CN113506104B - 一种软硬件结合的签名生成、验证方式和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于区块链技术领域，具体涉及一种软硬件结合的签名生成、验证方式和系统，本发明使用基于安全加密芯片的硬件进行签名，有效保护了私钥安全。本发明在芯片对交易数据签名前，附加交易序号，保证交易按指定顺序执行，在芯片对交易数据签名前，附加交易时间戳、交易有效期，保证交易时间可靠。本发明通过硬件签名、区块链验证结合的方式，保证开发者无需单独实现上述验证过程，提高开发效率。采用本发明的软硬件结合的签名生成与验证方法，彻底解决了上链过程中网络问题或恶意攻击导致的交易的顺序错乱问题以及上链过程中网络问题或恶意攻击导致的交易时间错乱问题，有效提高了交易上链过程的安全性，并提高了交易效率。

Description

一种软硬件结合的签名生成、验证方式和系统
技术领域
本发明属于区块链技术领域，具体涉及一种软硬件结合的签名生成、验证方式和系统。
背景技术
区块链技术是一种去中心化的分布式互联网数据库，是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式。区块链能安全地存储交易或其它数据，信息不可伪造和篡改，其所涉及的交易既可以是比特币这样的数字货币，也可以是债权、股权、版权等数字资产，广义上讲可以是任何的数字信息。它的出现大大降低了现实经济的信任成本与会计成本。依托区块链链式结构和时间戳技术，链上信息仅允许被新增，无法被修改与替换，保障链上数据在内容和时间上不可篡改，存证记录永久可追溯、可审计。区块链技术具有信息不可篡改性，依托区块链链式结构和时间戳技术，链上信息仅允许被新增，无法被修改与替换，保障链上数据在内容和时间上不可篡改，存证记录永久可追溯、可审计。区块链技术具有分布式管理性，区块链上的数据账本由所有参与节点进行分布式保存，通过预设的共识算法，所有的区块链节点将保存链上的全量数据，对链上数据进行共同维护。区块链技术具有公开透明性通过多方约定的共识机制和数据审阅机制，链上数据处理流程将面向参与节点进行公开和审计，所有用户可通过区块链浏览器对存证数据进行查询。区块链技术还具有自治性，链上多方将约定链上应用的运行规则及存证规则，后续链上应用将严格根据约定运行，任何第三方无法私下篡改运行规则，从而为链上应用的安全运行提供了保障。
在区块链中，为了保证数据在整个系统中不可篡改，以及保证交易双方的身份真实可靠等原因，需要对交易数据进行签名认证。目前，绝大部分区块链都会采用链公开密钥加密算法来生产公钥和私钥。为了保证私钥的安全性，多采用冷钱包机制，即通过不联网的硬件设备单独保存私钥，在发起交易时再接入冷钱包，使用私钥对交易做加密处理得到交易密文。在进行交易时，区块链节点再使用公钥对交易密文进行解密，对交易进行签名验证。
现有的硬件私钥生成签名，软件验证签名的方式适用于多数需要验证签名的场景，但从签名生成后到交易被打包进区块前的阶段，多由联网的第三方钱包或交易软件控制，可能受到网络攻击，对于交易上链过程中恶意修改交易发送顺序、延迟发送交易、丢弃交易的行为，导致上链交易顺序错乱、交易时间错乱的问题，私钥持有者自身和区块链都无法约束。
为解决上述问题，本发明的发明人特提出如下技术方案。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种软硬件结合的签名生成、验证方式和系统，根据本发明的方法，通过硬件签名、区块链验证结合的方式，提高开发效率，彻底解决了上链过程中网络问题或恶意攻击导致的交易的顺序错乱问题以及上链过程中网络问题或恶意攻击导致的交易时间错乱问题，有效提高了交易上链过程的安全性，并提高了交易效率。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种软硬件结合的签名生成与验证方法，具体包括如下步骤：
步骤1：硬件设备安全芯片基于算法生成公、私钥对，并存储于设备中；
步骤2：用户登录区块链客户端，根据步骤1中生成的公钥查询账户信息；
步骤3：用户在步骤2中的区块链客户端上预生成一笔交易TX1；
步骤4：用户接入硬件设备，导入步骤3中预生成的交易TX1开始计算签名；
步骤5：用户输入交易序号和交易有效期；
步骤6：硬件安全芯片生成交易版本号和交易有效期；
步骤7：硬件安全芯片生成安全交易信息TX2由用户确认；
步骤8：用户确认，硬件安全芯片生成签名和最终交易信息TX2；
步骤9：发送交易至区块链；
步骤10：区块链节点验证交易TX2；
步骤11：区块链节点解码并执行交易TX1。
优选的，步骤1中的所述算法为ECC非对称算法，包括且不限于ECDSA、SM2算法，所述设备具有密钥存储模块，所述公私钥对存储于设备的所述密钥存储模块中。
优选的，步骤1中的公、私钥对由硬件安全芯片在离线状态下生成。
优选的，步骤2中的区块链客户端为数字货币交易客户端或支持智能合约的区块链客户端。
优选的，步骤3中的交易为数字货币或智能合约交易。
优选的，步骤4中计算签名的的步骤包括：用户接入硬件设备，区块链客户端生成原始交易数据，用户输入交易序号和交易有效期，硬件设备生成交易版本号和交易时间戳，用户确认最终交易信息后由硬件设备生成签名，用户没有确认最终交易信息，则交易取消。
优选的，步骤7中的安全交易信息为一种可验证的安全交易信息。
优选的，步骤10中区块链节点验证并执行交易的步骤包括：区块链节点验证公钥账户交易序号是否与最终交易信息一致，如是则区块链节点验证当前数据是否符合最终交易信息中的交易有效期，如是则区块链节点验证最终交易信息中的签名数据是否育公钥匹配，如是则区块链节点验证交易通过；如以上任一区块链节点验证步骤为否，则区块链节点验证交易不通过。
优选的，所述硬件设备为内置安全加密芯片的硬件设备。
本发明还提供一种软硬件结合的签名生成和验证系统，所述系统用于运行上述签名生成与验证方法。
本发明的签名数据流由业务系统或交易软件生成，通过硬件签报，并经过上链中间件上传到区块链网络。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明使用基于安全加密芯片的硬件进行签名，有效保护了私钥安全。本发明在芯片对交易数据签名前，附加交易序号，保证交易按指定顺序执行，在芯片对交易数据签名前，附加交易时间戳、交易有效期，保证交易时间可靠。本发明通过硬件签名、区块链验证结合的方式，保证开发者无需单独实现上述验证过程，提高开发效率。采用本发明的软硬件结合的签名生成与验证方法，彻底解决了上链过程中网络问题或恶意攻击导致的交易的顺序错乱问题以及上链过程中网络问题或恶意攻击导致的交易时间错乱问题，有效提高了交易上链过程的安全性，并提高了交易效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明硬件设备生成签名流程示意图；
图2为本发明区块链验证签名流程示意图；
图3为本发明签名数据流示意图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面将结合实施例和对比例对本发明的实施方案作进一步详细的描述，但是本发明的实施方式并不限于此。
为了使本发明的目的、技术方案更加清楚明白，以下结合实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面对本发明的应用过程作详细的描述。
一种软硬件结合的签名生成与验证方法，具体包括如下步骤：
步骤1：硬件安全芯片基于算法生成公、私钥对，并存储于设备中；
步骤2：用户登录区块链客户端，根据步骤1中生成的公钥查询账户信息；
步骤3：用户在步骤2中的区块链客户端上预生成一笔交易TX1；
步骤4：用户接入硬件设备，导入步骤3中预生成的交易TX1开始计算签名；
步骤5：用户输入交易序号和交易有效期；
步骤6：硬件安全芯片生成交易版本号和交易有效期；
步骤7：硬件安全芯片生成安全交易信息由用户确认；
步骤8：用户确认，硬件安全芯片生成签名和最终交易信息TX2；
步骤9：发送交易TX2至区块链；
步骤10：区块链节点验证交易TX2；
步骤11：区块链节点从交易TX2中解析出预生成的交易信息TX1，并执行交易TX1。
在实际使用过程中，本发明步骤1中的所述算法可以采用ECC非对称算法，或者其他合适的算法，具体算法类型可以根据开发者的实际需要进行调整，本发明对此并不特别限制，但是为了提高开发效率和加密效果，本发明推荐使用ECC非对称算法。ECC算法，即椭圆加密算法，其是一种公钥加密算法，其数学基础是利用椭圆曲线上的有理点构成Abel加法群上椭圆离散对数的计算困难性。本发明推荐采用ECC算法的主要原因是因为在某些情况下它比其他的方法使用更小的密钥(比如RSA算法)，并能够提供相当的或更高等级的安全。采用ECC算法的另一个优势是可以定义群之间的双线性映射，基于Weil对或是Tate对，双线性映射已经在密码学中发现了大量的应用，例如基于身份的加密。不过一个缺点是加密和解密操作的实现比其他机制花费的时间长。
对于开发效率问题，ECC算法是在给定密钥长度的情况下，最强大的非对称算法，因此在对带宽要求十分紧的连接中会十分有用。另外，ECC算法还具有很高的安全性，根据发明人的实际测算，160位的ECC椭圆密钥与1024位的RSA密钥安全性相同。同时，ECC算法还具有处理速度快的优势，在私钥的加密解密速度上，ECC算法比RSA、DSA速度更快，存储空间占用小，带宽要求低。
本发明在签名生成和验证过程中所使用的硬件设备需要具有密钥存储模块，由硬件设备生成的公私钥对存储于设备的所述密钥存储模块中。
为了保证公钥和私钥的安全，步骤1中的公、私钥对由硬件安全芯片在离线状态下生成，即，步骤1中的硬件设备采用冷钱包机制，通过不联网的硬件设备单独保存私钥，在发起交易时再接入该硬件设备，使用私钥对交易做加密处理并得到交易密文。
根据实际需要，步骤2中的区块链客户端为数字货币交易客户端，步骤3中的交易为数字货币或智能合约交易，当然，也可以使用其他合适类型的区块链客户端以及相应的交易类型，本发明对此并不特别限制。
如图1所示，步骤4中计算签名的具体步骤包括：用户接入硬件设备，由交易软件或业务系统生成原始交易数据，由用户输入交易序号和交易有效期，硬件设备生成交易版本号和交易时间戳，由用户确认最终交易信息，根据用户确认最终交易信息的结果进行后续处理，如果用户确认最终交易信息则由硬件安全芯片生成签名，如果用户没有确认最终交易信息或则确认结果为否，则交易取消。
为了保证交易信息的安全性，本发明步骤7中的安全交易信息为一种可验证的安全交易信息，其对预生成的交易信息TX1进行封装，最终交易数据TX2格式的示例如下：
如图2所示，步骤10中区块链节点验证并执行交易的步骤包括：区块链节点验证公钥账户交易序号是否与最终交易TX2信息一致，如果验证结果为是，则区块链节点验证当前数据是否符合最终交易信息中的交易有效期，如果验证结果为是，则区块链节点验证最终交易信息中的签名数据是否育公钥匹配，如果验证结果为是，则区块链节点验证交易通过；如果以上任一区块链节点验证步骤为否，则区块链节点验证不通过。
为了确保公钥和私钥的安全性，所述硬件设备为内置安全加密芯片的硬件设备。
本发明还提供一种软硬件结合的签名生成和验证系统，所述系统用于运行上述签名生成与验证方法。
如图3所示，本发明的签名数据流由业务系统或交易软件生成，通过硬件签报，并经过上链中间件上传到区块链网络。
根据本发明的签名生成和验证方法，硬件设备内置有安全加密芯片，在签名的生成和验证过程中使用基于安全加密芯片的硬件设备进行签名，有效保护了私钥安全。同时，根据本发明的方法，在使用安全加密芯片对交易数据进行签名前，需要附加交易序号，以此保证了交易按指定顺序执行，在安全加密芯片对交易数据签名前，还需要附加交易时间戳以及交易有效期，以此保证了交易时间的可靠性。
本发明通过硬件签名和区块链验证相结合的方式，在硬件签名时对用户真实交易TX1进行信息封装，在区块链层对最终交易TX2验证通过后，解码TX2并执行TX1，保证开发者无需单独实现上述验证过程，提高了开发效率。
根据本发明的软硬件结合的签名生成与验证方法，彻底解决了上链过程中网络问题或恶意攻击导致的交易的顺序错乱问题以及上链过程中网络问题或恶意攻击导致的交易时间错乱问题，有效提高了交易上链过程的安全性，并提高了交易效率。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其配方、工艺所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
虽然本发明已以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更动与润饰，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种软硬件结合的签名生成与验证方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：硬件设备芯片基于算法生成公、私钥对，并存储于硬件设备中；
步骤2：用户登录区块链客户端，根据步骤1中生成的公钥查询账户信息；
步骤3：用户在步骤2中的区块链客户端上预生成一笔交易；
步骤4：用户接入硬件设备，导入步骤3中预生成的交易开始计算签名；计算签名的步骤包括：用户接入硬件设备，交易软件或业务系统生成原始交易数据，用户输入交易序号和交易有效期，硬件设备生成交易版本号和交易时间戳，用户确认最终交易信息后由安全芯片生成签名，用户没有确认最终交易信息，则交易取消；
步骤5：用户输入交易序号和交易有效期；
步骤6：硬件安全芯片生成交易版本号和交易时间戳；
步骤7：硬件安全芯片生成安全交易信息由用户确认；
步骤8：用户确认，硬件安全芯片生成签名；
步骤9：发送交易至区块链；
步骤10：区块链节点验证并执行交易；区块链节点验证并执行交易的步骤包括：区块链节点验证公钥账户交易序号是否与最终交易信息一致，如是则区块链节点验证当前数据是否符合最终交易信息中的交易有效期，如是则区块链节点验证最终交易信息中的签名数据是否与公钥匹配，如是则区块链节点验证交易通过；如以上任一区块链节点验证步骤为否，则区块链节点验证交易不通过。
2.根据权利要求1所述的软硬件结合的签名生成与验证方法，其特征在于，步骤1中的所述算法为ECC非对称算法，包括ECDSA、SM2算法，所述硬件设备具有密钥存储模块，所述公、私钥对存储于设备的所述密钥存储模块中。
3.根据权利要求1所述的软硬件结合的签名生成与验证方法，其特征在于，步骤1中的公、私钥对由硬件安全芯片在离线状态下生成。
4.根据权利要求1所述的软硬件结合的签名生成与验证方法，其特征在于，步骤2中的区块链客户端为数字货币交易客户端或支持智能合约的区块链客户端。
5.根据权利要求1所述的软硬件结合的签名生成与验证方法，其特征在于，步骤3中的交易为数字货币或智能合约交易。
6.根据权利要求1所述的软硬件结合的签名生成与验证方法，其特征在于，步骤7中的安全交易信息为一种可验证的安全交易信息。
7.根据权利要求1-6任一项所述的软硬件结合的签名生成与验证方法，其特征在于，所述硬件设备为内置安全加密芯片的硬件设备。
8.一种软硬件结合的签名生成和验证系统，其特征在于，所述系统运行权利要求1-7任一项所述的签名生成与验证方法。
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