CN112328699A - 一种基于区块链的全同态加密算法的安全外包方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于区块链的全同态加密算法的安全外包方法及系统，该方法包括：在本地服务器生成参数并将计算任务发送到区块链网络执行，返回计算结果后生成密钥；对数据进行加密并通过区块链网络和本地服务器分别执行多项式乘法任务和多项式加法任务，得到加密后的数据；根据密钥对加密后的数据进行解密并将多项式乘法任务发送到区块链网络执行，返回计算结果后得到解密数据。该系统包括：本地服务器和区块链网络。通过使用本发明，降低全同态加密算法的本地运算复杂度，使其能在计算能力有限的设备上更具实用性。本发明作为一种基于区块链的全同态加密算法的安全外包方法及系统，可广泛应用于安全计算领域。

Description

一种基于区块链的全同态加密算法的安全外包方法及系统
技术领域
本发明属于安全计算领域，尤其涉及一种基于区块链的全同态加密算法的安全外包方法及系统。
背景技术
由于区块链拥有不可篡改、可追溯等特性，利用区块链网络的计算能力进行安全计算外包能增加安全性，降低云端作弊的可能，但是，目前对加密算法的安全外包的研究非常稀少，首先是因为，如果加密过程中涉及的参数泄漏，很可能导致最终加密密钥的泄漏，其次，普通加密算法的复杂度并没有全同态加密算法高，而且目前大多数设备都能承受传统的加密算法的复杂度。在现有的基于区块链的通用安全计算外包方案中，都存在本地运行全同态加密算法复杂度过高的问题，导致其难以在运算资源有限的设备上应用。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于区块链的全同态加密算法的安全外包方法及系统，通过将基于隐理想格的全同态加密算法中的部分复杂运算安全外包给区块链网络，降低全同态加密算法的本地运算复杂度。
本发明所采用的第一技术方案是：一种基于区块链的全同态加密算法的安全外包方法，包括以下步骤：
在本地服务器生成参数并将计算任务发送到区块链网络执行，返回计算结果后生成密钥；
对数据进行加密并通过区块链网络和本地服务器分别执行多项式乘法任务和多项式加法任务，得到加密后的数据；
根据密钥对加密后的数据进行解密并将多项式乘法任务发送到区块链网络执行，返回计算结果后得到解密数据。
进一步，所述在本地服务器生成参数并将计算任务发送到区块链网络执行，返回计算结果后生成密钥这一步骤，其具体包括：
根据预设规则在本地服务器生成参数并发送数据至区块链网络；
基于区块链网络对数据执行多项式乘法计算并返回第一计算结果；
本地服务器对第一计算结果进行验证并将验证结果反馈给区块链；
基于区块链网络对数据执行欧几里得算法计算并返回第二计算结果；
本地服务器对第二计算结果进行验证并将验证结果反馈给区块链。
进一步，所述基于区块链网络对数据执行多项式乘法计算并返回第一计算结果这一步骤，其具体包括：
向区块链网络发送向量并发布傅里叶变换任务；
计算节点选择傅里叶变换任务并在任务完成后将变换后的结果返回给区块链，再由区块链将变换后的计算结果发送至本地服务器；
向区块链网络发送向量并发布傅里叶逆变换任务；
计算节点选择傅里叶逆变换任务并在任务完成后将逆变换后的结果返回给区块链，再由区块链将逆变换后的计算结果发送至本地服务器。
进一步，所述欧几里得算法包括多项式乘法运算和幂运算，所述基于区块链网络对数据执行欧几里得算法计算并返回第二计算结果这一步骤，其具体包括：
基于区块链网络对数据执行多项式乘法计算并返回结果；
发布数据和幂运算任务到区块链网络；
计算节点选择幂运算任务并将幂运算后的结果返回给区块链，再由区块链将幂运算后的结果发给本地。
进一步，将验证结果反馈给区块链后，具体还包括：
判断到验证结果正确，本地服务器接受该结果，区块链执行交易；
判断到验证结果不正确，本地服务器不接受该结果，区块链检查计算节点并对计算节点进行相应惩罚。
进一步，所述计算节点选择傅里叶变换任务具体为选择待处理向量并对其进行傅里叶变换任务，所述计算节点选择傅里叶逆变换任务具体为选择待处理向量并对其进行傅里叶逆变换任务，所述计算节点选择幂运算任务具体为选择待处理数据并对其进行幂运算。
进一步，所述在本地服务器生成参数具体包括生成8个随机数、3个随机向量和4个随机矩阵。
进一步，向区块链网络发送的向量具体为从随机矩阵中获得的向量。
本发明所采用的第二技术方案是：一种基于区块链的全同态加密算法的安全外包系统，包括：
本地服务器，用于生成参数、发布计算任务、执行普通计算和验证；
区块链网络，用于接收来自本地服务器发布的计算任务、返回计算结果、并由其计算节点选择计算任务、承担计算工作和返回计算结果。
本发明方法及系统的有益效果是：通过将基于隐理想格的全同态加密算法中的部分复杂运算安全外包给区块链网络，降低全同态加密算法的本地运算复杂度，从而使其能在计算能力有限的设备上更具实用性。
附图说明
图1是本发明一种基于区块链的全同态加密算法的安全外包的步骤流程图；
图2是本发明一种基于区块链的全同态加密算法的安全外包系统的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
如图1所示，本发明提供了一种基于区块链的全同态加密算法的安全外包方法，该方法包括以下步骤：
S1、在本地服务器生成参数并将计算任务发送到区块链网络执行，返回计算结果后生成密钥；
S2、对数据进行加密并通过区块链网络和本地服务器分别执行多项式乘法任务和多项式加法任务，得到加密后的数据；
S3、根据密钥对加密后的数据进行解密并将多项式乘法任务发送到区块链网络执行，返回计算结果后得到解密数据。
参照图2可得，本发明中用到的外包云平台为区块链网络。在基于隐理想格的全同态加密算法的运行过程中，运行至多项式乘法就可以将该运算外包给区块链网络；运行至扩展欧几里得算法，也可以将该算法中涉及的多项式乘法和幂运算分别根据多项式乘法和幂运算的安全外包算法外包给区块链网络。进而减少本地运算负担。
进一步作为本方法的优选实施例，所述在本地服务器生成参数并将计算任务发送到区块链网络执行，返回计算结果后生成密钥这一步骤，其具体包括：
根据预设规则在本地服务器生成参数并发送数据至区块链网络；
基于区块链网络对数据执行多项式乘法计算并返回第一计算结果；
本地服务器对第一计算结果进行验证并将验证结果反馈给区块链；
基于区块链网络对数据执行欧几里得算法计算并返回第二计算结果；
本地服务器对第二计算结果进行验证并将验证结果反馈给区块链。
进一步作为本方法的优选实施例，所述基于区块链网络对数据执行多项式乘法计算并返回第一计算结果这一步骤，其具体包括：
向区块链网络发送向量并发布傅里叶变换任务；
计算节点选择傅里叶变换任务并在任务完成后将变换后的结果返回给区块链，再由区块链将变换后的计算结果发送至本地服务器；
向区块链网络发送向量并发布傅里叶逆变换任务；
计算节点选择傅里叶逆变换任务并在任务完成后将逆变换后的结果返回给区块链，再由区块链将逆变换后的计算结果发送至本地服务器。
进一步作为本方法优选实施例，所述欧几里得算法包括多项式乘法运算和幂运算，所述基于区块链网络对数据执行欧几里得算法计算并返回第二计算结果这一步骤，其具体包括：
基于区块链网络对数据执行多项式乘法计算并返回结果；
发布数据和幂运算任务到区块链网络；
计算节点选择幂运算任务并将幂运算后的结果返回给区块链，再由区块链将幂运算后的结果发给本地。
进一步作为本方法优选实施例，将验证结果反馈给区块链后，具体还包括：
判断到验证结果正确，本地服务器接受该结果，区块链执行交易；
判断到验证结果不正确，本地服务器不接受该结果，区块链检查计算节点并对计算节点进行相应惩罚。
具体地，在所有运算中，本地需要验证运算结果，并通知区块链是否接受运算结果，如果本地服务器接受外包运算的结果，则区块链直接执行比特币交易(计算发布者付费，承担运算的节点得到报酬)；如果本地服务器不接受外包运算的结果，区块链根据数据和所发布的计算，模拟所有计算过程，寻找不诚实的计算节点，并进行比特币惩罚，对于诚实的节点进行比特币补偿。
进一步作为本方法优选实施例，所述计算节点选择傅里叶变换任务具体为选择待处理向量并对其进行傅里叶变换任务，所述计算节点选择傅里叶逆变换任务具体为选择待处理向量并对其进行傅里叶逆变换任务，所述计算节点选择幂运算任务具体为选择待处理数据并对其进行幂运算。
进一步作为本方法优选实施例，述在本地服务器生成参数具体包括生成8个随机数、3个随机向量和4个随机矩阵。
进一步作为本方法优选实施例，向区块链网络发送的向量具体为从随机矩阵中获得的向量。
具体地，多项式乘法计算具体步骤如下：
1.参数生成，8个随机数0≤i，j≤n，0≤β，m，l≤2n，k1，k2，k3∈RZ，3个随机向量r1＝L(i，k1，n)，r2＝L(j，k2，n)和r3＝L(β，k3，2n)，4个随机矩阵V＝T(a，r1)，U＝T(a，r1)，Z＝T(b，r2)和S＝T(b，r2)。
2.将随机矩阵中的4p个向量发送给4p个计算节点；
3.计算节点对其收到的向量进行傅里叶变换并将计算结果返回给任务发布者；
4.本地计算及验证：验证
Figure BDA0002790223200000051
验证
Figure BDA0002790223200000052
计算
Figure BDA0002790223200000053
Fc(Fa和Fb对应位置相乘的结果)；
5.生成随机矩阵D＝T(Fc，r3)和E＝T(Fc，r3)；
6.将随机矩阵中2p个向量分发给2p个计算节点；
7.计算节点对得到向量进行傅里叶逆变换，并将结果返回给任务发布者；
8.本地计算及验证：计算
Figure BDA0002790223200000054
验证
Figure BDA0002790223200000055
验证
Figure BDA0002790223200000056
验证
Figure BDA0002790223200000057
另外，p代表一个多项式系数向量要拆成子向量的个数，在多项式乘法安全计算外包算法中共需要6p个计算节点；定义
Figure BDA0002790223200000058
可以生成第i项为k，其他项为0的向量；定义
Figure BDA0002790223200000059
生成满足
Figure BDA00027902232000000510
的随机矩阵W＝[w1，w2，...wp]；小写非黑体字母代表数字；Fr为向量r的傅里叶变换(Fr[m]为向量r的傅里叶变换的第m项)；F-1 r为向量r的逆傅里叶变换。
幂运算具体步骤如下：
1.参数生成g1，g2，e，k1，k2∈Z；
2.本地计算v1＝g1 e，v2＝g2 e，w1＝u/g1，w2＝u/g2，t1＝d-k1e和l1＝d-k2t1；
3.发布数据(k1，v1)，(k1，v2)，(l1，w1)，(k2，w1)，(l1，w2)，(k2，w2)和幂运算任务到区块链网络；
4.计算节点选择任务并对得到的数据(ai，bi)计算得到
Figure BDA0002790223200000061
将计算结果返回给区块链；
5.区块链将计算结果发给本地；
6.本地验证
Figure BDA0002790223200000062
并将结果反馈给区块链；
7.区块链执行仲裁和交易。
在对多项式乘法的安全外包过程中，共涉及3轮用户和区块链的交互。首先是做傅里叶变换的向量的发布；其次是做逆傅里叶变换的向量发布；最后是对计算结果的反馈。在幂运算的安全外包过程中，共涉及2轮用户和区块链的交互，第一次用于发布数据，第二次用于对计算结果的反馈。
一种基于区块链的全同态加密算法的安全外包系统，包括：
本地服务器，用于生成参数、发布计算任务、执行普通计算和验证；
区块链网络，用于接收来自本地服务器发布的计算任务、返回计算结果、并由其计算节点选择计算任务、承担计算工作和返回计算结果。
上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种基于区块链的全同态加密算法的安全外包方法，其特征在于，包括以下步骤：
在本地服务器生成参数并将计算任务发送到区块链网络执行，返回计算结果后生成密钥；
对数据进行加密并通过区块链网络和本地服务器分别执行多项式乘法任务和多项式加法任务，得到加密后的数据；
根据密钥对加密后的数据进行解密并将多项式乘法任务发送到区块链网络执行，返回计算结果后得到解密数据。
2.根据权利要求1所述一种基于区块链的全同态加密算法的安全外包方法，其特征在于，所述在本地服务器生成参数并将计算任务发送到区块链网络执行，返回计算结果后生成密钥这一步骤，其具体包括：
根据预设规则在本地服务器生成参数并发送数据至区块链网络；
基于区块链网络对数据执行多项式乘法计算并返回第一计算结果；
本地服务器对第一计算结果进行验证并将验证结果反馈给区块链；
基于区块链网络对数据执行欧几里得算法计算并返回第二计算结果；
本地服务器对第二计算结果进行验证并将验证结果反馈给区块链。
3.根据权利要求2所述一种基于区块链的全同态加密算法的安全外包方法，其特征在于，所述基于区块链网络对数据执行多项式乘法计算并返回第一计算结果这一步骤，其具体包括：
向区块链网络发送向量并发布傅里叶变换任务；
计算节点选择傅里叶变换任务并在任务完成后将变换后的结果返回给区块链，再由区块链将变换后的计算结果发送至本地服务器；
向区块链网络发送向量并发布傅里叶逆变换任务；
计算节点选择傅里叶逆变换任务并在任务完成后将逆变换后的结果返回给区块链，再由区块链将逆变换后的计算结果发送至本地服务器。
4.根据权利要求3所述一种基于区块链的全同态加密算法的安全外包方法，其特征在于，所述欧几里得算法包括多项式乘法运算和幂运算，所述基于区块链网络对数据执行欧几里得算法计算并返回第二计算结果这一步骤，其具体包括：
基于区块链网络对数据执行多项式乘法计算并返回结果；
发布数据和幂运算任务到区块链网络；
计算节点选择幂运算任务并将幂运算后的结果返回给区块链，再由区块链将幂运算后的结果发给本地。
5.根据权利要求4所述一种基于区块链的全同态加密算法的安全外包方法，其特征在于，将验证结果反馈给区块链后，具体还包括：
判断到验证结果正确，本地服务器接受该结果，区块链执行交易；
判断到验证结果不正确，本地服务器不接受该结果，区块链检查计算节点并对计算节点进行相应惩罚。
6.根据权利要求5所述一种基于区块链的全同态加密算法的安全外包方法，其特征在于，所述计算节点选择傅里叶变换任务具体为选择待处理向量并对其进行傅里叶变换任务，所述计算节点选择傅里叶逆变换任务具体为选择待处理向量并对其进行傅里叶逆变换任务，所述计算节点选择幂运算任务具体为选择待处理数据并对其进行幂运算。
7.根据权利要求6所述一种基于区块链的全同态加密算法的安全外包方法，其特征在于，所述在本地服务器生成参数具体包括生成8个随机数、3个随机向量和4个随机矩阵。
8.根据权利要求7所述一种基于区块链的全同态加密算法的安全外包方法，其特征在于，向区块链网络发送的向量具体为从随机矩阵中获得的向量。
9.一种基于区块链的全同态加密算法的安全外包系统，其特征在于，包括：
本地服务器，用于生成参数、发布计算任务、执行普通计算和验证；
区块链网络，用于接收来自本地服务器发布的计算任务、返回计算结果、并由其计算节点选择计算任务、承担计算工作和返回计算结果。
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