与联盟链结合，一个链为一个群；用户C申请加入群，向群管理员中的颁发者发出加入申请；
步骤S22：群管理员收到申请，并为该用户颁发群证书，用户加入联盟链成为次要节点，群管理员为其生成群签名密钥；
步骤S23：群管理员全网统一的同态密钥对，并将同态加密公钥发送给用户用以加密自己的交易金额，私钥由群管理员保存；
步骤S24：用户自身的非对称密钥对：用户加入后成为次要节点，自身生成非对称密钥对，利用公钥生成账户地址。
需要说明的是：初始账户余额为0，当发生每笔交易时，C在本地账本记录交易金额，但其无法解密全网账本中的余额；当需要获取该余额时，需向群管理员提出申请，且利用签名证明自己账户所有权后，方可解密。
三、交易双方交互
步骤S31:设交易发起方为A，交易接收方为B；A向B提出交易申请，将交易信息m使用签密得到EncB(SigA(m))，将其发给B，
步骤S32:B收到交易信息EncB(SigA(m))后，使用自身私钥进行解密，并验证A的签名，核对成功后，将自身账户地址，交易信息，以及B的签名、群签名附上，得到以下信息
EncA(SigB(AddressB)||GsigB(Encp(m))||Encp(SUMB)) ①
步骤S33：B将加密后的密文发送给A，A接收到①后，用自身私钥解密，并对B的签名进行验证，验证通过后，将自身账户地址、交易信息、交易后账户余额附加上，得到以下信息
SigA(AddressA)||GsigA(GsigB(Encp(m)))||Encp(SUMA)||SigB(AddressB)||Encp(SUMB) ②
步骤S34：A将交易信息利用主要节点的公钥进行加密，并将加密后的交易信息广播给主要节点S进行交易信息合法性验证；
具体的，A收到B的信息后，生成如②所述般的交易信息，为实现部分身份匿名，将②利用主要节点的公钥进行加密，得到
Encmain(SigA(AddressA)||GsigA(GsigB(Encp(m)))||Encp(SUMA)||SigB(AddressB)||Encp(SUMB)) ③
将③进行广播。
四、主要节点验证
主要节点S接收到广播信息后进行解密并对交易信息合法性进行验证，验证流程为：
步骤S41：验证群签名；主要节点利用群公钥对A和B的群签名进行验签，验证该群签名是否为群成员所签；
步骤S42：验证账户真实性；利用AddressA和AddressB找到A和B的账户地址，并通过SigA,SigB来验证交易双方的账户是否为A和B所属；
步骤S43：验证交易金额合法性；验证交易金额是否大于0且小于A的余额；交易金额合法性验证；主要节点利用Paillier同态加密的加同态特性，验证公式④是否成立，
Figure BDA0002545862100000051
其中Encp(SUMpresent*)表示该账户当前余额，Encp(SUM*)为该交易完成后的账户余额。
步骤S44：若以上三步验证皆通过，则本次验证通过，主要节点认证交易的合法性，将交易写入新生区块中并将A和B的账户余额分别更新为Encp(SUMA)和Encp(SUMB)。相反，若以上三步验证有一步验证出错，则主要节点向A返回错误信息，并终止验证。
五、新生区块
为保护交易双方的身份隐私，区块中仅写入交易金额以及交易双方的群签名，写入区块的交易信息如下：
GsigA(GsigB(Encp(m))) ⑤
该信息中包含交易双方的群签名，且包含交易金额，当交易发生纠纷时，可通过群管理员中的打开者打开群签名，实现交易双方是溯源问题，为联盟链中用户的权益提供了保障。
本发明采用以上技术方案，分为交易双方交互阶段和主要节点对交易合法性验证阶段。本发明面向基于账户模型的联盟链区块链，对联盟链中的交易进行隐私保护。因基于账户模型的区块链身份匿名困难，观察到部分交易发生时，交易双方对竞争者实现身份匿名的需求，本发明提出一种基于群签名和同态加密的区块链隐私保护方法，实现身份和交易金额的双重隐私保护。
本发明的有益效果在于：1、为基于账户模型的区块链提供了用户身份的匿名保护。本发明能验证每笔交易的正确性，并确保交易双方的信息不会暴露给其他竞争者。2、结合Paillier同态加密以及群签名的特点，提出主要节点三步验证方法，通过对群签名、账户真实性和交易金额合法性的验证，实现主要节点对交易合法性的监管。三步紧凑的验证使得本发明方案可以抵抗公钥替换攻击以及篡改攻击，方案的安全性大大提高。3、提出新的区块交易信息写入结构，使得单个交易事务占区块长度降低，提高区块的利用率。4、利用群签名的特点，既可以实现用户身份隐私的保护，有可以实现交易可追溯，保证联盟链中用户的合法权益。
显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (8)

1.一种基于群签名和同态加密的联盟链隐私保护方法，其特征在于：其包括以下步骤：
步骤S1：构建联盟链节点；把联盟链与群签名中群概念相结合，将联盟链中的节点分为三类：
群管理员、主要节点和次要节点；
步骤S2：初始化联盟链；生成群签名密钥、同态加密密钥对以及用户自身的非对称密钥对；
步骤S3：交易双方进行交易交互；设交易发起方为A，交易接收方为B，则具体如下：
步骤S31：A向B发出交易请求消息，即A分别使用自己的私钥和B的公钥对交易金额进行签名和加密，然后发给B；
步骤S32：当B接收A的交易请求，首先利用A的公钥验证签名；然后，使用同态加密的公钥加密交易金额，并附上自身的账户地址、交易信息以及B的签名、群签名；最后，用A的公钥加密消息并回送给A；
步骤S33：A收到B的应答后，先对其进行解密验签；然后，写入自己的账户地址、签名和、群签名；最后利用主要节点的公钥加密交易信息，并广播给主要节点验证；
步骤S4：主要节点验证交易的合法性；假设主要节点为S，则S接收到广播的交易信息后,解密消息并对其进行以下三步验证：
步骤S41：验证群签名；S利用群公钥对交易双方的群签名进行验签，验证该群签名是否为群成员所签；如果验证不通过，则向A返回错误信息，并终止验证；
步骤S42：验证账户真实性；S利用广播信息中的账户地址找到A和B的账户，并根据交易双方的签名来验证双方账户是否属实；如果验证不通过，则向A返回错误信息，并终止验证；
步骤S43：验证交易金额；即验证交易金额是否大于0且小于A的余额；S利用Paillier同态加密的加同态特性，验证以下公式是否成立：
Figure FDA0002545862090000011
其中，Encp(m)表示交易金额的同态加密密文，Encp(SUMpresent*)表示该账户当前余额的同态加密密文，Encp(SUM*)为交易完成后的余额同态加密密文；如果验证不通过，S向A返回错误信息，并终止验证；
步骤S5：S将本次交易写入新区块中，并分别更新A和B的账户余额。
2.根据权利要求1所述的一种基于群签名和同态加密的联盟链隐私保护方法，其特征在于：步骤1中主要节点作为联盟链中的监管人员的角色，不参与交易，但负责对交易的合法性进行验证、维护全网账本；联盟链中设立群管理员，为防止群管理员共谋泄露次要节点身份，将管理员按功能分为颁发者和打开者两种，群管理员独立于主要节点和次要节点之外，负责群公钥、群私钥的生成，以及在交易发生纠纷时的追踪；次要节点为联盟中的用户，次要节点利用自己的签名证明自己的账户所有权，次要节点之间进行交易。
3.根据权利要求1所述的一种基于群签名和同态加密的联盟链隐私保护方法，其特征在于：初始化联盟链具体包括以下步骤：
步骤S21：群管理员利用群算法建立与联盟链相对应的群，一条链对应一个群；
步骤S22：群管理员生成全网统一的同态加密密钥对，其中，公钥发送给所有用户，用于加密交易金额，而私钥由群管理员保存；
步骤S23：当新用户申请加入群时，需要向群管理员中的颁发者发出加入申请；由群管理员为其生成群签名的密钥，并颁发群证书；新用户加入联盟链后，就成为次要节点；
步骤S24：用户生成自身的非对称密钥对，并利用自身的公钥生成账户地址。
4.根据权利要求1所述的一种基于群签名和同态加密的联盟链隐私保护方法，其特征在于：步骤S31中A将交易信息m使用签密得到EncB(SigA(m))，其中Enc*为利用*的非对称密钥的公钥进行加密，Sig*为利用*的非对称密钥的私钥进行签名。
5.根据权利要求1所述的一种基于群签名和同态加密的联盟链隐私保护方法，其特征在于：步骤S32中B收到交易信息EncB(SigA(m))后，使用自身私钥进行解密，并验证A的签名，核对成功后，将自身账户地址，交易信息，以及自身的签名、群签名附上，得到以下信息：
EncA(SigB(AddressB)||GsigB(Encp(m))||Encp(SUMB)) ①
其中，Address*为*的账户地址，该地址为联盟链中的用户*利用自身非对称密钥公钥变化生成的字符串，而Gsig*则为节点*利用群密钥进行的群签名。
6.根据权利要求1所述的一种基于群签名和同态加密的联盟链隐私保护方法，其特征在于：步骤S33中B将加密后的密文发送给A，A接收到①后，用私钥解密，并对B的签名进行验证，验证通过后，将自身账户地址、交易信息、交易后账户余额附加上，得到以下信息：
SigA(AddressA)||GsigA(GsigB(Encp(m)))||Encp(SUMA)||SigB(AddressB)||Encp(SUMB) ②。
7.根据权利要求1所述的一种基于群签名和同态加密的联盟链隐私保护方法，其特征在于：步骤S33中将交易信息利用主要节点的公钥进行加密得到交易信息③，并将③广播给主要节点进行交易信息合法性验证；
Encmain(SigA(AddressA)||GsigA(GsigB(Encp(m)))||Encp(SUMA)||SigB(AddressB)||Encp(SUMB)) ③
其中，而Encmain为利用主要节点公开的公钥进行的加密。
8.根据权利要求1所述的一种基于群签名和同态加密的联盟链隐私保护方法，其特征在于：
步骤S5中为保护交易双方的身份隐私，区块中仅写入交易金额以及交易双方的群签名，写入区块的交易信息为：GsigA(GsigB(Encp(m)))。
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