CN115118415A - 基于区块链技术进行定向通信的群组隐写方法 - Google Patents

基于区块链技术进行定向通信的群组隐写方法 Download PDF

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CN115118415A CN202210247803.1A CN202210247803A CN115118415A CN 115118415 A CN115118415 A CN 115118415A CN 202210247803 A CN202210247803 A CN 202210247803A CN 115118415 A CN115118415 A CN 115118415A
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张佩
程庆丰
张明亮
张祎
陈星星
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Abstract

本发明提供一种基于区块链技术进行定向通信的群组隐写方法。该方法通过设计群组隐蔽通信的地址交互索引矩阵，利用地址交互关系和交易金额相互更替携带秘密信息的方式，将携带秘密信息的交易发布到区块链上。不同群组的接收者利用不同秘钥进行不同秘密信息的提取。该方法提高了秘密信息传递到群组的准确性。另外，本发明方法通过感知区块的生成时间来合理地调制地址数量，来避免区块内出现相同地址，增强方法的隐蔽性。实验结果表明，与现有的区块链隐蔽通信方法相比，该方法可以有效的减少了交易数量，节省了资源消耗。

Description

基于区块链技术进行定向通信的群组隐写方法
技术领域
本发明涉及隐写技术领域，尤其涉及一种基于区块链技术进行定向通信的群组隐写方法。
背景技术
隐蔽通信技术是一种将重要信息隐藏在公开媒体中，通过公开信道进行传输而不被第三方发现的技术。在这种技术中，重要信息被嵌入到文本、图像、视频等载体文件的冗余结构里，产生的载密文件在感知上与载体文件并无差别，再经过公开信道的传输，达到重要信息被安全传输的目的。与密码技术相比，隐蔽通信技术不仅能够对所传递的信息进行加密，还掩盖了“秘密通信存在”的事实，已成为网络环境下信息安全传递的重要方式之一。
区块链作为新兴信息技术，具有信道鲁棒性高、参与方匿名性强、易实现群组传递数据等特点，是隐蔽通信的理想载体。区块链的隐蔽信道是建立在全节点进行维护的分布式网络上，难以被摧毁、检测，信息能够在多个节点同步传输，无需经过中心服务器，可以减少隐蔽通信被泄露、篡改的风险。另外，区块链的底层网络采用P2P(peer to peer)技术，节点通过泛洪模式记录交易，为实现群组隐蔽通信提供了条件。区块链的以上特点还可以弥补传统隐蔽通信中发送方定向发送、接收方留痕接收的缺陷。
文献1(“J.Partala,“Provably Secure Covert Communication onBlockchain,” Cryptography,vol.2,no.3,pp.18,Aug.2018.”)首次提出了在区块链上进行隐蔽通信的方案，它是第一个在安全性上可证的隐蔽通信方案。文献2(“H.T.Cao,H.Yin,F.Gao,Z.J.Zhang,B.Khoussainov,S.B.Xu,and L.H.Zhu.“Chain-based covert dataembedding schemes in Blockchain,”IEEE Internet of Things Journal,Nov.2020.doi:10.1109/JIOT.2020.3040389”)提出了一种基于比特币地址的隐式隐写方法，该方法将秘密信息隐写在派生公钥的过程中，公钥生成的比特币地址不再直接包含秘密信息。文献3(“X.Y,Luo,P.Zhang,M.L.Zhang,H.Li and Q.F.Cheng, “A novel covertcommunication Method based on bitcoin transaction,”IEEE Transactions onIndustrial Informatics,online,doi:10.1109/TII.2021.3100480.”)提出了一种基于比特币交易的隐蔽通信方法，该方法使用地址交互索引矩阵来重复使用地址进行交互关系，利用地址交互关系和交易金额来隐藏秘密信息。以上方案可以提高信息嵌入率，减少交易数量。但仍然存在地址无法重复使用或者地址重复使用暴露交易行为等问题。
发明内容
针对当前区块链上的隐蔽通信方法存在嵌入率低、浪费大量地址、隐蔽通信成本高等问题，本发明提供一种基于区块链技术进行定向通信的群组隐写方法，扩展了基于区块链技术的隐蔽通信方法的应用场景。同时，本发明将秘密信息的接收者划分为不同的群组，进一步限制了涉密范围，降低了秘密信息泄露的风险。
本发明提供的基于区块链技术进行定向通信的群组隐写方法，包括：
步骤1：发送者将秘密信息转换为M进制形式；
步骤2：发送者根据区块的最大生成时间得到单个区块中交易需要的最小地址数量nmin；
步骤3：发送者根据给定秘钥从群组交易地址库中选择地址，利用选定地址构建地址交互索引矩阵，并按照所述地址交互索引矩阵中元素的顺序确定地址交互关系；
步骤4：发送者统计区块链上的交易金额以确定正常交易金额的分布区间，根据所述分布区间确定携带秘密信息的交易金额，通过公开信道将交易金额发布到区块链上；
步骤5：发送者根据所述地址交互关系和所述携带秘密信息的交易金额生成载密序列；
步骤6：接收者根据秘钥从群组交易地址库中选择地址，利用选定地址重构地址交互索引矩阵，根据所述地址交互索引矩阵确定交易地址；
步骤7：接收者根据所述交易地址利用爬虫技术从公开的资源上提取交易，将交易按照时间戳进行升序排序；通过地址交互索引矩阵将交易中的元素进行解析交易，得到秘密信息；
步骤8：接收者将秘密信息按照地址交互关系和交易金额交替出现的方式进行分组，得到秘密信息分组；
步骤9：接收者将分组的秘密信息合并为完整的秘密消息。
进一步地，步骤2中，按照公式(1)计算得到单个区块中交易需要的最小地址数量nmin：
Figure RE-GDA0003701768640000031
其中，tmax表示区块的最大生成时间，Δt表示发送一次交易需要的时间。
进一步地，步骤3中，设定从群组交易地址库中选定n个地址记作地址序列 A＝(a0,a1,...,an-1)，ai表示A中第i-1个地址，|A|＝n，n≥nmin；
利用n个地址构造得到s个地址交互序列，s个所述地址交互序列组成地址交互索引矩阵I＝(I0,I1,…,Is-1)；其中，按照公式(2)计算s：
Figure RE-GDA0003701768640000032
其中，
Figure RE-GDA0003701768640000033
表示从n个不同元素中取出
Figure RE-GDA0003701768640000034
个元素的排列数，Δt表示发送一次交易需要的时间，第i个地址交互序列Ii满足
Figure RE-GDA0003701768640000035
x∈U,U＝{0,1,...,n-1}，
Figure RE-GDA0003701768640000036
进一步地，步骤5中，生成的载密序列记作G＝(g0,g1,…,gn)，其中， gi-1＝(ai,j,tri-1)，ai,j＝1表示索引号为i的地址向索引号为j的地址进行交互，携带的秘密信息是“1”，此时gi-1＝(1,tri-1)；ai,j＝0表示地址间没有交互但仍携带秘密信息，秘密信息是“0”，此时没有载密序列的生成；交易金额 Tr＝(tr0,tr1,…trn)，tri-1∈Tr，Tr表示载密序列集合，tri-1表示在第i次交易金额中的秘密信息。
进一步地，步骤5中还包括：当m表示一个交易携带二进制的位数时，|tri-1| ＜m，则需要补足的比特数量是m-|tri-1|。
进一步地，步骤5中还包括：
使用I时，当Ii中等于1的元素数量小于tmax/Δt，则需要等待tmax-|Ii＝1|×Δt，再进行Ii+1中的地址交互；其中|Ii＝1|表示Ii中等于1的元素的数量。
本发明的有益效果：
(1)本发明提出的一种基于区块链技术进行定向通信的群组隐写方法可以克服传统隐蔽通信一对一的传输模式，适合区块链上的群组隐蔽通信。
(2)为了实现通过合理使用地址来减少随机交易的产生的目的，设计了地址交互索引矩阵和载密序列，该载密序列利用地址交互关系和交易金额相互更替携带秘密信息的方式，直接避免了随机交易的出现，提高了信息嵌入率；
(3)通过将携带秘密信息的交易发布到区块链上，不同群组的接收者利用不同秘钥进行不同秘密信息的提取，提高了秘密信息传递到群组的准确性；
(4)通过感知区块生成时间，寻找最小地址数量来防止块内地址重复使用，保护隐蔽通信行为，增强提出方法的隐蔽性。
(5)发明人从隐蔽性、嵌入容量、鲁棒性方面对本发明性能进行了实验，实验结果表明，本发明提出的方法可以减少交易数量，提高了嵌入效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于区块链技术进行定向通信的群组隐写方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的地址交互索引矩阵的示意图；
图3为本发明实施例提供的文献1方法、文献2方法、文献3方法和本发明方法的平均嵌入容量；
图4为本发明实施例提供的文献1方法、文献2方法、文献3方法和本发明方法在不同嵌入容量下的交易数量。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
区块链技术具有强鲁棒性、匿名性、分布式传播等特点，恰好可以弥补传统隐蔽通信传输重要数据时面临的鲁棒性差、参与方易暴露、难以实现群组隐蔽传输等缺陷。为此，如图1所示，本发明提出一种基于区块链技术进行定向通信的群组隐写方法，包括以下步骤：
步骤1.秘密信息进制转换，具体为：发送者将秘密信息转换为M进制形式；
步骤2.感知区块生成时间，具体为：发送者根据区块的最大生成时间得到单个区块中交易需要的最小地址数量nmin；
具体地，一旦攻击者在一个区块中找到多个相同地址，就可以推断隐蔽行为正在发生。因此，本发明实施例为了增强行为的安全性，通过获取区块的最大生成时间来确定单个区块中交易的最大数量，进而得到单个区块中交易需要的最小地址数量。该步骤可以防止单个区块内地址的重复使用，避免引起攻击者的怀疑，保护隐蔽通信行为，提升方法的隐蔽性。
作为一种可实施方式，按照公式(1)计算得到单个区块中交易需要的最小地址数量nmin：
Figure RE-GDA0003701768640000051
其中，tmax表示区块的最大生成时间，Δt表示发送一次交易需要的时间。
步骤3.构建地址交互索引矩阵，具体为：发送者根据给定秘钥从群组交易地址库中选择地址，利用选定地址构建地址交互索引矩阵，并按照所述地址交互索引矩阵中元素的顺序确定地址交互关系；
具体地，为了传递不同秘密信息给不同的群组，保证隐蔽通信的安全性，本步骤中设置了秘钥，记作k，该秘钥被用来作为选择地址的随机数。使用k从群组地址库中选择地址来构建地址交互索引矩阵。例如：k＝2时，选择地址索引号是2倍数的地址；k＝3时，选择地址索引号是3倍数的地址。本发明实施例不对地址的选择算法进行限定，可根据实际需要设计地址选择算法。
作为一种可实施方式，构建地址交互索引矩阵的过程如下：
设定从群组交易地址库中选定n个地址记作地址序列A＝(a0,a1,...,an-1)，ai表示A中第i-1个地址，|A|＝n，n≥nmin；
利用n个地址构造得到s个地址交互序列，s个所述地址交互序列组成地址交互索引矩阵I＝(I0,I1,…,Is-1)；其中，按照公式(2)计算s：
Figure RE-GDA0003701768640000052
其中，
Figure RE-GDA0003701768640000061
表示从n个不同元素中取出
Figure RE-GDA0003701768640000062
个元素的排列数，Δt表示发送一次交易需要的时间，第i个地址交互序列Ii满足
Figure RE-GDA0003701768640000063
x∈U,U＝{0,1,...,n-1}，
Figure RE-GDA0003701768640000064
I的设置可以合理的调制地址，保护隐蔽通信的安全性。
例如，假设某个区块链的成块时间最大是12s，发送者发送一次交易需要耗费5s，也就是说，当tmax＝12s,ti＝5s时，由公式(5)可知，需要的最小地址数量 nmin是4个。若从群组交易地址库中选择的地址组成的地址序列是A＝(a0,a1,a2, a3)，则可以形成
Figure RE-GDA0003701768640000065
个不同的地址交互序列，这些序列组成的矩阵I如图2 所示。
步骤4.统计交易金额，具体为：发送者统计区块链上的交易金额以确定正常交易金额的分布区间，根据所述分布区间确定携带秘密信息的交易金额，通过公开信道将交易金额发布到区块链上；
具体地，由正常交易金额的分布区间确定携带秘密信息的交易金额位数，使发布的交易金额吻合正常交易的分布规律。
步骤5.生成与执行载密序列，具体为：发送者根据所述地址交互关系和所述携带秘密信息的交易金额生成载密序列；
具体地，地址交互关系和交易金额相互更替来携带秘密信息，生成的序列称为载密序列。地址交互关系和交易金额交替携带秘密信息的模式可以避免因地址数量选择不合理导致大量随机交易产生的现象。
作为一种可实施方式，生成的载密序列记作G＝(g0,g1,…,gn)，其中， gi-1＝(ai,j,tri-1)，ai,j＝1表示索引号为i的地址向索引号为j的地址进行交互，携带的秘密信息是“1”，此时gi-1＝(1,tri-1)；ai,j＝0表示地址间没有交互但仍携带秘密信息，秘密信息是“0”，此时没有载密序列的生成； Tr＝(tr0,tr1,…trn)，tri-1∈Tr，Tr表示载密序列集合，tri-1表示在第i次交易金额中的秘密信息。
需要说明的是，当m表示一个交易携带二进制的位数时，|tri-1|＜m，则需要补足的比特数量是m-|tri-1|。
使用I时，当Ii中等于1的元素数量小于tmax/Δt，则需要等待tmax-|Ii＝1|×Δt，再进行Ii+1中的地址交互；其中|Ii＝1|表示Ii中等于1的元素的数量。
例如，假设选择在交易金额的4位进行隐写秘密信息，由文献3可知一个交易金额可以隐写13比特。如果一个区块中最多进行交易2次，我们使用图3传递秘密消息“Hello”，秘密消息转换成二进制形式记作M，M＝(m0,m1,…, m39)＝(0100100001100101011011000110110001101111)。结合图2可知， g0＝(a0,1)＝(0),g1＝(a2,3,tr0)＝(1,0010000110010),由于此时只有一个交易，则应该等待5s。接着进行g2＝(a0,1,tr1)＝(1,0110110001101),g3＝(a3,2,tr2)＝(1,0001101111XXX). |tr2|小于13比特，则需要随机选择3比特补足，用X表示随机产生的比特。可以看出，使用3个交易可以传递43个比特，其中，地址交互关系隐写4个比特，交易金额隐写39比特。
步骤6.重构地址交互索引矩阵，具体为：接收者根据秘钥从群组交易地址库中选择地址，利用选定地址重构地址交互索引矩阵，根据所述地址交互索引矩阵确定交易地址；
具体地，秘钥的设置是为了防止多次隐蔽通信中地址固定使用的现象，使通信地址的使用更加灵活，同时可以精确地为相关群组的接收者提供关键信息，提高提取效率，减少无关群组的资源浪费。一旦秘密信息泄露，相关群组的成员将受到怀疑，但不会影响其它群组。
步骤7.提取并解析交易，具体为：接收者根据所述交易地址利用爬虫技术从公开的资源上提取交易，将交易按照时间戳进行升序排序；通过地址交互索引矩阵将交易中的元素进行解析交易，得到发送者隐写在地址交互关系和交易金额中的秘密信息；
步骤8.获得分组的秘密信息，具体为：接收者将秘密信息按照地址交互关系和交易金额交替出现的方式进行分组，得到秘密信息分组；
步骤9.合并分组的秘密信息，具体为：接收者将分组的秘密信息合并为完整的秘密消息。
本发明实施例中，首先发送者通过感知区块的生成时间确定可控制的地址 (账号)的最小数量。接着，从群组地址库中选择地址来构建地址交互索引矩阵，由矩阵中元素的顺序和秘密信息确定地址交互关系。地址交互关系和交易金额生成载密序列。最后，经过公开信道按照载密序列中元素顺序依次将交易发布到区块链上。由于发布的交易信息被记录到区块链上，可以永久的存在。因此，同一群组的接收者可以在不同的时间通过相同的秘钥传输地址获得相同的秘钥，不同群组的接收者通过不同的秘钥传输地址得到不同的秘钥。接收者获取到秘钥计算出使用的地址，利用爬取技术得到地址的交易数据。接着使用地址构建地址交互索引矩阵，从交易数据中按照地址索引矩阵中元素的顺序将隐写在交易金额和地址交互关系中的秘密信息解析出来，完成秘密信息的提取。
为了验证本发明提供的基于区块链技术进行定向通信的群组隐写方法的性能，本发明还提供有下述实验数据。
在本次实验中，分别实现了文献1、文献2和文献3的方法，将该三种方法作为对比方法，进而与本发明方法进行对比，从嵌入容量和行为数量方面来评估本发明方法的性能。
(一)实验设置
在实验中，使用《小王子》作为秘密信息。实验平台是win10操作系统，Intel i7处理器(CPU:Intel(R)Core(TM)i7-8750H CPU@2.20GHz 2.21GHz,内存:32.0GB)，使用Python语言进行编程，编译平台为python 3.6。为了和对比方法保持一致，选择在交易金额的7位进行嵌入秘密信息。接下来，设置一次交易需要花费的时间是7秒。
(二)实验结果
(1)平均每笔交易的嵌入容量对比实验
为了直观地了解到各种方法的嵌入率，发明人进行了平均每笔交易的嵌入容量对比实验。嵌入率可以用来评判隐蔽信道的传输效率。因此，发明人还设置了两组的嵌入容量，分别是25字节、50字节。每组选择长度相同内容不同的秘密信息100个，4种方法的平均每笔交易的嵌入容量如图3所示，白色、黑色表示嵌入容量分别是25字节、50字节。
在图3(a)中，X轴表示各种方法，Y轴表示地址的数量，Z轴表示平均每笔交易的嵌入容量。从图3(a)中观察到，文献1和文献2中单个行为的嵌入容量不受地址数量和秘密信息的影响，本发明方法不受地址数量的影响，但受秘密信息的较小影响。图3(b)显示的是文献3提出的方法，X轴表示地址数量，Y轴表示平均每笔交易的嵌入容量。从图3(b)可以看到，文献3中的交易行为不仅受地址数量的影响，还受秘密信息的影响，且影响较大。当嵌入容量一定时，随着地址数量的增加，平均每笔交易的嵌入容量更少。当地址数量一定时，随着嵌入容量的增加，平均每笔交易的嵌入容量也会增加。整体观察图3，随着嵌入容量和地址数量的增加，与其他3种方法相比，本发明方法在平均每笔交易的嵌入率是最高，提高了秘密信息的传输效率。
(2)交易数量的对比实验
通常情况下，传递相同的秘密信息产生的行为越少越不容易引起攻击者的怀疑。为此，发明人设计了一组对比实验来测试提出方法在交易数量上的性能。由于文献3的方法受地址数量的影响，故分别选择地址数量是10、20、30进行实验。在图4中，X轴表示嵌入容量，Y轴表示交易数量，图中的线条代表各种方法。
从图4中可观察到，四种方法的交易数量随着嵌入容量的增加而增长。从图 4(a)看出，当嵌入容量小于100字节时，本发明方法相对于文献1、文献2和文献3中的方法需要的交易数量更少。为了进一步测试，当嵌入容量大于100字节时，四种方法关于交易数量的变化，发明人做了图4(b)的实验。从图4(b)可以看出，随着嵌入容量的增加，本发明方法在交易数量上仍然保持优势。另外，文献 3的方法存在不同的嵌入容量需要相同交易数量的现象，这是由于产生了随机交易。从隐蔽性的角度分析，本发明更倾向于选择较多数量的地址来减少单个地址发送交易的数量，降低暴露的可能性。因此，当选择地址的数量远大于10时，本发明提出方法的优势更加明显：嵌入相同秘密信息需要的交易数量更少，节约了资源开销。
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 (6)

1.基于区块链技术进行定向通信的群组隐写方法，其特征在于，包括：
步骤1：发送者将秘密信息转换为M进制形式；
步骤2：发送者根据区块的最大生成时间得到单个区块中交易需要的最小地址数量nmin；
步骤3：发送者根据给定秘钥从群组交易地址库中选择地址，利用选定地址构建地址交互索引矩阵，并按照所述地址交互索引矩阵中元素的顺序确定地址交互关系；
步骤4：发送者统计区块链上的交易金额以确定正常交易金额的分布区间，根据所述分布区间确定携带秘密信息的交易金额，通过公开信道将交易金额发布到区块链上；
步骤5：发送者根据所述地址交互关系和所述携带秘密信息的交易金额生成载密序列；
步骤6：接收者根据秘钥从群组交易地址库中选择地址，利用选定地址重构地址交互索引矩阵，根据所述地址交互索引矩阵确定交易地址；
步骤7：接收者根据所述交易地址利用爬虫技术从公开的资源上提取交易，将交易按照时间戳进行升序排序；通过地址交互索引矩阵将交易中的元素进行解析交易，得到秘密信息；
步骤8：接收者将秘密信息按照地址交互关系和交易金额交替出现的方式进行分组，得到秘密信息分组；
步骤9：接收者将分组的秘密信息合并为完整的秘密消息。
2.根据权利要求1所述的基于区块链技术进行定向通信的群组隐写方法，其特征在于，步骤2中，按照公式(1)计算得到单个区块中交易需要的最小地址数量nmin：
Figure RE-FDA0003701768630000011
其中，tmax表示区块的最大生成时间，Δt表示发送一次交易需要的时间。
3.根据权利要求1所述的基于区块链技术进行定向通信的群组隐写方法，其特征在于，步骤3中，
设定从群组交易地址库中选定n个地址记作地址序列A＝(a0,a1,...,an-1)，ai表示A中第i-1个地址，|A|＝n，n≥nmin；
利用n个地址构造得到s个地址交互序列，s个所述地址交互序列组成地址交互索引矩阵I＝(I0,I1,…,Is-1)；其中，按照公式(2)计算s：
Figure RE-FDA0003701768630000021
其中，
Figure RE-FDA0003701768630000022
表示从n个不同元素中取出
Figure RE-FDA0003701768630000023
个元素的排列数，Δt表示发送一次交易需要的时间，第i个地址交互序列Ii满足
Figure RE-FDA0003701768630000024
x∈U,U＝{0,1,...,n-1},
Figure RE-FDA0003701768630000025
4.根据权利要求3所述的基于区块链技术进行定向通信的群组隐写方法，其特征在于，步骤5中，生成的载密序列记作G＝(g0,g1,…,gn)，其中，gi-1＝(ai,j,tri-1)，ai,j＝1表示索引号为i的地址向索引号为j的地址进行交互，携带的秘密信息是“1”，此时gi-1＝(1,tri-1)；ai,j＝0表示地址间没有交互但仍携带秘密信息，秘密信息是“0”，此时没有载密序列的生成；交易金额Tr＝(tr0,tr1,…trn)，tri-1∈Tr，Tr表示载密序列集合，tri-1表示在第i次交易金额中的秘密信息。
5.根据权利要求4所述的基于区块链技术进行定向通信的群组隐写方法，其特征在于，步骤5中还包括：当m表示一个交易携带二进制的位数时，|tri-1|＜m，则需要补足的比特数量是m-|tri-1|。
6.根据权利要求4所述的基于区块链技术进行定向通信的群组隐写方法，其特征在于，步骤5中还包括：
使用I时，当Ii中等于1的元素数量小于tmax/Δt，则需要等待tmax-|Ii＝1|×Δt，再进行Ii+1中的地址交互；其中|Ii＝1|表示Ii中等于1的元素的数量。
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