區塊鏈應用中的安全與隱私專題 《中國科學:信息科學》英文版

2020-12-02 騰訊網

SCIENCE CHINA

InformationSciences

Vol. 63 Number 3

專題簡介

區塊鏈技術最早由中本聰 (Satoshi Nakamoto) 在 2008 年提出, 是支持和實現比特幣的關鍵技術. 區塊鏈是一種按照時間順序將數據區塊以順序相連的方式組合成的一種鏈式數據結構, 並以密碼學方式保證不可篡改和不可偽造的分布式帳本. 區塊鏈技術是分布式數據存儲、點對點傳輸、共識機制、加密算法等技術的新型應用模式. 它具有去中心化、開放性、防篡改、匿名性、可追溯性等特點. 得益於這些優點, 區塊鏈技術在最近幾年成為了金融、電子政務、物聯網、公共服務、食品藥品監管追溯、 供應鏈金融等領域的研究熱點, 被認為將引領全球新一輪技術變革和產業變革.

隨著區塊鏈技術的發展和廣泛應用, 區塊鏈也逐漸暴露出安全隱私問題, 必須得到足夠的重視. 和傳統中心化結構相比, 區塊鏈技術不依賴於某個特定的中心節點, 系統中的每個區塊鏈節點分別獨立存儲數據和處理數據, 有效避免了單點失敗的問題. 然而, 為了達到公開驗證, 區塊鏈中所有的交易記錄 (數據) 必須公開, 這將導致隱私洩露問題. 當區塊中交易信息是敏感信息時, 比如個人健康記錄、銀行帳號信息或者是軍事相關的數據, 將對個人安全和國家安全造成嚴重威脅. 因此, 區塊鏈技術在真正從理論到現實應用之前, 必須解決數據安全隱私問題. 針對上述目標,SCIENCE CHINA Information Sciences在 2020 年 63 卷第 3 期組織出版了 「Special Focus on Security and Privacy in Blockchain-based Applications」 (區塊鏈應用中的安全與隱私專題), 致力於介紹區塊鏈的最新進展, 涵蓋了該領域廣泛的主題. 專題共收錄了 5 篇論文：

群數據共享方案能夠實現多用戶之間高效的數據共享. 然而現有方案只支持屬於同一個組織/機構裡的用戶數據共享. Huang 等人的論文 「Blockchain-based multiple groups data sharing with anonymity and traceability」 討論了如何實現屬於不同群組用戶之間的數據共享, 提出了一個基於區塊鏈的不同群組用戶之間的數據共享方案. 該方案支持匿名性和可追蹤性. 任何一個用戶很容易就可以驗證共享 數據的有效性, 其過程不需要和第三方審計員交互.

具有魯棒性和可延展性的群組管理基礎設施在需部署高密度設備的應用中起著重要作用, 而眾包 模式是實現群組管理的有效方法. Lin 等人的論文「SecBCS: a secure and privacy-preserving blockchainbased crowdsourcing system」 指出廣泛使用的眾包模式存在安全隱患, 比如敏感信息的洩露、單點失敗和不公平評判. 最近比較流行的解決眾包模式中存在問題的方法是使用區塊鏈技術. 然而, 現有的基於區塊鏈技術的眾包系統並沒有考慮系統的安全性. 據此, 該論文研究了基於區塊鏈技術眾包系統中的安全隱私問題, 並提出了一個具體的解決方案, 稱為 SecBCS. 論文最後基於 JUICE 對提出的方案進行模型實現.

在比特幣網絡中, 簡化支付驗證協議 (SPV) 允許輕量級設備參與其中, 且無需下載和存儲比特幣系統中的所有區塊. 比特幣中 SPV 節點通過比特幣錢包軟體對交易進行驗證. 因此, 比特幣錢包的 安全性對 SPV 節點就顯得非常重要了. 安全用戶認證協議可以有效地解決 SPV 節點的安全缺陷. 最 近, Park 等人提出一個適用於行動裝置的雙方可驗證密鑰交換協議, 並聲稱他們的方案能夠抵抗多種攻擊且能高效部署. Zhou 等人的論文 「A privacy preserving two-factor authentication protocol for the Bitcoin SPV nodes」 針對 Park 等人的協議進行安全分析, 發現他們的協議存在偽造攻擊和智慧卡被盜攻擊, 且無法提供用戶的隱私保護. 據此, 論文針對 SPV 節點提出一個適用於行動裝置的高效安全用戶認證協議. 該協議能夠解決 Park 等人協議的安全問題. 最後, 通過對提出的協議進行性能分析, 指出該協議適用於比特幣網絡中的 SPV 節點.

比特幣的核心技術是區塊鏈協議, 為保證協議的安全性, 應分析其在具有網絡延時的異步網絡中的安全性. Wei 等人研究了長時間延時攻擊對協議的影響, 但是他們的證明需要假設所有的礦工都是誠實的. Yuan 等人的論文 「Analysis of blockchain protocol against static adversarial miners corrupted by long delay attackers」 使用一個更強的模型, 對 Wei 等人的結果進行改進, 允許攻擊者執行長時間延時攻擊和合謀部分礦工. 論文提出一個分析收斂事件 (converge event) 的新方法, 並在提出的強模 型下證明, 該方法的鏈增長 (chain growth)、公共前綴 (common prefix) 和鏈質量 (chain quality) 性質在合理的參數下依然成立.

Ni 等人的論文 「Analysis of bitcoin backbone protocol in the non-flat model」 在非平坦 (non-flat) 模型中分析了比特幣的主幹協議. 作者重新思考和定義了計算智力遊戲答案的模型, 以便於刻畫現實協議的執行. 在新模型中, 每一個參與者擁有不同的計算能力並有序獨立的計算智力遊戲的答案. 在分析比特幣主幹協議的安全性中, 該論文得到更好的結果. 除了大部分參與者是誠實的假設之外, 不需要任何額外的假設條件. 最後, 論文指出在該模型中, 可基於比特幣骨幹協議建立一個安全魯棒的公共交易帳本.

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