CN113901138A - 一种基于MuSig2的区块链交易多方背书方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于MuSig2的区块链交易多方背书方法及系统，属于区块链领域；所述的方法具体步骤如下：S1修改MuSig2的第二轮通信模型为星型；S2缓存MuSig2第一轮的中间数据；S3通过各背书节点合作完成MuSig2签名第二轮；S4通过排序服务提速验证交易的背书签名；S5各提交节点提速验证交易背书签名并更新本地账本；本发明采用MuSig2多重数字签名算法，并对MuSig2的第二轮并发通信模型进行改进，以适应类Fabric区块链的交易背书签名收集方式，并利用MuSig2的签名聚合能力，提高了交易背书签名验证速度，减少了区块链数据的磁盘空间占用；更进一步，交易验证速度的提高带来了区块链每秒交易数(TPS)的显著提升。

Description

一种基于MuSig2的区块链交易多方背书方法及系统
技术领域
本发明公开一种基于MuSig2的区块链交易多方背书方法及系统，涉及区块链技术领域。
背景技术
MuSig2一种新型Schnorr多重签名算法，它支持公钥聚合和签名聚合，它输出的签名以及验证使用的聚合公钥，均与标准Schnorr签名无法区分。MuSig2多重签名算法将MuSig的三轮通信缩减为两轮，更重要的是第一轮可以提前执行，使得对签名请求进行实时处理时，只须进行一轮并发通信。这种仅一轮并发通信的特性除了提高多重签名响应速度，而且略加改造就可以与“类Fabric”的交易背书流程进行良好融合，使多个背书签名聚合为一个标准Schnorr签名。
为了更好将MuSig2多重签名算法应用于背书机制，需要将MuSig2进行优化。优化内容包括：以批量预处理的方式，在各签名方之间提前执行MuSig2的第一轮次，即会话随机数的计算与聚合，各签名方还需要将随机数集合进行本地缓存；当实际处理签名请求时，只需要在本地缓存基础上直接执行MuSig2的第二轮次，这种改良除了可以提高MuSig2多重数字签名的速度，还使MuSig2的第二轮次更容易与背书签名收集方式进行融合，方便系统改造。
故现发明一种基于MuSig2的区块链交易多方背书方法及系统，以解决上述问题。
发明内容
本发明针对现有技术的问题，提供一种基于MuSig2的区块链交易多方背书方法及系统，所采用的技术方案为：一种基于MuSig2的区块链交易多方背书方法，所述的方法具体步骤如下：
S1修改MuSig2的第二轮通信模型为星型；
S2缓存MuSig2第一轮的中间数据；
S3通过各背书节点合作完成MuSig2签名第二轮；
S4通过排序服务提速验证交易的背书签名；
S5各提交节点提速验证交易背书签名并更新本地账本。
所述S1修改MuSig2的第二轮通信模型为星型的具体步骤如下：
S101在MuSig2的第一轮，各背书节点利用P2P方式对第二轮需要的会话随机数进行协同计算；
S102由P2P通信调整为客户端分别访问背书节点，取得n个签名片段；
S103在客户端完成MuSig2多重签名的计算。
所述S2缓存MuSig2第一轮的中间数据的具体步骤如下：
S201重复执行MuSig2多重数字签名的第一轮；
S202通过多个客户端协同计算出第二轮需要的中间数据，并存储在本地。
所述S3通过各背书节点合作完成MuSig2签名第二轮具体步骤如下：
S301客户端将交易提案发送给某背书节点，背书节点收到交易提案，直接执行MuSig2数字签名算法的第二轮次；
S302客户端将MuSig2签名σ附加在交易上，发送交易到排序服务；
S303各节点验证交易执行结果、交易的背书签名、排序服务对区块的签名，验证通过就将区块数据持久化到本地存储。
一种基于MuSig2的区块链交易多方背书系统，所述的系统具体包括通信调整模块、数据缓存模块、收集执行模块、提速排序模块和提速验证模块：
通信调整模块：修改MuSig2的第二轮通信模型为星型；
数据缓存模块：缓存MuSig2第一轮的中间数据；
收集执行模块：通过各背书节点合作完成MuSig2签名第二轮；
提速排序模块：通过排序服务提速验证交易的背书签名；
提速验证模块：各提交节点提速验证交易背书签名并更新本地账本。
所述通信调整模块具体包括协同计算模块、通信修改模块、签名计算模块：
协同计算模块：在MuSig2的第一轮，各背书节点利用P2P方式对第二轮需要的会话随机数进行协同计算；
通信修改模块：由P2P通信调整为客户端分别访问背书节点，取得n个签名片段；
签名计算模块：在客户端完成MuSig2多重签名的计算。
所述数据缓存模块具体包括重复执行模块和数据存储模块：
重复执行模块：重复执行MuSig2多重数字签名的第一轮；
数据存储模块：通过多个客户端协同计算出第二轮需要的中间数据，并存储在本地。
所述收集执行模块具体包括交易处理模块、交易排序模块和交易存储模块：
交易处理模块：客户端将交易提案发送给某背书节点，背书节点收到交易提案，直接执行MuSig2数字签名算法的第二轮次；
交易排序模块：客户端将MuSig2签名σ附加在交易上，发送交易到排序服务；
交易存储模块：各节点验证交易执行结果、交易的背书签名、排序服务对区块的签名，验证通过就将区块数据持久化到本地存储。
本发明的有益效果为：本发明采用MuSig2多重数字签名算法，并对MuSig2的第二轮并发通信模型进行改进，以适应类Fabric区块链的交易背书签名收集方式，并利用MuSig2的签名聚合能力，提高了交易背书签名验证速度，减少了区块链数据的磁盘空间占用；更进一步，交易验证速度的提高带来了区块链每秒交易数(TPS)的显著提升。
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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明方法的流程图；图2是本发明系统的结构示意图；图3是本发明实施例中区块链和超级账本的共识流程示意图；图4是本发明实施例中账本实施例中超级账本Fabric背书机制共识算法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
托管于Linux基金会的超级账本(HyperLedger)开源项目是全球最受欢迎的联盟链方案，尤其是其中的Fabric，在国内也得到了广泛支持。它支持多种客户端编程和智能合约语言，如Go、Node.js、Java等，它使用已有语言而没有自造智能合约语言，这无疑降低了学习门槛。它支持多通道，允许将联盟成员加入不同的通道，从而控制区块链交易的可见范围，保护了用户隐私。Fabric改良了实用拜占庭容错(PBFT)共识算法，实现了“执行-排序-验证”的特有共识算法，从而提高的共识速度，并有利于支持多种背书策略。
国内的联盟链方案深受HyperLedger-Fabric的影响，如支持多通道、支持背书机制、采用改良“执行-排序-验证”共识算法、采用Fabric链码引擎等。这些联盟链方案统称“类Fabric”联盟链。本发明将MuSig2多重签名应用于“执行-排序-验证”共识算法的背书过程，为了说清楚发明原理，需要先简单描述“类Fabric”区块链广泛采用的“执行-排序-验证”共识算法。
1)Fabric背书机制(共识算法)介绍
Fabric之前的区块链在共识算法上一般采用“排序-执行”架构：先验证和将交易排序，再广播到所有peer节点，每个节点按顺序执行交易完成本地账本更新。由于所有交易都由所有节点顺序执行，性能和规模受到限制。
Fabric创新性地引入了一种称为“执行-排序-验证”的三阶段共识算法：1)客户端将交易先发给所有背书节点去执行并检查正确性，如果执行正确背书节点就对交易签名后返回给客户端；2)客户端收集到足够的背书节点签名(按背书策略)后，交易发给排序器；排序器对多个交易排序并打包成新区块，将新区块广播到到所有peer节点；3)各节点验证背书签名看是否符合背书策略，符合就将新区块保存到本地，从而实现账本的更新。
交易流程如下：
客户端发起交易，首先将交易提案(propose)发给定义好的若干背书节点，交易信息如下：
clientID:发起交易提案的客户端ID
chaincodeID：交易调用的链码(智能合约)
txPayload：交易载荷信息
timestamp：时间戳
clientSig：客户端签名
背书节点收到提案后，验证客户端签名，模拟运行链码和验证输出结果。如果验证成果则背书节点签名后发回给客户端。
如果客户端收集到的背书签名达到了背书策略的要求，则将进行下一阶段，即排序阶段，否则交易失败。
客户端将通过背书后的交易广播至所有排序节点(排序服务)，后者通过某种共识机制对所有交易进行排序，保证所有节点的数据满足时序一致性；排序服务将排序后的交易打包成区块。
排序服务再将排序后的交易按区块广播至通道内的其他节点，各节点验证区块后将数据(智能合约的执行结果)更新到本地账本，完成交易确认。
实施例一：
一种基于MuSig2的区块链交易多方背书方法，所述的方法具体步骤如下：
S1修改MuSig2的第二轮通信模型为星型；
S2缓存MuSig2第一轮的中间数据；
S3通过各背书节点合作完成MuSig2签名第二轮；
S4通过排序服务提速验证交易的背书签名；
S5各提交节点提速验证交易背书签名并更新本地账本；
对MuSig2的第二轮并发通信模型进行改进，由各签名节点之间的点对点通信，调整为以区块链客户端为中心的1-to-n的星型网络，签名聚合职责由各签名方调整为客户端，达到了降低通信复杂度以及与“类Fabric”交易通信流程兼容的目的；
将原区块链交易的背书数字签名过程修改为改良后的MuSig2第二轮过程，将各背书节点的数字签名修改为MuSig2签名片段，由客户端手机多个背书签名片段，然后聚合为一个与标准Schnorr无法区分的MuSig2签名；
本发明采用新型MuSig2多重签名算法，将“类Fabric”区块链交易的“执行-排序-验证”流程中的数字签名部分进行调整，在“执行”阶段利用客户端收集交易背书签名的机制来执行MuSign2的第二轮，将原来的多个背书签名聚合为一个；在“排序”阶段，每个交易只须验证一个背书签名，通过提高签名验证速度提高了排序速度；在“验证”阶段，同样提高了通道内的各提交节点对背书签名的验证速度，同时因签名个数的减少了区块链数据文件对磁盘空间的占用；
进一步的，所述S1修改MuSig2的第二轮通信模型为星型的具体步骤如下：
S101在MuSig2的第一轮，各背书节点利用P2P方式对第二轮需要的会话随机数进行协同计算；
S102由P2P通信调整为客户端分别访问背书节点，取得n个签名片段；
S103在客户端完成MuSig2多重签名的计算；
标准的MuSig2算法是一般采用点到点(P2P)的方式进行各签名节点之间的并发通信，这与“类Fabric”区块链的交易提案背书方式，即由客户端调用各签名节点(背书节点)来获取背书签名的通信架构不兼容；在MuSig2的第一轮，各背书节点已经利用P2P方式协作计算出了第二轮需要的会话随机数(nonce)；执行第二轮计算时，将多节点并发通信方式，由P2P通信调整为由客户端分别访问背书节点，取得n个签名片段，在客户端完成最终MuSig2多重签名的计算；即由n个节点之间的P2P通信，调整为1→n的星型通信架构；MuSig2的算法保证了这种通信架构的修改不影响安全性，因为最重要的会话随机数已经在第一轮中被固化，客户端唯一能控制的就是待签名交易以及最后签名聚合计算；
进一步的，所述S2缓存MuSig2第一轮的中间数据的具体步骤如下：
S201重复执行MuSig2多重数字签名的第一轮；
S202通过多个客户端协同计算出第二轮需要的中间数据，并存储在本地；
重复执行MuSig2多重数字签名的第一轮，使多个客户端协同计算出第二轮需要的中间数据(主要是会话随机数nonce)，并在本地存储；假定有n个背书节点(即MuSig2签名方)参与背书机制，计划为k个待背书交易计算中间结果并缓存；假定已当前节背书点已执行MuSign2的Setup、KenGen函数建立了基本运行环境；循环执行k次改良MuSig2算法的Sign函数、Sign1'函数，完成改良MuSig2算法的第一轮的并发通信，并在背书节点本地缓存k套中间数据(主要是随机数)；
再进一步的，所述S3通过各背书节点合作完成MuSig2签名第二轮具体步骤如下：
S301客户端将交易提案发送给某背书节点，背书节点收到交易提案，直接执行MuSig2数字签名算法的第二轮次；
S302客户端将MuSig2签名σ附加在交易上，发送交易到排序服务；
S303各节点验证交易执行结果、交易的背书签名、排序服务对区块的签名，验证通过就将区块数据持久化到本地存储；
客户端将交易提案发送给某背书节点，背书节点收到交易提案(又称为背书请求)，直接执行MuSig2数字签名算法的第二轮次，具体的，从本地缓存中取出state1,msg,
Figure BDA0003281239500000071
a1，调用函数Sign2'(state1,m,msg,
Figure BDA0003281239500000072
a1)，函数返回state1',msg1'，将msg1'作为背书签名返回给客户端；
客户端将交易提案发送给其他背书节点，同取得其他背书节点的msgi'，其中i＝2,...,n；等客户端将全部的n个msgi'收集全了，调用MuSig2算法的函数Sign"(state1',(msg2',...,msgn'))，函数返回多重Schnorr签名(即MuSig2签名)σ＝(R,s)；
客户端将MuSig2签名σ附加在交易上，发送交易到排序服务；如果是一般的数字签名(如ECDSA或SM2)，交易上将附带n个签名(假定背书策略需要n个背书签名)，采用MuSig2后，签名只有一个；
排序服务验证背书签名；之前要执行n个数字签名验证，现在只需要验证一个数字签名；所有交易的背书签名验证通过后，排序服务将交易进行排序、打包成区块，然后将区块广播到通道内的其他节点；
各节点验证交易执行结果、交易的背书签名、排序服务对区块的签名等，验证通过就将区块数据持久化到本地存储；由于每个交易的背书签名只有一个(原来是n个)，除了可以加快验证速度，还可以减少了区块链交易对磁盘空间的占用。
实施例二：
一种基于MuSig2的区块链交易多方背书系统，所述的系统具体包括通信调整模块、数据缓存模块、收集执行模块、提速排序模块和提速验证模块：
通信调整模块：修改MuSig2的第二轮通信模型为星型；
数据缓存模块：缓存MuSig2第一轮的中间数据；
收集执行模块：通过各背书节点合作完成MuSig2签名第二轮；
提速排序模块：通过排序服务提速验证交易的背书签名；
提速验证模块：各提交节点提速验证交易背书签名并更新本地账本；
进一步的，所述通信调整模块具体包括协同计算模块、通信修改模块、签名计算模块：
协同计算模块：在MuSig2的第一轮，各背书节点利用P2P方式对第二轮需要的会话随机数进行协同计算；
通信修改模块：由P2P通信调整为客户端分别访问背书节点，取得n个签名片段；
签名计算模块：在客户端完成MuSig2多重签名的计算；
进一步的，所述数据缓存模块具体包括重复执行模块和数据存储模块：
重复执行模块：重复执行MuSig2多重数字签名的第一轮；
数据存储模块：通过多个客户端协同计算出第二轮需要的中间数据，并存储在本地；
再进一步的，所述收集执行模块具体包括交易处理模块、交易排序模块和交易存储模块：
交易处理模块：客户端将交易提案发送给某背书节点，背书节点收到交易提案，直接执行MuSig2数字签名算法的第二轮次；
交易排序模块：客户端将MuSig2签名σ附加在交易上，发送交易到排序服务；
交易存储模块：各节点验证交易执行结果、交易的背书签名、排序服务对区块的签名，验证通过就将区块数据持久化到本地存储。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种基于MuSig2的区块链交易多方背书方法，其特征是所述的方法具体步骤如下：
S1修改MuSig2的第二轮通信模型为星型；
S2缓存MuSig2第一轮的中间数据；
S3通过各背书节点合作完成MuSig2签名第二轮；
S4通过排序服务提速验证交易的背书签名；
S5各提交节点提速验证交易背书签名并更新本地账本。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述S1修改MuSig2的第二轮通信模型为星型的具体步骤如下：
S101在MuSig2的第一轮，各背书节点利用P2P方式对第二轮需要的会话随机数进行协同计算；
S102由P2P通信调整为客户端分别访问背书节点，取得n个签名片段；
S103在客户端完成MuSig2多重签名的计算。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征是所述S2缓存MuSig2第一轮的中间数据的具体步骤如下：
S201重复执行MuSig2多重数字签名的第一轮；
S202通过多个客户端协同计算出第二轮需要的中间数据，并存储在本地。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征是所述S3通过各背书节点合作完成MuSig2签名第二轮具体步骤如下：
S301客户端将交易提案发送给某背书节点，背书节点收到交易提案，直接执行MuSig2数字签名算法的第二轮次；
S302客户端将MuSig2签名σ附加在交易上，发送交易到排序服务；
S303各节点验证交易执行结果、交易的背书签名、排序服务对区块的签名，验证通过就将区块数据持久化到本地存储。
5.一种基于MuSig2的区块链交易多方背书系统，其特征是所述的系统具体包括通信调整模块、数据缓存模块、收集执行模块、提速排序模块和提速验证模块：
通信调整模块：修改MuSig2的第二轮通信模型为星型；
数据缓存模块：缓存MuSig2第一轮的中间数据；
收集执行模块：通过各背书节点合作完成MuSig2签名第二轮；
提速排序模块：通过排序服务提速验证交易的背书签名；
提速验证模块：各提交节点提速验证交易背书签名并更新本地账本。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征是所述通信调整模块具体包括协同计算模块、通信修改模块、签名计算模块：
协同计算模块：在MuSig2的第一轮，各背书节点利用P2P方式对第二轮需要的会话随机数进行协同计算；
通信修改模块：由P2P通信调整为客户端分别访问背书节点，取得n个签名片段；
签名计算模块：在客户端完成MuSig2多重签名的计算。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征是所述数据缓存模块具体包括重复执行模块和数据存储模块：
重复执行模块：重复执行MuSig2多重数字签名的第一轮；
数据存储模块：通过多个客户端协同计算出第二轮需要的中间数据，并存储在本地。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征是所述收集执行模块具体包括交易处理模块、交易排序模块和交易存储模块：
交易处理模块：客户端将交易提案发送给某背书节点，背书节点收到交易提案，直接执行MuSig2数字签名算法的第二轮次；
交易排序模块：客户端将MuSig2签名σ附加在交易上，发送交易到排序服务；
交易存储模块：各节点验证交易执行结果、交易的背书签名、排序服务对区块的签名，验证通过就将区块数据持久化到本地存储。
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