CN112804046A - 一种基于区块链私钥映射的无载体隐写方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于区块链私钥映射的无载体隐写方法及系统，包括消息发送方与消息接收者分别生成一个相同的私钥数据库；消息发送者将秘密消息转化为一或多个序号，得到对应私钥，并计算各对应私钥的公钥地址，将各公钥地址作为一交易单中的接收地址，在区块链上广播所述交易单；消息接收者依据私钥数据库生成若干备选地址，并结合接收地址得到对应私钥，恢复所述秘密消息。本发明通过使用区块链信息为载体，实现了通信双方接收消息的一致性、对链路噪声的鲁棒性，消除了载体统计信息暴露通信事实的风险，提升了信息传输效率，极大降低了资源查找开销。

Description

一种基于区块链私钥映射的无载体隐写方法及系统
技术领域
本发明属于计算机信息隐藏领域，提出了一种基于区块链私钥映射的无载体隐写方法及系统。
背景技术
隐蔽通信技术是一种可以使人们在不安全信道上实现安全通信的技术。相比于加密的通信方式，隐蔽通信还可以实现对通信行为本身的隐藏，因此较加密而言拥有更加广阔的应用前景。
一般的隐蔽通信方案是通过将秘密信息以第三方不可感知的方式隐藏在载体中，并将载体以公开的信道进行传输或者发布。但是这种隐藏方式需要修改载体信息，修改的痕迹很容易被专用的隐写检测手段检测出来，因此安全的隐蔽通信面临着巨大挑战。
无载体的信息隐藏方案由此逐渐获得人们的重视。无载体隐藏方案无需修改载体，就能够根据秘密信息获取载体或者生成载体，很好的解决了传统信息隐藏方案易被隐写分析检测的问题。但是现有的无载体方案存在着以下重要的技术局限性：
中国专利申请CN108595975A公开了一种基于近重复图像检索的无载体信息隐藏方法，该方法主要包括大规模的自然图像库建立、隐秘标签选取、图像特征提取、快速检索图像的索引结构构建、信息隐藏和信息提取方法。首先将作为秘密信息的图像，分为若干个秘密图像块，然后通过采用特征匹配的方式，在图像库中搜索出含有与秘密图像块视觉相似图像块的自然图像，并将该自然图像作为含密图像进行秘密通信。本发明能够抵抗现有的隐写分析方法，提高隐藏容量，并且能够将图像作为秘密信息隐藏到图像载体中。
Partala等人在2018年发表的文章《Provably Secure Covert CommunicationonBlockchain》提出了一种安全地将秘密消息嵌入到区块链中的方法BLOCCE方案，即构建足够大的区块链接收地址池，使得接收地址的最后1bit作为信息载体，和要传输的秘密信息进行匹配。当需要发送某一消息时，在地址池中查找和消息匹配的地址，作为区块链交易的接收地址进行转账交易。
现有的无载体隐蔽传输方案存在着这样的问题：
1.在现有基于多媒体的无载体隐蔽方案中，都不能很好的解决信道传输中载体被修改的问题，载体的信道属性如果被修改，则很可能无法恢复出秘密消息。
2.在现有基于多媒体的无载体隐蔽方案中，连续的信息发送需要多份载体，该特征过于明显，且不容易掌控图片的语义特征，这些都极大地增加了隐写行为被检测的风险；
3.在现有基于区块链的无载体隐蔽方案BLOCCE方案中，信道容量过低，每笔单输出交易单只能嵌入1bit的秘密信息，信息传输效率差；
4.无论是哪种无载体方案，都需要维护一个载体数据库，检索过程繁琐，资源查找开销大。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于区块链私钥映射的无载体隐蔽通信方法及系统，通过消息发送者与消息接收者分别建立相同的私钥数据库，保证隐蔽通信双方的一致性和安全性，同时在隐蔽消息容量和运行效率上达到较好的平衡。
本发明的技术方案包括：
一种基于区块链私钥映射的无载体隐写方法，其步骤包括：
1)根据共享一个随机数种子seed、对应的随机数生成算法RG及每个含密地址中的含密容量n，消息发送方与消息接收者分别生成一个相同的私钥数据库，其中所述私钥数据库包括私钥序号及对应私钥；
2)消息发送者将秘密消息转化为一或多个序号，得到对应私钥，并计算各对应私钥的公钥地址，将各公钥地址作为一交易单中的接收地址，在区块链上广播所述交易单；
3)消息接收者依据私钥数据库生成若干备选地址，并结合交易单中的接收地址得到对应的私钥及私钥序号，恢复出所述秘密消息。
进一步地，所述随机数种子包括：初始随机数种子seed0和后续随机数种子seedi，i≥1；通过离线方式，共享初始随机数种子seed、对应的随机数生成算法RG及每个含密地址中的含密容量n；通过离线方式或在线方式，共享后续随机数种子seedi。
进一步地，通过以下步骤生成私钥数据库：
1)根据区块链的私钥长度len(sk)，通过随机数种子seed与对应的随机数生成算法RG，生成长度为len(sk)×2n的随机比特串
Figure BDA0002886114290000021
2)将随机比特串r分割为2n个私钥，并按照顺序为每一私钥赋予序号，得到私钥数据库。
进一步地，根据私钥计算该私钥的计算公钥地址的方法包括：区块链的地址生成算法。
进一步地，消息发送者广播所述交易单之后，删除私钥数据库中除秘密消息转化的序号与对应私钥之外的其它数据。
进一步地，消息发送者依据秘密消息转化为序号的顺序，广播相应交易单。
进一步地，消息接收者根据交易单中的时间戳确定交易单顺序，获得接收地址顺序，并结合得到的私钥及私钥的序号，恢复所述秘密消息。
一种基于区块链私钥映射的无载体隐写系统，包括：
消息发送者，用以将秘密消息转化为一或多个序号，得到对应私钥，并计算各对应私钥的公钥地址，将各公钥地址作为一交易单中的接收地址，在区块链上广播所述交易单；
消息接收者，用以依据私钥数据库生成若干备选地址，并结合交易单中的接收地址得到对应的私钥及私钥序号，恢复所述秘密消息；
其中，消息发送方与消息接收者根据共享一个随机数种子seed、对应的随机数生成算法RG及每个含密地址中的含密容量n，分别生成一个相同的私钥数据库；所述私钥数据库包括私钥序号及对应私钥。
进一步地，通过以下步骤生成私钥数据库：
1)根据区块链的私钥长度len(sk)，通过随机数种子seed与对应的随机数生成算法RG，生成长度为len(sk)×2n的随机比特串
Figure BDA0002886114290000031
2)将随机比特串r分割为2n个私钥，并按照顺序为每一私钥赋予序号，得到私钥数据库。
进一步地，消息发送者依据秘密消息转化为序号的顺序，广播相应交易单。
进一步地，消息接收者根据交易单中的时间戳，确定交易单顺序，获得接收地址顺序，并结合得到的私钥及私钥的序号恢复所述秘密消息。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明没有对载体进行任何修改，可以有效地抵抗隐写分析的攻击；
2、本发明通过使用区块链信息为载体，其不可篡改性和消息的一致性实现了通信双方接收消息的一致性、对链路噪声的鲁棒性。
3、本发明将隐蔽消息通过私钥顺序来表示，在含密地址的外在显示上无法看到任何的区别，消除了载体统计信息暴露通信事实的风险；
4、针对于基于区块链的无载体通信方案BLOCCE，本发明在合理的时空复杂度内的最大容量可以在内存中稳定地达到3字节，在使用外存索引的情况下其容量可以稳定达到4字节，这与传统的低容率信道的最大容量相比扩大至原来的1.5至2倍，提高了信道容量，极大提升了信息传输效率；
5、本发明避免了需要检索、维护载体数据库的问题，实现了每次通讯即可实时生成数据库，极大降低了资源查找开销。
附图说明
图1是基于区块链私钥映射的无载体隐写方案流程图。
图2是私钥数据库的举例示意。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步的说明。
本发明的一种基于区块链私钥映射的无载体隐蔽通信方案，包括以下步骤：
步骤一：种子共享：通信双方预先生成随机数种子，并沟通统一的随机数生成算法；
步骤二：私钥数据库的建表：通信双方在某次通信中，建立私钥数据库，并通过序号得到秘密消息和私钥的一一映射；
步骤三：信息嵌入：消息发送者根据秘密消息选取私钥数据库中对应的私钥；
步骤四：载密交易上链：消息发送者通过区块链标准算法得到选取私钥的对应公钥，进而得到对应的公钥地址，将其作为交易单中的接收地址；
步骤五：信息提取：消息接收者通过私钥数据库确定若干可能的备选地址，去和交易单中的接收地址进行对比，如果匹配到地址，则根据地址对应的私钥序号提取秘密消息。
进一步地，所述步骤一中，通信双方需要在第一次通信进行前，通过安全的方式沟通一个随机数种子seed和对应的随机数生成算法RG，使得通信双方可以同步生成相同的随机比特r＝RG(seed，nonce)，其中nonce是通信序号。同时，也将协商每个含密地址中的含密容量n比特。
进一步地，所述步骤二中，当消息的发送者将要进行某一次隐蔽通信，将会为每一个交易单生成一个实时的私钥数据库。数据库的具体生成方式如下：
首先，根据区块链的私钥长度len(sk)，通过随机数生成算法RG生成随机比特串
Figure BDA0002886114290000042
Figure BDA0002886114290000041
长度为len(sk)×2n；
其次，将随机比特串分割为2n个私钥，并且为每个私钥按照顺序进行序列排号，显然，我们可以得到2n个序号及其对应的私钥。这样我们就得到了一个包含序号的私钥数据库。
在消息接收者进行隐蔽消息的验证和接收时，需要构造完全一致的私钥数据库。
进一步地，所述步骤三中，消息的发送者选取n比特长的二进制秘密消息，这里由于任何秘密消息都可以转化为二进制的比特流，因此该秘密消息所有可能值只能为2n个。我们将这些二进制的秘密消息和私钥序号一一对应，由于我们生成的私钥数据库包含2n个序号，所以对于每一个秘密消息，都会有对应的序号存在。随后我们根据选取的秘密消息，确定对应序号下的私钥sk。
进一步地，所述步骤四中，根据区块链的地址生成标准，消息发送者将选取的私钥sk转化为对应的地址，并构造对应的交易单。交易单将选取的地址作为交易接收地址并上链，这样交易接收地址成为秘密消息的承载。具体流程如下：
首先，发送者通过区块链签名算法中的公钥生成算法，根据私钥sk得到对应公钥pk；
其次，发送者通过区块链地址生成算法，根据公钥pk得到对应地址Address；
再次，发送者构造区块链交易单Tx，并将地址Address作为交易单的接收地址；
最后，发送者将交易单补充完整，并发送到区块链上；
进一步地，所述步骤五中，消息接收者获取消息发送者的交易单，并生成和消息发送者完全一致的私钥数据库，通过匹配数据库中私钥的对应地址，确定是否交易单中含有隐蔽消息。具体流程如下：
首先：消息接收者监听消息发送者的交易单情况，并在区块链上获取对应的交易单；
其次，消息接收者生成和消息发送者完全一致的私钥数据库，并计算出每个私钥对应的地址；
最后，将交易单中的交易接收地址Address和上一步计算出来的地址进行匹配。如果匹配成功，那么确定秘密消息为数据库本条地址对应的私钥序号；如果没有匹配成功，则保留数据库下次使用，并返回本次交易单不含隐蔽消息。
本发明的具体实施方式主要分为以下六个步骤，我们以比特币为例介绍基于区块链私钥映射的无载体隐蔽通信方案，该方案的结构图如图1所示：
步骤一，通信双方Alice和Bob在借助比特币进行通信前，通过离线的方式安全共享一个随机数种子seed和对应的随机数生成算法RG，并协商每个含密交易单的接收地址中含密容量为24bit。
步骤二，消息发送者Alice首先确定本次隐蔽通信的序号nonce，并生成一个实时的私钥数据库。数据库的具体生成方式如下：
a.运行随机数生成算法RG(seed，nonce)，生成长度为232bit的随机比特串r；
b.将r划分为长度为28的私钥，这样我们得到了224个私钥，并按照生成顺序对其进行排序，得到本轮隐蔽通信的私钥数据库。
该数据库的存储形式如图2所示，每相实体包含两个属性：序号和私钥，序号为主属性，提供发送者进行秘密信息和私钥序号的匹配能力。
但是在实际运行过程中，发送者无需将数据库中所有的序号及私钥均保存下来，只需根据步骤三保存被选取的对应序号和私钥即可，作为本次发送秘密消息的映射对象。
因此，该数据库的实际大小为35B。
步骤三，消息的发送者在欲发送消息中依次选取24bit长的秘密消息m，此时m也可以看作是一个二进制的数字，那么它的十进制表示就是我们需要的序号，我们通过序号i找到对应的私钥ski。
步骤四，根据比特币中的标准算法，我们采用secp256k1签名算法生成ski对应的公钥pki，并通过区块链的地址生成算法：
base58(2|sha160(sha256(pki))|sha256(sha256(2|sha160(sha256(pki))))[0：4])
得到对应的地址Addressi。并构造对应的交易单
Figure BDA0002886114290000061
交易单中的接收地址填写为Addressi。发送者Alice将交易单发送到区块链上；
步骤五，消息接收者Bob获取Alice的交易单
Figure BDA0002886114290000062
并生成和Alice一致的私钥数据库，并计算出每个私钥对应的地址。将交易单
Figure BDA0002886114290000063
中得到的接收地址提取出来匹配私钥数据库中的地址。
如果有匹配结果Addressi，那么确定秘密消息为序号i；如果没有匹配结果，则保留数据库下次使用，并返回本次交易单不含隐蔽消息。
步骤六，接收者将接收到的秘密消息按照交易的时间戳进行拼接，恢复出完整的秘密消息。
在实际操作中，由于消息接收者需要遍历整个可能的私钥集合并匹配对应的地址，因此他生成的私钥数据库实际上只需保存序号和对应私钥的地址即可。每个私钥的地址占20字节，序号占3字节，所以数据库共占368MB的内存大小。
针对本发明中离线的种子共享步骤，双方在保证安全的情况下，可以在后续的通讯中协商进行随机数种子的更换。本发明是以初始随机数种子为例说明。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims (10)

1.一种基于区块链私钥映射的无载体隐写方法，其步骤包括：
1)根据共享一个随机数种子seed、对应的随机数生成算法RG及每个含密地址中的含密容量n，消息发送方与消息接收者分别生成一个相同的私钥数据库，其中所述私钥数据库包括私钥序号及对应私钥；
2)消息发送者将秘密消息转化为一或多个序号，得到对应私钥，并计算各对应私钥的公钥地址，将各公钥地址作为一交易单中的接收地址，在区块链上广播所述交易单；
3)消息接收者依据私钥数据库生成若干备选地址，并结合交易单中的接收地址得到对应的私钥及私钥序号，恢复出所述秘密消息。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述随机数种子包括：初始随机数种子seed0和后续随机数种子seedi，i≥1；通过离线方式，共享初始随机数种子seed、对应的随机数生成算法RG及每个含密地址中的含密容量n；通过离线方式或在线方式，共享后续随机数种子seedi。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过以下步骤生成私钥数据库：
1)根据区块链的私钥长度len(sk)，通过随机数种子seed与对应的随机数生成算法RG，生成长度为len(sk)×2n的随机比特串
Figure FDA0002886114280000011
2)将随机比特串r分割为2n个私钥，并按照顺序为每一私钥赋予序号，得到私钥数据库。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据私钥计算该私钥的公钥地址的方法包括：区块链的地址生成算法。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，消息发送者广播所述交易单之后，删除私钥数据库中除秘密消息转化的序号与对应私钥之外的其它数据。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，消息发送者依据秘密消息转化为序号的顺序，广播相应交易单。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，消息接收者根据交易单中的时间戳，确定交易单顺序，并结合得到的私钥及私钥序号恢复所述秘密消息。
8.一种基于区块链私钥映射的无载体隐写系统，包括：
消息发送者，用以将秘密消息转化为一或多个序号，得到对应私钥，并计算各对应私钥的公钥地址，将各公钥地址作为一交易单中的接收地址，在区块链上广播所述交易单；
消息接收者，用以依据私钥数据库生成若干备选地址，并结合交易单中的接收地址得到对应的私钥及私钥序号，恢复所述秘密消息；
其中，消息发送方与消息接收者根据共享一个随机数种子seed、对应的随机数生成算法RG及每个含密地址中的含密容量n，分别生成一个相同的私钥数据库；所述私钥数据库包括私钥序号及对应私钥。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，通过以下步骤生成私钥数据库：
1)根据区块链的私钥长度len(sk)，通过随机数种子seed与对应的随机数生成算法RG，生成长度为len(sk)×2n的随机比特串
Figure FDA0002886114280000021
2)将随机比特串r分割为2n个私钥，并按照顺序为每一私钥赋予序号，得到私钥数据库。
10.如权利要求8所述的系统，其特征在于，消息发送者依据秘密消息转化为序号的顺序，广播相应交易单；消息接收者根据交易单中的时间戳，恢复所述秘密消息。
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