一種隨機(jī)并聯(lián)的區(qū)塊鏈安全共識(shí)算法

◆杜江天

一種隨機(jī)并聯(lián)的區(qū)塊鏈安全共識(shí)算法

◆杜江天

(武漢市第二中學(xué) 湖北 430010)

為防止區(qū)塊鏈系統(tǒng)因ASIC芯片的引入而削弱其中心化特性，提升區(qū)塊鏈共識(shí)算法的抗ASIC能力顯得至關(guān)重要。本文提出的RPCA16共識(shí)算法引入了動(dòng)態(tài)隨機(jī)特性，且采用多散列算法并聯(lián)，極大提升了算法的抗ASIC能力。與X16R算法相比，具備抗ASIC的效率高、安全性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。

區(qū)塊鏈；共識(shí)算法；抗ASIC；安全性

0 引言

在基于工作量證明機(jī)制（POW機(jī)制）的區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，其共識(shí)算法對(duì)于保障區(qū)塊鏈的安全性和去中心化的特性具有重要作用。原始的區(qū)塊鏈系統(tǒng)例如比特幣系統(tǒng)使用計(jì)算機(jī)的CPU或GPU來實(shí)現(xiàn)共識(shí)算法的計(jì)算，從而使系統(tǒng)中算力得到平均分布，保障了去中心化的特性。但隨著區(qū)塊鏈系統(tǒng)的發(fā)展和流行，部分硬件廠商開發(fā)出專用的ASIC設(shè)備來進(jìn)行挖礦計(jì)算，由于ASIC在計(jì)算能力和耗電量上具有巨大優(yōu)勢(shì)，從而占據(jù)了區(qū)塊鏈系統(tǒng)的大部分算力，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)中心化的危險(xiǎn)，從而帶來“51%攻擊”的隱患，嚴(yán)重影響系統(tǒng)安全和正常運(yùn)行。因此，共識(shí)算法的抗ASIC能力成為當(dāng)前研究的重要方向。

1 POW共識(shí)算法概述

在傳統(tǒng)的比特幣區(qū)塊鏈計(jì)算模型中，其工作量證明機(jī)制使用的共識(shí)算法為SHA256散列算法，該共識(shí)算法保證了區(qū)塊鏈的安全性和不可篡改性[1]。但是，這種保障依賴于一個(gè)前提條件，即單一節(jié)點(diǎn)無(wú)法控制全系統(tǒng)中超過51%的算力。但隨著專用的進(jìn)行SHA256散列計(jì)算的ASIC芯片的研發(fā)和應(yīng)用，單臺(tái)機(jī)器的算力相較于通用計(jì)算機(jī)得到了數(shù)十萬(wàn)倍的提升，導(dǎo)致算力越來越集中，幾個(gè)大型礦池的機(jī)器聯(lián)合起來就可能超過全網(wǎng)51%的算力，從而危及區(qū)塊鏈系統(tǒng)的安全。為解決這一問題，后續(xù)的區(qū)塊鏈開發(fā)者設(shè)計(jì)了各類共識(shí)算法，試圖抵抗ASIC專用芯片帶來的算力集中問題。例如以太坊區(qū)塊鏈設(shè)計(jì)了ETHASH算法，該算法依賴于計(jì)算機(jī)的內(nèi)存性能，且能有效提高區(qū)塊鏈的事務(wù)處理能力[2]。達(dá)世區(qū)塊鏈提出了X11算法，該算法使用11種散列算法進(jìn)行串聯(lián)，從而提高了制造專用ASIC芯片的成本。其后還發(fā)展出X13、X15等算法。門羅區(qū)塊鏈提出了Cryptonight算法，該算法依賴于CPU中的特定指令集和高速緩存，從而使通用計(jì)算機(jī)的CPU具備了獨(dú)特的計(jì)算優(yōu)勢(shì)。

上述算法雖然從指令集、內(nèi)存依賴、多算法串聯(lián)等不同角度增加了開發(fā)相應(yīng)ASIC芯片的難度，但是都未能成功地阻止相應(yīng)ASIC機(jī)器的出現(xiàn)。其原因在于這些算法雖然設(shè)置了一定障礙，但如果開發(fā)相應(yīng)ASIC芯片的收益高于成本，設(shè)計(jì)者依然可以通過在芯片上堆積更多的邏輯電路和專用存儲(chǔ)器來開發(fā)出相應(yīng)的算法功能。因此，為增加算法的ASIC抗性，不能簡(jiǎn)單地只增加算法復(fù)雜度和資源消耗量，而是需要增加算法的隨機(jī)性，從而使其難以固化為專用的ASIC電路。布萊克等人提出的X16R算法引入了隨機(jī)性[3]，但該算法仍然是一種串聯(lián)算法，串聯(lián)方式雖然增加了算法復(fù)雜度，但也降低了安全性。因?yàn)槠渲腥我淮?lián)的散列算法被破解都會(huì)影響該算法的總體安全性，所以應(yīng)采用并聯(lián)方式來聯(lián)接多個(gè)算法。

2 隨機(jī)并聯(lián)算法RPCA16

為提升區(qū)塊鏈共識(shí)算法的抗ASIC能力，保障算法的安全性，本文提出一種隨機(jī)并聯(lián)共識(shí)算法RPCA16（Random Parallel Consensus Algorithm 16）。RPCA16算法的主要思路是構(gòu)建散列算法池，然后隨機(jī)從算法池中挑選算法進(jìn)行并聯(lián)計(jì)算，從而最終求得符合難度條件的本區(qū)塊隨機(jī)數(shù)（none值）。

為構(gòu)建RPCA16隨機(jī)算法，首先應(yīng)構(gòu)建散列算法池。散列算法池是一個(gè)包含16種散列算法的有序集合，其包含元素見表1，其中序號(hào)以16進(jìn)制數(shù)字表示，所選擇的散列算法包含了X15算法中的15種標(biāo)準(zhǔn)散列算法，另外加上SHA512算法。

表1 RPCA16算法池

基于以上算法池，構(gòu)建RPCA16算法如下：

（1）從算法池的16個(gè)算法里面隨機(jī)挑選4個(gè)算法：截取上一區(qū)塊的區(qū)塊頭散列值的最后4位（16進(jìn)制位），以該四位為序號(hào)依次從算法池中挑選4個(gè)算法，形成一個(gè)新的包含4種算法的有序集合。

例如，假設(shè)上一區(qū)塊頭散列值為：

0000000000000000008c9a29e053bc2970145ac3870210f18da00189b8e83e2c

以其最后四位3e2c為序號(hào)依次挑選算法池中對(duì)應(yīng)的算法，得到j(luò)h、whirlpool、groestl、fugue，形成有序集合A，見表2。

表2 有序集合A

（2）數(shù)據(jù)預(yù)處理：對(duì)當(dāng)前正在進(jìn)行試算的區(qū)塊頭數(shù)據(jù)D進(jìn)行處理，刪掉none字段，得到數(shù)據(jù)D1。對(duì)數(shù)據(jù)D1使用SHA256和HEFTY1算法依次計(jì)算，得到散列值H1。即：

H1=HEFTY1（SHA256（D1））

（3）映射排序：截取H1的最后4位（16進(jìn)制位），對(duì)該4位上的數(shù)字進(jìn)行大小比較，得出其從小到大排序的序號(hào)（排序序號(hào)以0開始），把每一位上的數(shù)字替換為其排序序號(hào)，則映射得到一個(gè)新的數(shù)字序列L。隨后根據(jù)L中數(shù)字的順序依次從有序集合A中挑選算法，形成新的有序集合A1。

例如，假設(shè)H1的后4位是9d2a，則這4個(gè)數(shù)字從小到大進(jìn)行排序，9排序序號(hào)為1，d排序序號(hào)為3，2排序序號(hào)為0，a排序序號(hào)為2，則9d2a中的每一位替換為排序序號(hào)后，得到1302。以1302中的每一位為序號(hào)，依次從有序集合A中挑選算法，得到新的有序集合A1，見表3。

表3 有序集合A1

（4）計(jì)算散列值：對(duì)當(dāng)前區(qū)塊的區(qū)塊頭數(shù)據(jù)D依次用有序集合A1中的4種散列算法進(jìn)行計(jì)算，得到散列值h1、h2、h3、h4。即

h1=whirlpool(A1)

h2=fugue(h1)

h3=jh(h2)

h4=groestl(h3)

（5）混淆排列：分別取h1、h2、h3、h4各散列值前64位（2進(jìn)制位），得到p1、p2、p3、p4。將每個(gè)數(shù)按32位（2進(jìn)制位）長(zhǎng)度平分為前后兩段，得到p1a、p1b、p2a、p2b、p3a、p3b、p4a、p4b。將這八段數(shù)字按以下順序混淆排列：p1a、p2a、p3a、p4a、p1b、p2b、p3b、p4b，得到最后的區(qū)塊頭散列值L。具體排列方法見圖1。

圖1 通過混淆排列方式得到區(qū)塊頭散列值L

（6）迭代：將L與當(dāng)前區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的難度值N相比較，如果L

3 RPCA16算法抗ASIC性及安全性分析

RPCA16算法與傳統(tǒng)的共識(shí)算法相比，通過增加隨機(jī)性，使得ASIC芯片流水線無(wú)法滿負(fù)荷運(yùn)行，從而提升了其抵抗ASIC的性能。與同樣具有隨機(jī)性的算法X16R相比，具備以下優(yōu)勢(shì)：

（1）RPCA16從16個(gè)標(biāo)準(zhǔn)散列算法中選4個(gè)進(jìn)行并聯(lián)計(jì)算，而X16R使用固定的16個(gè)算法。因此當(dāng)ASIC芯片進(jìn)行RPCA16算法計(jì)算時(shí)，將有75%的電路空置，從而大大降低了ASIC相對(duì)于CPU或GPU的優(yōu)勢(shì)。

（2）RPCA16對(duì)挑選出來的4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)算法進(jìn)行隨機(jī)排序，從而進(jìn)一步降低ASIC電路的流水線效率。同時(shí)由于是在區(qū)塊頭數(shù)據(jù)構(gòu)造的過程中引入的動(dòng)態(tài)隨機(jī)，因此RPCA16對(duì)FPGA芯片也須有一定的抵抗能力。

（3）RPCA16在數(shù)據(jù)預(yù)處理過程中引入了HEFTY1散列算法，該算法難以通過ASIC來實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步增強(qiáng)了抗ASIC的特性。

（4）X16R使用多算法串聯(lián)，其中任一算法被破解都會(huì)影響系統(tǒng)安全。而RPCA16是并聯(lián)類型的算法，只有所有的算法都被破解，才會(huì)影響最終算法的安全性，因此RPCA16算法抗哈希碰撞的能力強(qiáng)，其安全性較串聯(lián)算法大大增強(qiáng)。

4 結(jié)語(yǔ)

區(qū)塊鏈技術(shù)具有高可用性和去中心化、去中介化等特性，目前在信息系統(tǒng)中的應(yīng)用方興未艾。但由于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)是分布式的，網(wǎng)絡(luò)是開放式的，因此其安全性顯得尤為重要。通過增強(qiáng)區(qū)塊鏈共識(shí)算法的抗ASIC和抗哈希碰撞特性，可以大大增強(qiáng)區(qū)塊鏈系統(tǒng)抵抗51%攻擊和窮舉攻擊的能力，從而可以開發(fā)出高安全性的區(qū)塊鏈公鏈體系。

[1]袁勇，王飛躍.區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2016.

[2]邵奇峰，金澈清等.區(qū)塊鏈技術(shù)：架構(gòu)及進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2018.

[3] Tron Black,Joel Weight.X16R ASIC Resistant by Design. https://ravencoin.org/wp-content/uploads/2018/03/X16R-Whitepaper.pdf.