基于全同态加密的数据隐私区块链研究

摘要

公有链上交易数据全网可见，公众通过收集公有链上的交易记录，分析大量的交易信息，有很大的概率可以追踪到交易金额的实际转移路线，甚至可以追踪到真实用户，从而获得一些可能会损害用户隐私的信息，不利于个人或机构的合法隐私保护。因此，加密区块链上的数据信息对区块链上用户的隐私保护非常重要。以用户交易为例，针对传统区块链的交易模型无法保护用户数据隐私的现状，论文基于无自举转换的全同态加密算法（Fully Homomorphic Encryption without Bootstrapping），将零知识证明技术引入基于全同态加密的区块链交易协议，构建保护数据隐私的区块链。论文的研究内容主要包括： （1）研究基于全同态加密的区块链交易协议，包括等额交易协议和足额交易协议。在传统的区块链的交易模型的基础上，通过全同态加密的方式隐藏了交易的金额和账户余额。全同态加密的区块链等额交易协议，是利用零知识证明技术，证明在不同密钥下用全同态加密算法加密的两个交易金额的密文包含相同的明文信息。全同态加密的区块链足额交易协议，是利用区间隶属度来构造一个非交互式的最少必要零知识证明，使得矿工能够在不解密的情况下，验证在交易之前，交易发起方的账户余额大于等于交易金额。 （2）研究基于全同态加密的数据隐私区块链。基于全同态加密的区块链交易协议，构建基于智能合约的保护数据隐私的区块链。构建的保护数据隐私区块链，是在区块链上部署了验证过程，交易信息验证通过后，会触发区块链上的智能合约正确的执行，智能合约根据执行结果更新交易双方账户余额的密文。采用全同态加密算法可以让区块链上任何第三方对交易的找零运算完成验证，也可以让运行在区块链上的智能合约处理密文，且不知道明文信息，显著地提高了用户数据隐私的安全性。该数据隐私区块链可以隐藏传统区块链交易体系的输入、输出以及交易细节，当哈希长度为k时，隐私区块链能被攻破的概率为2-k，即安全强度达到2k。 论文提出的基于全同态加密的等额和足额区块链交易协议，构建基于全同态加密的数据隐私保护区块链，有效地保护区块链上用户的数据隐私，扩展了区块链的应用场景。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2.1 区块链数据隐私

1.2.2 保护隐私的加密货币

1.3 研究内容

1.4 技术路线

1.5 论文组织结构

第二章 相关技术简介

2.1 账户模型与UTXO模型

2.2 全同态加密

2.2.1 LWE问题和RLWE问题

2.2.2 基本加密算法

2.2.3 密钥交换技术

2.2.4 模数交换技术

2.2.5 无自举转换的全同态加密方案

2.3 零知识证明技术

2.4 智能合约

2.5 本章小结

第三章 基于全同态加密的区块链交易协议设计

3.1 主要思路

3.2 基于全同态加密的区块链等额交易协议设计

3.3 基于全同态加密的区块链足额交易协议设计

3.3.1 区间隶属度的最少必要零知识证明

3.3.2 构造区块链足额交易协议

3.4 本章小结

第四章 基于全同态加密的隐私区块链

4.1 隐私区块链

4.2 隐私区块链上的智能合约

4.3 构建保护交易数据隐私的区块链方案

4.3.1 设置阶段

4.3.2 用户初始化阶段

4.3.3 转账交易阶段

4.3.4 运行阶段

4.4 本章小结

第五章 测试与分析

5.1 测试环境

5.2 测试方案

5.3 测试过程

5.4 测试分析

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

个人简历