CN113516473B - 一种基于生物特征的区块链托管门限钱包方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于生物特征的区块链托管门限钱包方法，具体为：采集用户身份信息、私钥以及用户生物特征信息进行编码，将编码后得到的复合码，身份信息发送至钱包服务端；钱包服务端收到用户的注册信息后，存储身份信息，并将复合码进行门限分割；用户端向钱包服务端发送用户身份信息，钱包认证成功后，向各储存服务器发送重构信息请求，并将重构信息发送给用户后删除；用户利用重构信息解密私钥，完成签名后删除私钥，将签名发送给钱包服务端；钱包服务端验证签名的正确性，并利用公开参数实现与用户的双向认证。本发明设计简单，计算量小，将生物特征技术与密码学技术相结合，解决了私钥恢复的问题，同时，也防止了门限成员的合谋攻击。

Description

一种基于生物特征的区块链托管门限钱包方法

技术领域

本发明属于区块链生物特征钱包技术，尤其涉及一种基于生物特征的区块链托管门限钱包方法。

背景技术

区块链加密数字货币是通过区块链钱包来进行管理和使用的，钱包是匿名的并且用户私钥是标识加密数字货币所有权的唯一凭证，一旦丢失或被盗则意味着数字货币再也无法找回。现阶段的区块链钱包方案面临着很多安全威胁，如将私钥存储在本地计算机的软件钱包易受到恶意软件感染导致资金损失，将私钥离线存储的硬件钱包面临丢失或被盗抢的风险，将钱包托管给第三方机构的托管钱包面临第三方不诚信的风险等。更为严重的是，无论采用哪种钱包形式钱包访问都是通过口令进行，该保护方式具有复杂口令易遗忘和简单口令易受暴力字典攻击等脆弱性，口令一旦遗忘或被盗则意味着钱包的丢失或被盗，构成了区块链钱包安全的关键问题。

生物特征识别技术与密码学的结合为解决上述问题开辟了一条新的途径。将生物特征识别简单的替代口令识别用于区块链钱包的保护是不合适的，一方面是由于生物特征模板在钱包中存储存在隐私保护的问题，另一方面钱包中的用户私钥仍然面临被盗的风险，所以必须考虑生物特征与用户密钥相结合的方式。然而生物特征密钥的简单生成仍然存在隐私保护的问题，由于每个人的人体生物特征都是长期唯一的，简单生成的生物特征密钥也唯一，其一旦泄露将产生严重后果，因此在构建区块链生物特征钱包方案时必须考虑生物特征的安全性问题。

发明内容

综合了托管钱包和门限钱包的优点，弥补了两种钱包各自的缺陷。不仅不用用户自己保管私钥，也不用担心直接盗窃和单点故障的问题。本发明提供一种基于生物特征的区块链托管门限钱包方法。

本发明的一种基于生物特征的区块链托管门限钱包方法，包括以下步骤：

步骤1：注册：采集用户身份信息、私钥以及用户生物特征信息进行编码，将编码后得到的复合码，身份信息发送至钱包服务端后，用户端删除私钥。

步骤2：密钥分配：钱包服务端收到用户的注册信息后，检查信息的唯一性，存储身份信息，并将复合码进行门限分割，在n个门限服务器端进行共享，记录分配的具体服务器。

步骤3：认证：用户端向钱包服务端发送用户身份信息，请求得到用户注册信息；钱包服务端收到后在数据库中找出身份对应的信息，然后向任意t个对应的门限服务端发送信息重构请求，门限服务器收到后将自己的秘密份额返回给钱包，钱包利用返回的信息重构出秘密复合码；同时，钱包选择一个随机数α并加密，得到Q₁用于后续验证，将Q₁和秘密复合码一同发送给用户。

步骤4：签名：用户将新采集的生物特征值和收到的复合码用级联码解码函数进行解码，成功恢复私钥，然后选择随机数k∈Z_q，R＝H(g^k)，公布R，然后对信息使用ECDSA签名；签名后用户立即删除私钥信息，同时选择另一随机数b计算并公开Q₃。

步骤5：验证：用户将签名信息发送给钱包服务端，钱包进行验证，若成功，钱包将交易公布到区块链网络中；钱包和用户通过Q₃信息实现双向认证。

进一步的，步骤1中，编码是采用外层Hadamard码和内层Rees-Solomon码的级联码；其中，RS(n,k,t)的每个分组的输入和输出长度都是m比特；编码后，每个比特分组用Hadamard码再进行编码，过程如下：

(1)R₁＝H(id)，H为哈希函数；

(2)

其中，用户身份信息为id，d代表秘密密钥，w表示生物特征信息，K_lock表示复合码，encode指Hadamard码和内层Rees-Solomon码的级联码编码方法。

进一步的，步骤2中，对复合码进行门限分割，具体如下：

钱包服务端随机选择t-1次的多项式方程：

f(x)＝a₀+a₁x+a₂x²+......+a_t-1x^t-1

其中a_i∈Zq,i＝1,2,...,t-1，Z为有限域，q是有限域上的大素数，且K_lock＝f(0)；再计算s_i＝f(x_i),i＝1,2,...,n，把S_i作为秘密份额通过安全信道发送给n个门限成员服务器P_i；钱包分配完秘密份额后删除f(x)和K_lock对应的信息。

进一步的，步骤3中，Q₁＝aP，P为椭圆曲线上的一点。

进一步的，步骤4中，解码过程如下：

对信息M的ECDSA签名过程具体为：

(1)m＝H(M)；

(2)(x₁,y₁)＝kG,r＝x₁modq，G是椭圆曲线的基点；

(3)s＝k^-1(e+dr)modq；(r,s)即是用户对信息M的签名。

计算Q₃具体为：

Q₂＝bP

Q₃＝Q₁||id||Q₂。

进一步的，步骤5中，钱包验证过程：

modq，判断H(R')＝R是否成立，若成立，则验证成功。

双向验证过程为：钱包通过Q₂获取Q₃，并用αQ₂加密Q₂，即

将

发送给用户，用户计算

是否与

相等，若相等，则用户与钱包之间实现了双向认证。

本发明的有益技术效果为：

(1)本发明通过基于级联码的方式将生物特征信息及私钥加密，不仅将私钥隐藏了起来，同时也保护了用户的生物特征值，即用户的隐私信息是安全的，攻击者即使获得复合码值，也无法得知真正的生物特征信息。而以往编码方案在注册时将生物特征模板存储在服务器中，用户通过提交新的模板与存储的模板进行匹配，相似度达到一定程度则视为认证成功。这种方式在服务器遭到攻击时整个系统会面临崩溃，用户生物特征信息泄露且终身不能再用这个生物特征。

(2)本发明通过用哈希函数将身份信息id加密后，与私钥d链接，将链接后的值采用级联码的方式编码，再与生物特征信息进行异或操作，得到K_lock。K_lock在极大程度上模糊了私钥信息，攻击者即使得到K_lock的值，要想从中解密私钥信息，在计算上也是困难的。且用户端在加密或者签名后都会立即删除私钥信息，即钱包和用户端都不会存储私钥及其加密后的信息，避免了私钥信息的泄露。

(3)本发明可防交易伪造及重放攻击，即钱包可利用用户公钥来验证用户的身份信息，由签名的安全性可知只有持有公钥对应的私钥才能签署正确的签名，即正确签名时，等式R＝H(R')会成立，因为：

当签名正确时，钱包才会将交易广播到区块链，防止了交易的伪造性。此外，为了防止中间人攻击，阻止第三方假冒认证单元，引入随机数进行认证，钱包和用户通过公开信息，验证

是否相等，即aQ₂＝abP＝bQ₁，来实现双向认证，从Q₁、Q₃中获取关于a,b的相关信息等同于求解椭圆曲线上的离散对数问题。同时，本方案验证过程中产生一次性随机数保证消息的新鲜性，避免了重放攻击。

(4)本发明通过生物特征门限分割的思想，可有效避免直接盗窃、合谋攻击和单点故障等问题。将私钥和生物特征加密后的秘密门限分割储存，门限机制保证不超过门限数量的任意碎片不能恢复密钥。攻击者即使成功收集到了超过门限数量的秘密，重构出秘密，也无法从秘密中获取私钥信息。所以无论是钱包自身直接盗窃，还是门限成员发动合谋攻击，都只能获得私钥和生物特征经过一系列加密后的秘密，而从秘密中解密关于私钥的任何信息在计算上是困难的。而传统的钱包方案将私钥存储在一个地方，攻击者可以攻击服务器使服务器瘫痪，用户无法获取私钥信息。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为本发明中的手指静脉图像预处理的过程示意图；

图3为本发明中的生物特征加解密过程；

图4为应用本发明时的对于各阶段的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细说明。

本发明的一种基于生物特征的区块链托管门限钱包方法如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：注册：采集用户身份信息、私钥以及用户生物特征信息进行编码，将编码后得到的复合码，身份信息发送至钱包服务端后，用户端删除私钥。

生物特征信息通过手指静脉采集仪采集用户的静脉图像并输入计算机，计算机程序对静脉图像进行图像分割、图像滤波、图像二值化、图像细化等预处理操作之后，得到一幅静脉的骨架图。静脉采集仪采集的用户指静脉图像应具有较好的质量，即对于每次采集的手指指静脉图像，可以有一定的平移、旋转以及噪声干扰。手指静脉图像预处理的过程如图2所示，包括手指边缘检测(b)、根据两条边缘线分割出静脉图像(c)、静脉图像增强(d)和静脉骨架特征提取(e)、细化(f)并去除毛刺后，得到二元图像(g)。

图3是本发明中涉及到的生物特征加解密过程。私钥与用户身份信息链接后进行级联码编码，与预处理后的生物图像信息异或操作，产生最终的复合码。

步骤1中，编码是采用外层Hadamard码和内层Rees-Solomon码的级联码；其中，RS(n,k,t)的每个分组的输入和输出长度都是m比特；编码后，每个比特分组用Hadamard码再进行编码，过程如下：

(1)R₁＝H(id)，H为哈希函数；

(2)

其中，用户身份信息为id，d代表秘密密钥，w表示生物特征信息，K_lock表示复合码，encode指Hadamard码和内层Rees-Solomon码的级联码编码方法。

步骤2：密钥分配：钱包服务端收到用户的注册信息后，检查信息的唯一性，存储身份信息，并将复合码进行门限分割，在n个门限服务器端进行共享，记录分配的具体服务器。

步骤2中，对复合码进行门限分割，具体如下：

钱包服务端随机选择t-1次的多项式方程：

f(x)＝a₀+a₁x+a₂x²+......+a_t-1x^t-1

其中a_i∈Zq,i＝1,2,...,t-1，Z为有限域，q是有限域上的大素数，且K_lock＝f(0)；再计算s_i＝f(x_i),i＝1,2,...,n，把S_i作为秘密份额通过安全信道发送给n个门限成员服务器P_i；钱包分配完秘密份额后删除f(x)和K_lock对应的信息。

步骤3：认证：用户端向钱包服务端发送用户身份信息，请求得到用户注册信息；钱包服务端收到后在数据库中找出身份对应的信息，然后向任意t个对应的门限服务端发送信息重构请求，门限服务器收到后将自己的秘密份额返回给钱包，钱包利用返回的信息重构出秘密复合码；同时，钱包选择一个随机数α并加密，得到Q₁用于后续验证，将Q₁和秘密复合码一同发送给用户。

步骤4：签名：用户将新采集的生物值和收到的复合码用级联码解码函数进行解码，成功恢复私钥，然后选择随机数k∈Z_q，R＝H(g^k)，公布R，然后对信息使用ECDSA签名；签名后用户立即删除私钥信息，同时选择另一随机数b计算并公开Q₃。

步骤4中，解码过程如下：

对信息M的ECDSA签名过程具体为：

(1)m＝H(M)；

(2)(x₁,y₁)＝kG,r＝x₁modq，G是椭圆曲线的基点；

(3)s＝k^-1(e+dr)modq；(r,s)即是用户对信息M的签名；

计算Q₃具体为：

Q₂＝bP

Q₃＝Q₁||id||Q₂。

步骤5：验证：用户将签名信息发送给钱包服务端，钱包进行验证，若成功，钱包将交易公布到区块链网络中；钱包和用户通过Q₃信息实现双向认证。

钱包验证过程：

modq，判断H(R')＝R是否成立，若成立，则验证成功；

双向验证过程为：钱包通过Q₂获取Q₃，并用αQ₂加密Q₂，即

将

发送给用户，用户计算

是否与

相等，若相等，则用户与钱包之间实现了双向认证。

本发明中生物特征托管钱包方法中对于各阶段的示意图如图4所示。注册阶段，用户向托管钱包发送id和K_lock，钱包收到信息后将id信息储存，并将K_lock分割，在多个服务器储存，成功后删除K_lock。认证时用户发送id，钱包收到后找到对应信息，向存储服务器发送重构请求，将重构后的信息发送给用户后删除重构出的信息。用户用重构的信息解密出私钥完成签名，将签名发送给钱包验证，并删除私钥信息。

总之，本发明采用简单的门限方案，计算量小，将生物特征技术与密码学技术相结合，解决了私钥恢复的问题，同时，也防止了门限成员的合谋攻击。

Claims (4)

1.一种基于生物特征的区块链托管门限钱包方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：注册：采集用户身份信息、私钥以及用户生物特征信息进行编码，将编码后得到的复合码，身份信息发送至钱包服务端后，用户端删除私钥；

编码是采用外层Hadamard码和内层Rees-Solomon码的级联码；其中，RS(n,k,t)的每个分组的输入和输出长度都是m比特；编码后，每个比特分组用Hadamard码再进行编码，过程如下：

(1)R₁＝H(id)，H为哈希函数；

(2)

其中，用户身份信息为id，d代表秘密密钥，w表示生物特征信息，K_lock表示复合码，encode指Hadamard码和内层Rees-Solomon码的级联码编码方法；

步骤2：密钥分配：钱包服务端收到用户的注册信息后，检查信息的唯一性，存储身份信息，并将复合码进行门限分割，在n个门限服务器端进行共享，记录分配的具体服务器；

对复合码进行门限分割，具体如下：

钱包服务端随机选择t-1次的多项式方程：

f(x)＝a₀+a₁x+a₂x²+......+a_t-1x^t-1

其中a_i∈Zq,i＝1,2,...,t-1，Z为有限域，q是有限域上的大素数，且K_lock＝f(0)；再计算s_i＝f(x_i),i＝1,2,...,n，把S_i作为秘密份额通过安全信道发送给n个门限成员服务器P_i；钱包分配完秘密份额后删除f(x)和K_lock对应的信息；

步骤3：认证：用户端向钱包服务端发送用户身份信息，请求得到用户注册信息；钱包服务端收到后在数据库中找出身份对应的信息，然后向任意t个对应的门限服务端发送信息重构请求，门限服务器收到后将自己的秘密份额返回给钱包，钱包利用返回的信息重构出秘密复合码；同时，钱包选择一个随机数α并加密，得到Q₁用于后续验证，将Q₁和秘密复合码一同发送给用户；

步骤4：签名：用户将新采集的生物特征值和收到的复合码用级联码解码函数进行解码，成功恢复私钥，然后选择随机数k∈Z_q，R＝H(g^k)，公布R，然后对信息使用ECDSA签名；签名后用户立即删除私钥信息，同时选择另一随机数b计算并公开Q₃；

步骤5：验证：用户将签名信息发送给钱包服务端，钱包进行验证，若成功，钱包将交易公布到区块链网络中；钱包和用户通过Q₃信息实现双向认证。

2.根据权利要求1所述的一种基于生物特征的区块链托管门限钱包方法，其特征在于，所述步骤3中，Q₁＝aP，P为椭圆曲线上的一点。

3.根据权利要求1所述的一种基于生物特征的区块链托管门限钱包方法，其特征在于，所述步骤4中，解码过程如下：

对信息M的ECDSA签名过程具体为：

(1)m＝H(M)；

(2)(x₁,y₁)＝kG,r＝x₁modq，G是椭圆曲线的基点；

(3)s＝k^-1(e+dr)modq；(r,s)即是用户对信息M的签名；

计算Q₃具体为：

Q₂＝bP

Q₃＝Q₁||id||Q₂。

4.根据权利要求3所述的一种基于生物特征的区块链托管门限钱包方法，其特征在于，所述步骤5中，钱包验证过程：

判断H(R')＝R是否成立，若成立，则验证成功；

双向验证过程为：钱包通过Q₂获取Q₃，并用αQ₂加密Q₂，即

将

发送给用户，用户计算

是否与

相等，若相等，则用户与钱包之间实现了双向认证。

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