区块链安全技术的研究与应用

【摘要】：随着信息技术的快速发展,网络安全、隐私保护等问题越来越受到人们的重视。传统的解决这些问题的方式是设计复杂的密码学协议强化安全性,但传统的解决方式都是基于中心化的系统,系统中心机构的掌控力越强,就越容易受到攻击者的攻击。而近几年来兴起的区块链技术却革命性的采用了去中心化的解决思路。比特币是最早的区块链技术应用,创始人中本聪设计了一种工作量证明机制来保障去中心化系统的资产转移的安全性。在不可信的网络环境中,采用工作量证明机制的区块链系统能够在存在不可信节点的情况下完成数字资产的发行及转移。不同的区块链基于不同的经济激励和惩罚机制,可以获得不同的安全性。其中,工作量证明目前仍然是区块链中最安全的共识机制,在此基础上采用的不同挖矿算法是保障新区块链免受51%攻击的必要手段。为了保障区块链的安全性,防止算力过于集中到某几个节点,免受51%的算力攻击,则需要尽量将算力分散到普通用户。这就要求提高普通用户的挖矿比例,降低挖矿的准入门槛。每个用户都有CPU和GPU资源,如果挖矿算法对CPU和GPU友好,那么就能在一定程度上增加普通用户挖矿的比例。ASIC矿机虽然挖矿效率高,但是普通用户挖矿有一定的准入门槛。为了抑制ASIC矿机的加入,需要在算法设计上提高对内存资源的利用要求。因为在ASIC矿机中,对于内存的访问有一定的限制,硬件电路访问内存资源的速度严格受限,所以对内存资源要求较高的算法不适合设计专业的ASIC矿机。这就给挖矿算法的设计提供了一个思路,那就是将挖矿算法的内存资源要求提高,则就可以在一定程度上将算力分散化,从而降低51%攻击的可能性,保障区块链的安全。与此同时,以太坊智能合约又在保障系统安全稳定的基础上为区块链提供了一个可扩展的应用平台,在以太坊智能合约上运行的去中心化应用可以在不信任网络环境下达到安全稳定运行目的。去中心化应用的高度安全性使得人们越来越关注其巨大的发展潜力。基于以上几点,本文主要介绍以下贡献:1.基于传统的默克尔树,提出了一种基于默克尔树的工作量证明挖矿算法。本算法首先按照一定的规则生成一个随机数集合并生成默克尔树,之后在默克尔树的每层任意选择一个节点,最后连接所有的节点做哈希运算。整个算法过程需要消耗大量的内存资源,这符合区块链中挖矿算法需要占用计算机资源的要求。并且,因为挖矿算法占用系统内存较多,可以在一定程度上增加ASIC矿机的设计难度,缓解挖矿算力的中心化问题。2.基于传统的布隆过滤器,提出了一种基于布隆过滤器的工作量证明挖矿算法。本算法首先按照一定的规则生成一个随机数集合并依次通过布隆过滤器的散列函数计算填充到布隆过滤器的数组中。然后计算出第一个数组元素和一个其他数组元素的值之和。该方案在计算布隆过滤器的过程中需要消耗大量的内存资源,符合区块链挖矿算法需要占用计算机资源的要求。3.基于以太坊智能合约提出了一种公钥证书发放方案。传统的公钥证书发放总是伴随着攻击者对信道、证书发放机构的攻击。而利用以太坊智能合约发放公钥证书,用户和证书发放机构都可以绕过传统的信道。同时,以太坊高度安全的共识机制又可以保证攻击成本非常高。