基于區(qū)塊鏈機制的安全和效率研究

徐如月

區(qū)塊鏈被首次提出里的時間是2008年，虛擬貨幣比特幣主要依賴區(qū)塊鏈的技術(shù)，迅速的產(chǎn)生，并作為特殊交易的一種貨幣，實現(xiàn)自由買賣，安全儲存。與此同時，區(qū)塊鏈技術(shù)隨著比特幣的占領(lǐng)市場，利用其按時間順序儲存數(shù)據(jù)、密碼技術(shù)分布式記賬等特點，引起多行業(yè)領(lǐng)域的注意，通過將區(qū)塊鏈技術(shù)與行業(yè)融合研究，區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用逐漸成熟擴展開來，開始應(yīng)用到不同的領(lǐng)域。實際上可以將區(qū)塊鏈與比特幣的關(guān)系理解為相當(dāng)于記賬貨幣與貨幣的關(guān)系[2]。區(qū)塊鏈技術(shù)的特點一是非篡改，二是去中心化，三是不可偽造。同時，區(qū)塊鏈也是可以實現(xiàn)安全存儲的功能，進行分欄式記賬。然而，面對需要一個可以安全存儲海量數(shù)據(jù)的儲存庫，現(xiàn)在迫切需要解決的問題是，解決利用區(qū)塊鏈上數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)的安全性和效率[1][3]。劉海宏研究廣東省農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟的時空變異分析[4]。本文以區(qū)塊鏈的六層體系結(jié)構(gòu)為研究對象，研究了區(qū)塊鏈的關(guān)鍵技術(shù)[1]，如數(shù)據(jù)層的算法機制、共識層的共識機制和契約層的擴展機制[5]。

一、數(shù)據(jù)層分析

現(xiàn)在多數(shù)領(lǐng)域應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)是數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)安全算法主要集中研究對稱兩種算法：加密算法和非對稱加密算法，兩種算法的優(yōu)劣可以從安全性和效率這兩個方面進行分析研究。目前，基于fabric架構(gòu)的區(qū)塊鏈項目，使用的底層算法具體來說是RSA算法，但該算法存在一部分的的安全隱患。

(1) SM2算法的區(qū)塊鏈實現(xiàn)

RSA算法在區(qū)塊鏈交易中，主要作用于對數(shù)據(jù)的加密、解密和簽名，但其安全性和效率均低于ECC算法。SM2算法是一種改進的基于橢圓曲線密碼體制的非對稱加密、解密和簽名集成算法。使用SM2算法代替RSA算法作為區(qū)塊鏈一部分算法，為了深入理解明白，可以從橢圓曲線算法的角度來研究SM2算法的具體過程。

(2) 性能分析

以前在fabric框架中，使用的hash算法，屬于是SHA-256算法。在數(shù)據(jù)的處理部分，主要利用SM2算法進行處理相關(guān)事務(wù)信息。如表1-1所示，SHA-256算法和SM2算法多種性能、運算速度和數(shù)據(jù)生成時間等幾個方面進行比較表明，算法循環(huán)次數(shù)相同，哈希生成時間也相差不多，幾乎可以省略考慮，所以整體來說，兩種算法的性能基本相同，可以作為互為替代交換使用的數(shù)據(jù)處理程序。

表1 -1 SHA-256算法和SM3算法性能比較

二、結(jié)構(gòu)層分析

結(jié)構(gòu)層也稱為共識層，主要是對于交易信息的分層驗證處理，一共分為5個層次，第1層次是用戶，第2層次是交易共識，第3層次記賬，第4層次是驗證，最后一層是區(qū)塊鏈。

（1）結(jié)構(gòu)層分析

用戶：構(gòu)建一個數(shù)據(jù)收集平臺，用戶在平臺上進行信息交流，整理和分析匯總，從上級到下級整套的數(shù)據(jù)信息處理都在平臺上顯示，可以進行本地區(qū)線上交易，也可以智能的跨地區(qū)或多地區(qū)的聯(lián)合數(shù)據(jù)分析處理。

交易共識：用戶利用數(shù)據(jù)收集平臺處理信息時，需要向平臺體用一定的服務(wù)使用費，平臺按照用戶購買的需求提供對應(yīng)的技術(shù)支持、信息儲存、業(yè)務(wù)交流等相關(guān)功能。數(shù)據(jù)處理平臺再依據(jù)用戶提供的資料，積累的信息，進行數(shù)據(jù)加工處理。

記賬共識：數(shù)據(jù)處理平臺可以設(shè)置匯總結(jié)點。一段時間內(nèi)用戶積累大量的業(yè)務(wù)信息后，數(shù)據(jù)平臺可以設(shè)置時間結(jié)點，對前期的信息加以匯總整理，一般常設(shè)的結(jié)點是21個，當(dāng)數(shù)據(jù)庫信息達到結(jié)點的儲存量，就可以把之前的信息匯總列表，新的信息數(shù)據(jù)重新歸納總結(jié)，并且可以進行線上、線下的整合分析。

驗證共識：類似于審核監(jiān)督，數(shù)據(jù)平臺信息達到結(jié)點進行轉(zhuǎn)換，需要另一種數(shù)據(jù)處理程序進行反審核檢測，通常可以依據(jù)設(shè)置的結(jié)點個數(shù)進行監(jiān)控點的設(shè)置。常見的檢驗點是21個，與記賬結(jié)轉(zhuǎn)點個數(shù)相等。另一種常設(shè)檢驗點個數(shù)是11個。主要目的是防止記賬結(jié)點出現(xiàn)空缺、數(shù)據(jù)遺失、信息不全等問題。設(shè)置檢驗區(qū)塊，減少出現(xiàn)區(qū)塊作廢的風(fēng)險。

區(qū)塊鏈：當(dāng)驗證結(jié)果出來后，驗證信息就會通過區(qū)塊鏈技術(shù)整理匯總出來流轉(zhuǎn)到下一平臺，并進行新一輪的信息分享，轉(zhuǎn)到用戶賬戶上，用戶可以及時受用區(qū)塊鏈信息處理結(jié)果。

根據(jù)對結(jié)構(gòu)層的具體分析，需要加強結(jié)構(gòu)層各部分的關(guān)聯(lián)，需要對交易記賬和驗證三個方面數(shù)據(jù)進一步加工整合，所以需要構(gòu)建改進新的監(jiān)管共識機構(gòu)。

（2）安全性分析與證明

結(jié)構(gòu)性機制突出的特點是安全性，通過設(shè)置記賬共識和驗證共識過程中的結(jié)點，能夠識別非必需數(shù)據(jù)信息的擾亂，增強數(shù)據(jù)處理的可靠性，保障結(jié)構(gòu)性機制的穩(wěn)定性。建立新的監(jiān)管共識機構(gòu)：協(xié)商一致機制，研究區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用的安全性。

定理1：常設(shè)的記上機制結(jié)點為21個，利用驗證機制設(shè)為常見的11個，至少能保證一半的結(jié)點數(shù)據(jù)處理信息相對正確，結(jié)點的處理信息相對可靠，如果增強驗證機制的結(jié)點設(shè)置設(shè)為和記賬機制相同的結(jié)點分析，21個更能增強數(shù)據(jù)處理的安全性依靠。

證明如下：選取結(jié)點驗證數(shù)據(jù)時，選取的數(shù)值數(shù)量一般k>2n/3，記賬結(jié)點和監(jiān)控結(jié)點基本數(shù)量非常大，所以要盡可能的選取樣本。作為返檢查的可信任的結(jié)點成為可信任誠實結(jié)點，利用數(shù)據(jù)信息處理技術(shù)，篩查出可能出現(xiàn)的誠實結(jié)點數(shù)量和位置，同時進行新一輪的驗證分析，每個結(jié)點組成的區(qū)塊一般包含（k+L）/2個可信賴的誠實結(jié)點。通過具體的數(shù)據(jù)處理分析，驗證理論是可值得信賴。

定理2：被惡意結(jié)點篡改的交易信息不能更新記錄在數(shù)據(jù)塊上的信息，具有抗合謀攻擊的能力。事實證明，一些惡意結(jié)點篡改了區(qū)塊鏈上的交易信息。

證明如下：如果惡意結(jié)點將該區(qū)塊作為該區(qū)塊的計費結(jié)點進行廣播，不僅需要21個計費結(jié)點達成共識，還需要11個監(jiān)管結(jié)點達成共識。如果發(fā)生合謀，會計結(jié)點最多只能達成共識，成本很高。由于監(jiān)管結(jié)點本身的特殊性，惡意結(jié)點需要達成共識，如果合謀無法進行，最后的攔截還是無效的。

三、合約層分析

智能合約，實際上是區(qū)塊鏈技術(shù)中交易共識完成的機智。數(shù)據(jù)在交易共識模塊完成。交易有兩種類型：一種是鏈上的直接交易，另一種是鏈下的大量多次的低價頻道交換。合約層交易主要研究線上的直接交易。第一步，用戶在平臺上精準(zhǔn)找到自己的身份，通過智能數(shù)據(jù)庫的處理，進行平臺所有信息匯總再分，準(zhǔn)確找到用戶匹配的需求，通過三方顯示對價，進行線上交易結(jié)算，最后再將交易信息提交審核，完成全部過程。

（1） 安全性分析

HTLC方案主要是利用多個結(jié)點區(qū)域生成信息渠道，建立渠道，用戶或潛在信息使用對象在多渠道信息平臺進行交易。

防止虛假信息攻擊

在業(yè)務(wù)平臺上，潛在用戶或者相同行業(yè)的競爭對手可以進行虛假信息的填報，擾亂正常業(yè)務(wù)處理。在交易過程中，對手可以偽裝成交易者發(fā)送交易信息并簽名。信息儲存平臺在各結(jié)點簽名時，用戶可以通過結(jié)點驗證過程了解對手的數(shù)據(jù)選擇，計算t=re（MODN）；m=可以偽造，但在數(shù)據(jù)計算時s分?jǐn)?shù)難以從集體數(shù)據(jù)分析因素中分解出來，所以d=RSM（MODN）偽造數(shù)據(jù)困難。

如果用戶自己偽造數(shù)據(jù)，選用其它的賬戶信息進行簽名，假設(shè)簽名者Alice自己偽造簽名，這樣Alice知道s，可以選擇一個隨機數(shù)ya，并計算t=（mod/7），所以s=g＊s，H=g＊HW。顯然，Alice不能使用偽簽名來生成h=h（idallce），這導(dǎo)致了簽名驗證中的問題。因此，用戶利用信息進行虛假簽名或者利用對手的信息簽名，都不能通過驗證。

（2）效率分析

選取四種不同的數(shù)據(jù)庫處理方式，對比數(shù)據(jù)處理容量、速度、效率、安全性等幾個方面，從表中分析得出，區(qū)塊擴容和多渠道擴容方案引起的的效果差別不大。單渠道HTLC擴容方案對抗對手用戶攻擊或者虛假信息時，效果不是太好，而本文選取的多通道HTLC擴容方案整體相對穩(wěn)定，效果最好。

表3.1本文方案與常見方案的性能比較

結(jié)論

我們逐步進入人工智能時代，更需要大數(shù)據(jù)的處理和區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用，目前區(qū)塊鏈應(yīng)用從傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成分析，逐漸向新興行業(yè)融合轉(zhuǎn)變，目前最常用的互聯(lián)網(wǎng)支付也依賴于數(shù)據(jù)處理技術(shù)的深度開發(fā)。今年最火的電商平臺，其交易數(shù)據(jù)處理也同樣依賴于區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)處理后臺的加成。如何更好地將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到生活中的方方面面，需要更多的研究，不僅可以擴產(chǎn)道基本的日常生活保障設(shè)施，同時還能提升生活節(jié)奏方式，改變生活模式。那目前迫切需要解決的問題是，提高區(qū)塊鏈應(yīng)用技術(shù)的安全性和可靠性、數(shù)據(jù)處理的效率、提高結(jié)構(gòu)性機制的穩(wěn)定性，以及契約層的擴張容縮性。在區(qū)塊鏈技術(shù)的支持下，新的數(shù)據(jù)處理速度和處理方式將會變得更快捷簡單。