区块链身份隐私和数据隐私保护机制研究

摘要

作为一种新兴的分布式账本技术，区块链存储着用户之间的交易记录和隐私数据，有着开放透明、交易记录无法更改、来源可追踪等特性。物联网、金融、医疗等行业纷纷结合区块链技术来解决行业痛点，所以区块链发展非常迅速，行业规模越来越大。然而，区块链上的数据对全网节点都是公开的，数据的更新操作也是透明的，这会给黑客留下攻击的空间，导致用户信息泄露。随着区块链技术的发展，用户的隐私无法得到有效的保障，安全问题和隐私泄露问题频频出现，严重影响区块链的应用和推广。区块链本身具备的匿名性和隐私性已经无法满足用户对隐私保护的需求，迫切需要保护数据隐私和用户隐私的新方案。针对区块链中存在的安全性和隐私性问题，本文从身份隐私和数据隐私保护等关键技术展开研究。具体研究工作如下： 首先，以区块链中存在的安全性和隐私性问题为研究对象，对区块链的各个层面进行剖析，将区块链中的隐私问题总结为数据隐私和身份隐私；然后，基于身份隐私问题和数据隐私问题对现有的隐私保护方案进行介绍，并对各个方案的特性进行了分析和比较，为进一步增强区块链的隐私保护能力提供了方向。 其次，针对区块链隐私保护方案中存在的交易隐私问题和身份隐私问题，将区块链、聚合签名和群签名结合，构建了交易隐私性增强方案。引入群签名算法使交易用户隐藏在用户群中匿名的提交交易信息和请求，保护了用户的身份隐私；引入聚合签名算法，将多个用户的签名聚合为一个签名，提高了签名验证效率，打乱了交易之间的对应关系，保护了区块链中的交易隐私；在方案的最后，给出了交易隐私性增强模型并基于随机预言机模型和CDH困难问题证明了方案的安全性。 最后，针对区块链中存在的隐私泄露问题，提出了基于区块链的数据加密和检索隐私保护方案，完善了区块链的隐私保护机制。采用数据查询者的公钥加密数据并提供密文检索功能，只有拥有对应私钥的数据查询者才能对密文进行解密，保护了用户的数据隐私；为了增强区块链上数据的查询效率，将关键字映射到布隆过滤器中，通过布隆过滤器和关键字陷门进行匹配，使用户快速获取感兴趣的数据；另外，为了缓解由于区块容量有限带来的存储压力，只将索引信息存储在区块链上而把密文存储在外部服务器中。

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附表索引

第1章 绪 论

1.1 研究背景、意义以及课题来源

1.2 研究现状

1.3 本文的主要研究工作

1.4 本文的结构安排

第 2 章 相关理论和概念

2.1 密码学基础

2.1.1 椭圆曲线密码学算法

2.1.2 双线性映射

2.1.3 困难问题假设

2.2 群签名

2.3 聚合签名

2.4 布隆过滤器

2.5 公钥可搜索加密

2.6 区块链技术

2.7本章小结

第 3 章 区块链隐私保护方案研究

3.1 区块链身份隐私保护方案分析

3.1.1 基于分布式节点的隐私增强技术

3.1.2 基于混合中心的隐私增强技术

3.1.3 基于密码学的隐私增强技术

3.2 区块链数据隐私保护方案分析

3.3 本章小结

第 4 章 区块链交易隐私性增强方案

4.1.1 基本结构

4.1.2 威胁模型

4.1.3 安全属性

4.1.4 安全模型

4.2 算法结构

4.3.1 正确性

4.3.2 不可伪造性

4.3.3 匿名性

4.3.4 可追踪性

4.3.5 性能分析

4.4 方案比较

4.5 本章小结

第 5 章 可搜索公钥加密区块链隐私保护方案

5.1.1 基本结构

5.1.2 威胁模型

5.1.3 安全模型

5.2 算法结构

5.3.1 安全性证明

5.3.2 数据隐私性分析

5.4 方案比较

5.6 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文

附录B 攻读学位期间参与的项目