CN112380565A - 一种基于可信硬件与区块链的安全多方计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可信硬件与区块链的安全多方计算方法，使用者将输入参数加密后输入可信执行环境，可信执行环境通过区块链与其他参与者交换数据，采集到所有输入后在可信执行环境中执行计算函数并输出结果，基于该方案可实现多个参与者在保护各自数据隐私的情况下完成安全隐私的数据共享，最终实现分布式的任意多方联合计算任务。本发明利用区块链实现多方参与者公平地数据交换过程，同时数据交换利用加密算法予以隐私保护，获取的加密数据在可信计算环境中解密与计算，从而实现高效的安全多方计算过程。

Description

一种基于可信硬件与区块链的安全多方计算方法

技术领域

本发明涉及区块链技术领域，特别涉及一种基于可信硬件与区块链的安全多方计算方法。

背景技术

安全多方计算英文全称为Secure Multi-Party Computation，一般缩写为 MPC，指的是在保护数据安全隐私的前提下实现多方间数据融合计算。在网络环境中，某一任务的参与者分别拥有自己一方的数据，多个参与者通过通信协议分布式的计算某个功能函数从而完成计算任务。各个参与者为计算函数提供各自的输入，同时参与者得到函数的正确输出。同时这个过程实现对用户隐私数据的保护，也就是参与者除了可以获得自己应得的输出外，不能得到其他用户的任何输入信息。安全多方计算可以实现隐私保护下的用户数据共享，对于数据的有效利用具有重要意义。尤其信息安全相关的法律规定了严格的用户数据保护要求，传统的数据直接共享的方式已经不能满足要求。

传统的安全多方计算是通过复杂的交互式密码协议实现的。参与者将其拥有的输入数据加密后按照协议传递给其他参与者，参与者通过一系列对密文的计算与转换得到原始计算任务的输出。在此过程中，由于参与者不能直接对原始的数据做计算，其计算效率以及计算功能都会受到很大限制。通过传统安全多方计算协议实现的安全多方计算要在计算功能与计算效率直接做取舍。第一种是仅支持特定的相对简单的计算函数，不支持复杂的或者灵活的计算任务。第二种是支持通用的计算任务，但是由于效率较低仅支持少量数据的计算。

可信执行环境英文全称Trusted Execution Environment，简称为TEE是具有内生安全保护功能的计算环境，其计算过程以及所用到的内存、寄存器等均受到芯片原生的安全保护不被篡改或者窃取。基于可信计算环境的保护，可在其硬件安全域中安全使用用户的明文数据。区块链（Blockchain）是一种去中心化的数据一致性共识系统，通过区块链可以实现数据公平的交换与传输。加密算法是包含用户在公开信道传输数据隐私的技术，通过加密算法可以实现传输过程中数据的隐私保护。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于可信硬件与区块链的安全多方计算方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

本发明一种基于可信硬件与区块链的安全多方计算方法，使用者将输入参数加密后输入可信执行环境，可信执行环境通过区块链与其他参与者交换数据，采集到所有输入后在可信执行环境中执行计算函数并输出结果，方案包括四个主要环节：数据输入、数据上链、数据交换和计算输出；以两方参与地计算流程为例，其主要流程步骤如下所示：

S1.数据输入

所有的参与者将自己的输入明文，如节点P1所需发送明文数据为DataPlain，使用本地可信执行环境的公钥，如节点P1本地可信执行环境公钥为TeePubKey_P1，加密后的密文DataSecret_P1输入给可信执行环境，可信执行环境可以在可信域内利用对应的私钥TeePrivKey_P1解密得到输入的明文信息DataPlain。明文信息仅存在于可信执行环境安全域中，不向外部暴露；

S2.数据上链

可信执行环境将本地的输入，如节点P1使用其他计算节点，如节点P2可信执行环境的公钥TeePubKey_P2加密后的密文DataSecret_P2写入区块链智能合约中，区块链所记录的数据为密文状态，所有可信执行环境所用公钥提前在区块链分布式注册中心注册，并可认证；

S3.数据交换

参与计算节点，如节点P2的可信执行环境读取区块链中其他节点写入的密文数据DataSecret_P2，并将密文在可信执行环境中使用TeePrivKey_P2解密得到DataPlain，以上步骤为P2获取P1所传送的隐私数据，同理任意计算节点Pi、Pj、Pk …间可采用相同方案实现隐私数据的相互传输；

S4.计算输出

可信计算环境获取所有节点输入数据并解密后在本地可信计算环境中输入计算函数得到计算结果，将计算结果加密输出给协议参与用户，完成计算过程。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1.本发明提出的方案可以实现对于任意计算函数的安全多方计算，由于计算过程在可信执行环境中以明文形式完成，因此任何当前计算架构下可完成的计算函数均可执行；

2.本发明提出的方案不限定参与者的数量。所有的参与者通过区块链实现数据的安全交换与共享，任意数量参与者的计算模型均可支持；

3.本发明提出的方法不需要交互式协议设计，协议执行效率高，所有参与者仅需通过区块链提交及获取数据即可完成计算的准备过程，协议运行复杂度不随着参与者数量的增加而增加；

4.方案与具体所使用区块链架构解耦，任意支持图灵完备智能合约形式的区块链皆可使用，方案整体计算效率可通过采用高效的联盟区块链得到进一步提升。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的基于可信执行环境的安全两方计算流程图；

图2是本发明的基于可信执行环境的安全多方计算流程图；

图3是本发明的用户与计算节点拓扑图；

图4是本发明的安全多方计算节点架构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1-4所示，本发明提供一种基于可信硬件与区块链的安全多方计算方法，使用者将输入参数加密后输入可信执行环境，可信执行环境通过区块链与其他参与者交换数据，采集到所有输入后在可信执行环境中执行计算函数并输出结果，方案包括四个主要环节：1.数据输入；2.数据上链；3.数据交换；4.计算输出；以两方参与地计算流程为例，其主要流程步骤如下所示：

S1.数据输入

如图1中步骤①所示，所有的参与者将自己的输入明文(如节点P1所需发送明文数据为DataPlain)使用本地可信执行环境的公钥(如节点P1本地可信执行环境公钥为TeePubKey_P1)加密后的密文DataSecret_P1输入给可信执行环境，可信执行环境可以在可信域内利用对应的私钥TeePrivKey_P1解密得到输入的明文信息DataPlain。明文信息仅存在于可信执行环境安全域中，不向外部暴露；

S2.数据上链

如图1中步骤②所示，可信执行环境将本地的输入(如节点P1)使用其他计算节点(如节点P2)可信执行环境的公钥TeePubKey_P2加密后的密文DataSecret_P2写入区块链智能合约中，区块链所记录的数据为密文状态。所有可信执行环境所用公钥提前在区块链分布式注册中心注册，并可认证；

S3.数据交换

如图1中步骤③所示，参与计算节点（如节点P2）的可信执行环境读取区块链中其他节点写入的密文数据DataSecret_P2，并将密文在可信执行环境中使用TeePrivKey_P2解密得到DataPlain(以上步骤为P2获取P1所传送的隐私数据，同理任意计算节点Pi、Pj、Pk …间可采用相同方案实现隐私数据的相互传输)；

S4.计算输出

如图1步骤④所示，可信计算环境获取所有节点输入数据并解密后在本地可信计算环境中输入计算函数得到计算结果。将计算结果加密输出给协议参与用户，完成计算过程。

本方案可扩展为多方计算，如图2所示，

在此过程中，N个参与方均执行与前述两方计算相同的1.数据输入；2.数据上链；3.数据交换过程，完成数据交换后，所有参与方的可信执行环境检测其他所有参与者均输入了有效数据，则完成4.计算输出。

本发明基于区块链多方参与、可信智能合约执行、数据不可篡改，行为可追溯等特性，融合硬件可信执行环境实现可用于任意需要隐私保护的多方计算场景，如信用数据共享、多方数据挖掘、数据统计分析等，高效解决大数据流通情况下多方参与的多源数据融合隐私问题。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1.本发明提出的方案可以实现对于任意计算函数的安全多方计算，由于计算过程在可信执行环境中以明文形式完成，因此任何当前计算架构下可完成的计算函数均可执行；

2.本发明提出的方案不限定参与者的数量。所有的参与者通过区块链实现数据的安全交换与共享，任意数量参与者的计算模型均可支持；

3.本发明提出的方法不需要交互式协议设计，协议执行效率高，所有参与者仅需通过区块链提交及获取数据即可完成计算的准备过程，协议运行复杂度不随着参与者数量的增加而增加；

4.方案与具体所使用区块链架构解耦，任意支持图灵完备智能合约形式的区块链皆可使用，方案整体计算效率可通过采用高效的联盟区块链得到进一步提升。

与已有方案对比

对比方案1：

一种多方数据共享方法和装置 ----- CN202010410004.2

该对比发明方案提供一种多方数据共享方法和装置，用于在权限管理平台、可信执行环境下的可信计算单元、数据使用方、数据提供方和数据中心之间共享数据。

本发明中采用区块链作为可信数据中介存储介质，并采用智能合约实现可信数据处理。该对比方案将加密数据存储于数据中心，属于中心化方案，且无法对数据进行安全处理。对方方案采用权限统一权限管理平台，有单点失效等中心化问题。本发明适配于多方安全计算场景需求，对比方案不针对安全多方计算场景。

对比方案2：

一种基于可信执行环境的多方隐私计算系统 ----- CN202010012463.5

该对比本发明提供一种在有多个参与方的情形下进行的安全可信的数据多方计算的实现方式，使得原始数据提供方知晓其所提供的原始数据被哪些对象以何种方式获取，数据的需求方也可以确保原始数据以及数据计算结果的准确性和真实性。该对比发明所采用的数据协调流程与本发明不同，且不采用区块链技术作为加密数据可信协调方。因而解决问题和采用方法皆与本发明有明显差异。

本发明应用于需要隐私保护的数据共享场景，参与者分为计算节点与普通用户两类。

计算节点完成本发明前文所描述的1.数据输入；2.数据上链；3.数据交换；4.计算输出四个流程，并为普通用户提供用户接口。

普通用户通过计算节点提供的用户接口输入数据参数获得计算结果，其实施拓扑图如图3所示，普通用户通过选择某个计算节点接入系统，计算节点间通过P2P网络实现去中心化连接构成一个计算网络。

单个计算节点的实施如图4所示，

1.每个完全的参与方运行1.共识协议、2.智能合约引擎、3.可信执行环境以及4.用户接口四个主要模块，部分参与方可仅运行其中的部分模块；

2.运行共识协议的节点称为共识节点，用于维护区块链的安全生成与数据一致性，并记录存储系统中所有节点产生的交易数据；

3.智能合约引擎用于执行系统中部署的智能合约，智能合约是共识协议承载的一种可自动执行的代码数据，所有的智能合约引擎依赖于共识协议保持全局的一致性；

4.可信执行环境用于数据的加密、解密与安全执行，敏感数据仅在可信执行环境中解密并执行。实现安全多方计算的节点在可信执行环境中部署相同的计算逻辑代码；

5.用户接口为外部应用提供数据输入输出，输入的数据以密文形式提交至智能合约，输出为安全多方计算的结果。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于可信硬件与区块链的安全多方计算方法，其特征在于，使用者将输入参数加密后输入可信执行环境，可信执行环境通过区块链与其他参与者交换数据，采集到所有输入后在可信执行环境中执行计算函数并输出结果，方案包括四个主要环节：数据输入、数据上链、数据交换和计算输出；以两方参与地计算流程为例，其主要流程步骤如下所示：

S1.数据输入

所有的参与者将自己的输入明文，如节点P1所需发送明文数据为DataPlain，使用本地可信执行环境的公钥，如节点P1本地可信执行环境公钥为TeePubKey_P1，加密后的密文DataSecret_P1输入给可信执行环境，可信执行环境可以在可信域内利用对应的私钥TeePrivKey_P1解密得到输入的明文信息DataPlain;

明文信息仅存在于可信执行环境安全域中，不向外部暴露；

S2.数据上链

可信执行环境将本地的输入，如节点P1使用其他计算节点，如节点P2可信执行环境的公钥TeePubKey_P2加密后的密文DataSecret_P2写入区块链智能合约中，区块链所记录的数据为密文状态，所有可信执行环境所用公钥提前在区块链分布式注册中心注册，并可认证；

S3.数据交换

参与计算节点，如节点P2的可信执行环境读取区块链中其他节点写入的密文数据DataSecret_P2，并将密文在可信执行环境中使用TeePrivKey_P2解密得到DataPlain，以上步骤为P2获取P1所传送的隐私数据，同理任意计算节点Pi、Pj、Pk …间可采用相同方案实现隐私数据的相互传输；

S4.计算输出

可信计算环境获取所有节点输入数据并解密后在本地可信计算环境中输入计算函数得到计算结果，将计算结果加密输出给协议参与用户，完成计算过程。

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