基于零知識證明的科技服務交易數據保密機制

陳冬林，唐藝倩，聶規劃，王 倩

（1.武漢理工大學經濟學院，湖北武漢 430070；2.湖北省電子商務大數據工程技術研究中心，湖北武漢 430070）

1 研究背景

隨著國家的發展、第三產業服務業的推進，科技服務業逐漸出現并演變成了一個新的產業分類。并且科學技術被認為是國家競爭力的重要組成部分之一，也被視為國家科技競爭力的核心資源［1］。2014 年10 月28 日，我國發布了《國務院關于加快科技服務業發展的若干意見》，指出要重點發展研究開發、技術轉移、檢驗檢測認證、創業孵化、知識產權、科技咨詢、科技金融、科學技術普及等專業科技服務和綜合科技服務，實現科技創新引領產業升級、推動經濟向中高端水平邁進。科技服務交易是科技服務業發展必不可少的一部分。李燕燕等［2］研究企業科技服務交易意愿時指出，科技服務提供方的安全信任對企業科技服務需求方的購買意愿有影響。有研究提出科技服務交易的研究具有商業意義和價值網構建意義［3］；另外，進行科技服務的資金支付的監管、信息披露、交易見證方法等，可以實施信息、技術和交易過程管理［4］。一方面，科技服務交易的研究越來越完善，但是另一方面，孟慶濤等［5］研究1998—2019 年中國知網收錄的3 198 篇有關科技服務業的CSSCI 期刊文獻得出其中一個關鍵詞為科技中介，說明科技服務交易依賴一個中間方，即典型的中心化交易模式；且徐冠華［6］提到科技服務交易的一個值得注意點是科技服務知識產權保護監督機制，這體現了在促進科技服務交易方面知識產權屬性問題不可忽視。以上已有研究體現了科技服務交易現狀的兩個主要問題：一是科技服務交易需依賴中介/中心化平臺進行科技服務信息資源整合，但是中心化交易的弊端如數據集中掌握、存在交易中介費用、信息不透明等顯而易見；二是科技服務的核心之一為科學技術，因此更注重科技本身的知識產權性，對保密性要求較高。目前有關科技服務交易的研究中，數據保密方面的研究很少，因此，急需尋找一個在滿足科技服務去中心的前提下提供足夠保密性的方法。

區塊鏈是熱門的新興技術之一，目前區塊鏈應用于醫療、能源、銀行、供應鏈等領域的問題都已有開展研究，研究方向包括但不限于數據管理、追溯、隱私保護，如Pandey 等［7］提出了一種基于區塊鏈技術的醫療問題解決方案，保障醫療保健數據的不變性和隱私性；甄平等［8］為推動實現能源互聯網發展，研究了區塊鏈安全隱私、共識機制等相關技術；Garg 等［9］指出區塊鏈技術雖然還在發展階段，但它在銀行業的應用可以有效影響著預期商業收益；Roeck 等［10］結合多案例研究和實證，分析指出區塊鏈分布式賬本技術在供應鏈應用中，對成本節約有著長期或短期的影響；Sunny 等［11］指出區塊鏈有分散和分布式數據庫特性，可以提升透明度，以及有效解決供應鏈中單點故障、數據操作等問題；Qi 等［12］搭建基于區塊鏈的聯邦學習框架，促進數據共享并確保原始數據不泄露，從而實現隱私保護。

區塊鏈與科技服務融合有可能對科技服務領域產生重大影響。區塊鏈是一個去中心化的數據庫，是融合分布式數據共享賬本、節點共識機制、非對稱密鑰等計算機技術的新型應用模式。畢婭等［13］利用雙鏈區塊鏈技術解決制造服務資源交易應用的公平性；譚敏生等［14］研究指出區塊鏈技術與其他新型技術的融合可在技術設施建設中起重要作用，為本研究通過融合區塊鏈與隱私保護技術來解決科技服務應用問題提供了參考借鑒；Zhang 等［15］利用區塊鏈的非對稱群密鑰技術和匿名認證技術來實現用戶的隱私保護。區塊鏈與科技服務的融合在減少傳統中心化平臺弊端、實現數據可信管理等方面顯示出巨大的前景。根據公開程度，區塊鏈可分為公有鏈、私有鏈和聯盟鏈［16］，各鏈都有各自的優劣勢和應用場景，充分利用區塊鏈技術可以實現產業創新和提升。但值得注意的是，區塊鏈本身就是一個透明化的公共賬本，新的交易信息產生時，其他區塊鏈會先對交易詳細信息進行驗證，經過共識投票才決定是否將該交易納入新區塊進行存儲。所以說，區塊鏈本身對交易的保密性強度是不夠的。

對于提高區塊鏈的保密性，加入零知識證明技術是許多研究人員關注的重點之一。零知識證明協議是一方（證明方）可以向另一方（驗證方）證明某事是真實的方法，但除了這一具體陳述是真實的事實以外，不透露任何額外的信息，從而可用來保障交易信息安全。Yang 等［17］融合區塊鏈零知識證明技術實現數字身份管理，避免屬性所有權暴露；利用零知識證明技術，楊曉暉等［18］通過提高身份認證安全、Walshe 等［19］通過簡化設備接入環境來實現物聯網技術在安全方面的優化；Zapechnikov［20］優化數據處理，進而通過數據挖掘和機器學習來實現個性化服務；張思亮等［21］通過零知識證明技術實現區塊鏈賬本隱私保護。

針對上述分析，零知識證明技術能提高區塊鏈技術的數據保密性，并且在數字身份管理、隱私保密、實現個性化服務等多個領域都有研究，但在科技服務領域的研究很少。另一方面，科技服務本身具有的高知識產權屬性，交易雙方不一定想在把科技服務交易記錄存入到新區塊的同時泄露科技服務交易數據，這就對交易數據保密性要求高，需在傳統區塊鏈節點驗證的基礎上進行加密更新處理，提高交易數據保密性。因此，本研究加入零知識證明技術以提高區塊鏈的數據保密性，并應用到科技服務去中心化交易中。

2 基于零知識證明的科技服務交易數據保密解決方案

本研究的目標是提供一個用于在科技服務需求方和科技服務提供方之間的，交易安全且數據保密的區塊鏈方案。科技服務具有高程度的知識所屬性和商業機密性，李龔亮等［22］和Wang 等［23］對交易數據設計了零知識證明，參考他們的研究，本研究把對交易數據的零知識證明應用到科技服務領域。主要設計如下：

（1）提出基于區塊鏈的科技服務分布式交易方案，以去除傳統科技服務交易中心化交易弊端。

（2）在所提出的方案中，通過構造一個基于零知識的簡潔非交互式知識證明（承諾）π，對科技服務交易具體信息進行同態隱藏，并將其與智能合約結合，形成一個無人為操控的去信任成本的交易方式。這樣，交易雙方可以在不泄露任何交易細節的情況下證明完成了交易，一旦驗證通過，本次交易便進行了全網驗證而可存儲在新的區塊中。

2.1 零知識簡潔非交互式知識論證

零知識證明是區塊鏈保密技術中比較出名的一種，而零知識簡潔非交互式知識論證（zk-SNARKs）是零知識證明中最著名的一個。相比于零知識證明統稱，zk-SNARKs 有兩個特征：非交互與簡潔，這兩個特征也使其成為區塊鏈保密性研究的熱點。零知識證明的實現包括證明者和驗證者，新的科技服務交易生成時需提交給區塊鏈其他驗證節點進行驗證，這時，zk-SNARKs 的非交互式特征可以大大簡化驗證過程，證明者（科技服務交易雙方）和驗證者（區塊鏈驗證節點）只需分別提供證明信息和驗證信息，無需再進行交互，非常適用于區塊鏈中多節點驗證。而zk-SNARKs 的證明簡短、易于驗證的簡潔特征，可以在保證科技服務交易順利被驗證的情況下，降低整個區塊鏈網絡負荷。因此，本研究所述的零知識技術，都為zk-SNARKs。

2.2 零知識證明應用模型和問題陳述

本研究系統設計，融合區塊鏈、科技服務交易雙方、智能合約、zk-SNARK 等構建科技服務的零知識證明模型，以實現科技服務交易系統中科技服務需求方和科技服務提供機構之間的交易安全和交易隱私保護，如圖1 所示。基于區塊鏈的科技服務交易安全和數據保密方案（以下簡稱“方案”）設計包括5 個實體對象，分別為：科技服務需求方、科技服務提供方、智能合約、區塊鏈和密鑰生成器，其各自在系統中的功能如下：

圖1 基于區塊鏈的科技服務交易安全和數據保密方案

（1）科技服務需求方是一筆科技服務交易中科技服務需求的發布者，需求推動科技服務的市場流通。

（2）科技服務提供方是提供科技服務的乙方，它可能是一家企業、高校、個人，也可能是工廠，也是科技服務所有者，可通過合理使用其所擁有科技服務為自己獲利。

（3）智能合約是預先設置了觸發條件，在沒有第三方參與的情況下自動判斷零知識證明有效性的計算機協議。

（4）區塊鏈是賦予了本方案去中心化、防篡改等特性的技術。另外，在區塊鏈網絡中，其他各節點利用驗證秘鑰（verification key，vk）對新交易進行全網零知識驗證，保證了分布式事務的一致性。

（5）密鑰生成器是一個完全可信的機構，負責生成證明密鑰（proving key，pk）與驗證密鑰進行零知識驗證。

在方案中，有3 個緊密相連的場景。首先，科技服務交易雙方在區塊鏈網絡中端對端進行科技服務交易，交易完成后，為不泄露交易隱私，雙方將交易數據打包并加密；然后，密鑰生成器為本次交易生成新的證明密鑰與驗證密鑰，證明方（科技服務交易雙方）通過證明密鑰生成零知識證明（承諾）并發送到區塊鏈網絡和智能合約中，智能合約與其他節點通過驗證密鑰驗證證明（承諾）的真實性；最后，若驗證通過，則本次交易存入新的區塊，否則予以駁回。上述場景強調了一個點，即在zk-SNARKs 中，驗證方在未接觸科技服務交易信息的情況下完成對該次交易的驗證，實現科技服務交易雙方隱私保護。

2.3 零知識證明應用方案符號

方案所涉及的有關符號具體如表1 所示。

表1 方案有關符號設置

3 基于零知識證明的科技服務交易數據保密實現

3.1 機制簡介

科技服務交易零知識證明機制設計概括，如圖2 所示。其中：

圖2 零知識證明在科技服務交易中應用流程

科技服務交易零知識證明框架，如圖3 所示。證明過程主要分為以下4 個步驟：

圖3 科技服務交易中零知識證明框架

（1）問題轉化。首先需要將欲證明問題“科技服務交易金額相等”與“科技服務交易金額在一個范圍內”的陳述轉化成二次算術程序（quadratic arithmetic program，QAP）問題，從而實現在科技服務交易領域基于算術電路的 NP 問題（一般指非確定性多項式難題）的證明和驗證。

（2）約束生成。為了更好實現零知識證明過程，對公開/隱私輸入個數、約束等都有限制。

（3）信任建立。在證明生成和驗證之前，需要進行信任建立，通過使用密鑰生成器為該需證明的上述兩個科技服務交易命題生成公共參數，其中包括供證明者（科技服務交易雙方）使用的證明密鑰，以及供驗證者（驗證節點）使用的驗證密鑰。

（4）零知識證明。供證明者（科技服務交易雙方）使用證明密鑰生成證明（承諾）和證據；驗證者（區塊鏈驗證節點）使用驗證密鑰對證明者零知識承諾信息和零知識證據進行驗證。

3.2 零知識證據提供

當科技服務交易雙方進行交易后，交易金額由科技服務需求方賬戶轉到科技服務提供方賬戶。零知識證明過程包括兩部分（見圖4），一部分為證明交易前科技需求方的余額不低于交易額，證據由科技服務需求方提供；另一部分證明科技服務交易雙方的輸入輸出相等，證明由科技服務交易雙方提供。

圖4 科技服務交易零知識證明過程

（2）證明2：科技服務交易需求方在進行交易前的交易賬戶余額屬于不小于交易值的范圍（范圍證明）。范圍證明只需科技服務需求方對進行科技服務交易前其賬戶余額進行同態加密，并提供承諾和證據。將驗證證據作為證據發送到區塊鏈網絡中所創建的智能合約上，供其他節點進行非交互式驗證。

3.3 零知識證明驗證

驗證過程的實現（見圖5），先由科技服務交易雙方（證明方）創建智能合約，證明方將智能合約連同證據發送到區塊鏈網絡中，并附上自己的數字簽名，申請科技服務交易零知識驗證。區塊鏈網絡其他節點也通過智能合約進行非交互式零知識驗證。其中：

圖5 科技服務交易零知識證明驗證的智能合約實現

（1）驗證1，為科技服務交易雙方的兩個承諾數相等（相等證明）的智能合約驗證；

（2）驗證2，為科技服務交易需求方在交易前的交易賬戶余額屬于一個不小于交易值的范圍（范圍證明）的智能合約驗證。

對科技服務交易雙方提供的承諾和證據，區塊鏈網絡其他節點進行驗證。只有科技服務交易金額相等性證明和科技服務范圍證明都通過，零知識證明才驗證成功。當大多數驗證節點都驗證通過，該科技服務交易即可存入到新的區塊中。

3.4 科技服務交易驗證零知識特性

經過上述零知識驗證，只有同時通過相等驗證和范圍驗證的科技服務交易才會被允許保存在新的區塊中，否則，會駁回科技服務交易數據存儲請求。并且，方案提出的驗證也滿足如下特性：

（1）完備性，即只要供證明者（科技服務交易雙方）和驗證者（區塊鏈網絡節點）都誠實，提供的承諾和證據都是基于其科技服務交易的真實數據，則證明一定會成功，驗證者一定會驗證通過。

（2）合理性，這是與完備性相對應的，即只有科技服務交易參與者和驗證者能使該證明順利進行，沒人能夠假冒證明者使該證明成功。

（3）零知識性，即證明執行完后，區塊鏈網絡驗證節點只會得知科技服務交易雙方順利進行了交易這個事實，而不知道除此事實之外的科技服務交易者、科技服務交易細節等其他信息。

4 結論

科技服務交易是科技服務研究越來越重要的一部分，因為它關系到科技服務的市場流通和未來發展，區塊鏈技術的去中心化特點會使科技服務交易方式發生轉變，從傳統以中介/中心化平臺為核心的交易轉變為點對點去信任成本的交易，而科技服務本身具有高知識產權屬性，以及區塊鏈本身具有公開賬本的特性，因此，需改進區塊鏈技術，加強數據隱私保密性。本研究通過引入零知識證明技術應用到科技服務去中心化交易中，針對科技服務交易前后的交易雙方賬戶余額與金額輸入輸出狀態，設計圍繞交易金額的相等證明（即科技服務需求方賬戶余額輸出等于科技服務提供方賬戶余額輸入）和范圍證明（即驗證科技服務需求方在交易前賬戶余額處于一個范圍且不低于交易值），使得科技服務交易在被全網進行驗證時不會透露交易細節信息，從而增加了科技服務去中心化交易的保密性，為科技服務交易隱私保護領域提供了一定參考。