域间路由安全增强及区块链技术的应用研究

边界网关协议(BGP)是目前互联网中事实上的域间路由标准,其安全性建立在自治系统(AS)身份及路径真实完整基础上,但BGP自身缺乏相应的安全保障机制,其安全问题备受关注。区块链作为构建新一代信息基础设施的创新技术,支撑在开放互联网环境中构建分布式多方信任体系,为当前传统BGP安全增强中遇到的问题和挑战提供了技术应对。根据技术发展和安全迭代,将BGP安全增强划分为3个递进阶段:以安全边界网关协议(S-BGP)为代表的理论创新阶段,以资源公钥基础设施(RPKI)为安全基础的应用实践阶段,以及基于区块链技术的创新发展阶段。分析BGP路由传播方式和路由策略的脆弱性,以及前缀劫持、路径伪造和路由泄露3类典型的安全威胁方式;梳理传统BGP安全增强技术路线和研究脉络,重点从主动防御和异常检测两个方面讨论针对错误路由宣告攻击的应对机制;在简要介绍区块链技术基本原理的基础上,利用区块链的去中心化、防篡改、可溯源、分布式部署等特性,重点探讨基于区块链的BGP安全增强技术的实现思想、路径和方法;主要结合区块链技术的应用,讨论BGP安全增强中面临的挑战,并对未来研究方向进行展望。

区块链网络综述

区块链是典型的分布式系统,底层网络的性能和安全性至关重要.区块链网络的本质是P2P网络,然而在安全模型、传输协议和性能指标等方面与传统P2P网络存在明显差异.首先,针对区块链网络的传输流程进行全面、深入地分析,阐明区块链网络所面临的瓶颈挑战.其次,针对区块链网络拓扑结构和传输协议的最新研究工作,从节点异构性、编码方案、广播算法和中继网络等方面系统性地分类梳理,并归纳总结跨链网络实现和网络仿真工具.最后,探讨区块链网络的未来研究趋势.

基于分片区块链的车联网数据共享方案

高效安全的数据共享对于智能车联网的深度应用至关重要,在相互不信任的车辆之间实现可信的数据共享成为当前研究的热点.区块链技术以其防篡改、可追溯等特点,成为支撑智能车联网数据共享流通的主要途径之一.现有基于区块链的车联网数据共享方案,存在吞吐量小、安全性低等不足.引入区块链分片方法,提出基于机器学习的分片算法,将地理位置相近的路侧单元(road side unit,RSU)划分到同一分片,并迭代单个分片的数据共享最优负载,降低了片内通信延迟进而提高了吞吐量,平衡了不同分片之间的数据共享负载.为避免单个分片的贿赂攻击,提出了基于声誉的片内共识协议与监督人机制.选举具有高声誉的RSU参与片内共识过程,并动态计算RSU的最新声誉.设定声誉度高的RSU担任监督员,监督员可定期对不同分片产生的区块进行合法性验证.通过性能评估和安全性分析,证明方案有助于提升智能车联网数据共享的高效性和安全性.

一种基于双链的区块链共识机制

共识机制是区块链系统的核心技术,目前针对“非币”区块链系统提出的基于贡献值证明与工作量证明(Po C+Po W)的共识机制存在共识效率较低、可靠性和安全性不高、算力消耗大的缺点。提出一种新的基于双链的共识机制CON_DC_PBFT。在该共识机制中设计一种业务链-系统链双链结构,将贡献值等系统数据和主要业务数据分离到双链中各自完成共识处理,双链的共识表现为半独立的形式,业务链共识消息流受系统链监督协调,并且系统链根据贡献值随机指定业务链的记账节点,双链的分工与协同实现并行化和流水化,改善共识的效率。由于贡献值数据不能被轻易获取,通过拜占庭通信机制和节点随机选择算法,降低节点遭受攻击和系统停滞的风险。通过实验综合分析出块选择概率、单点故障率、节点数、区块传输速率、CPU使用率对共识机制的性能影响,结果表明,与Po C+Po W机制相比,CON_DC_PBFT共识机制节省了50%以上内存、存储资源占用,在综合共识时延上有30%以上的改善。

基于区块链的Gossip协议优化研究

Gossip网络协议具有高效性和扩展性,广泛应用于区块链分布式系统的底层通信协议。针对联盟链中Gossip网络协议的冗余现象造成的传播效率下降,提出了Stack Gossip算法。该算法将收到的节点信息记录在信息栈中,避免向一个节点重复发送消息。实验发现,Stack Gossip算法不适用于大规模网络中节点数量过多的情况。为此,进一步提出Influence Gossip算法,其核心思路是节点通过评估邻居节点的信息影响力来选择通信的对等节点,在一定程度上避免了传统Gossip网络协议节点间传播的随机性。实验结果表明,与Random Gossip算法相比,Influence Gossip和Stack Gossip算法传播效率和产生的冗余有明显改进。

一种基于区块链的MQTT协议优化算法

通信协议的设计已然成为实现设备与互联网通信的重要支撑,其覆盖了整个物联网系统的各个环节。针对传统物联网协议中关键数据被伪造或篡改的安全问题,文章设计了一种在数据传输过程中使用区块链技术来保证传输数据安全的改进消息队列遥测传输(message queue telemetry transmission,MQTT)协议,进而保证了存储在broker的数据不被恶意篡改。通过仿真实验证明,该方法具有高效、轻量以及易实现等多方面的特点,在保护物联网的数据安全方面效果十分显著。

ElasticDAG:弹性图式区块链

图式区块链采用有向无环图(directed acyclic graph,DAG)的并行拓扑结构,相较于基于串行拓扑结构的传统链式区块链,能够显著提升系统性能,已受到业界广泛关注.然而,现有图式区块链的共识协议与存储模型高度耦合,缺乏灵活性,难以适应多元化应用需求.同时,大部分图式区块链在共识协议层面上缺乏灵活性,局限于概率性共识协议,难以兼顾确认延迟和安全性,尤其对于延迟敏感型应用很不友好.为此,提出弹性图式区块链系统ElasticDAG,其核心思想是将存储模型和共识协议进行解耦,让两者并行、独立地运行,从而灵活适配多元化应用.针对提升系统吞吐量和活性的需求,为存储模型设计自适应区块确认策略和基于划分的确认区块排序算法;针对降低交易确认延迟的需求,设计低延迟DAG区块链混合共识协议.实验结果表明,ElasticDAG原型系统在广域网下的吞吐量高达11 Mb/s,并具有10秒级确认性能.与OHIE相比,Elastic DAG在实现同等吞吐量的情况下,可将确认延迟降低17倍;与Haootia相比,Elastic DAG在实现同等共识延迟的情况下,可将安全性从91.04%提升到99.999914%.

基于区块链技术的Web服务器数据加密方法

为了提高Web服务器数据的安全性,文章提出了一种基于区块链技术的Web服务器数据加密方法。先进行Web服务器数据去重,以减少冗余数据,建立安全传输协议,通过智能合约、生成和分发密钥实现数据的加密传输,确保数据在传输过程中不被未经授权的第三方截获或篡改。利用区块链技术加密访问控制,保障数据的安全访问,实现数据的加密。实验结果表明,该方法的安全系数始终保持在0.98以上,证明了该加密方法的可靠性。

零知识证明硬件加速研究综述

零知识证明(zeroknowledge proofs,ZKP)是一种允许证明者向验证者证明某一陈述正确性而无需泄露任何其他信息的密码学协议.主要介绍了零知识证明的加速研究,尤其关注了基于二次算术程序(QAP quadratic arithmetic program)和内积证明(inner product argument,IPA)的ZKP.研究表明,零知识证明的计算效率可以通过硬件加速技术显著提高,包括使用GPU,ASIC,FPGA等.首先介绍了零知识证明的定义与分类及目前零知识证明应用所遇到的困难.其次详细讨论了不同硬件系统的加速方法、实现原理及其相对于传统CPU的性能提升.例如,cuZK和GZKP利用GPU实现了多标量乘法(multiscalar multiplication,MSM)和数论变换(number theoretic transform,NTT),而PipeZK,PipeMSM,BSTMSM则通过ASIC和FPGA加速这些计算过程.此外,也提到了零知识证明在区块链中隐藏交易细节等方面的应用案例,如ZCash的隐秘交易.最后,提出了未来研究的方向,包括加速更多类型的ZKP和将硬件加速应用到实际的应用场景中,以解决效率低下问题,推动零知识证明技术的广泛应用.

一种结合信任的多验证者DAG共识协议

共识协议是区块链系统中的关键,决定着系统的性能与安全性.针对现有共识协议暴露出的扩展性、吞吐量、参与门槛等问题及DAG区块链在区块选择方面的缺陷,提出一种结合信任的多验证者DAG共识协议TMVDP.首先,提出了基于多验证者的DAG结构,多个验证节点共同负责数据验证,从而提高系统性能与可扩展性,同时降低对普通节点的性能需求.其次,提出了DAG结构中的区块信任度机制.通过赋予区块相应的信任度,调整不同情况下区块被引用的概率,从而解决了孤块问题,保证网络的高吞吐量与安全性.最后,针对账本构建四叉树索引,有效避免DAG结构中数据量过大带来的检索困难问题.实验结果表明TMVDP协议在保证系统安全性的前提下提高了共识效率与吞吐量,加快了区块查询速度,扩展性良好.

区块链P2P网络及安全研究

区块链作为一种分布式账本、密码学、共识算法、P2P(peer-to-peer)网络等多技术创新融合的技术,在一个节点之间互不信任的开放环境中实现了去中心化、防篡改、可溯源等功能,改变了一直困扰传统中心化服务架构的信任建立、安全管理与隐私保护等难题,引起了社会各领域的广泛关注。其中,P2P网络通过共识算法实现了分布式账本的最终一致性,并利用各种协议协调各节点提供的服务,其应用功能随着区块链技术的每一次迭代不断丰富和完善,从而形成了相对独立的区块链P2P网络,成为区块链研究的重点。较为系统地介绍了P2P网络的特征和关键技术,尤其对影响着区块链的P2P覆盖网络、资源查询和网络抖动等技术进行了深入分析;结合典型区块链应用场景,从体系结构和协议实现入手分析了区块链P2P网络的工作机制和运行特点;介绍了区块链P2P网络存在的安全风险,讨论了典型攻击的实施过程及防范方法。最后,总结探索了区块链网络及其安全面临的挑战和主要技术应对。

基于跨域认证协议的区块链数据同态加密仿真

区块链实现了高可靠、低成本及可扩展的云存储服务,区块链数据存储往往需要高密度的跨域融合,但是跨域存储过程存在数据丢失风险。为确保区块链数据存储的机密性,提出基于跨域认证协议的区块链数据同态加密方法。通过数据层、网络层、应用层等构建区块链整体架构,分析区块体和区块头结构,利用发起者、接收者、服务器等实体建立区块链存储模型;结合区块链本身证书形式,将证书和认证服务器作为节点,设计跨域认证协议,确立数据跨域存储双方的信任关系,实现身份安全性的认证;采用同态加密算法,生成加密公钥对与私钥对,利用用户私钥和参数解密密文,获得明文信息。仿真结果证明,所提加密方法下数据通信负载不超过1500bit,通过对数据密文特征的测试可知提出的数据同态加密方法被破解的可能性更小。

基于TCP通信协议与区块链的财务信息数据共享方法

为了优化财务信息数据共享效果,提高数据共享传输的安全性与完整性,本文开展了基于TCP通信协议与区块链的财务信息数据共享方法研究。首先,采用预查询技术,检索财务信息数据,找出共享所需要的数据;其次,利用区块链技术,对检索到的财务信息数据进行加密处理,保证数据的安全性;在此基础上,利用TCP通信协议,设计数据共享传输机制,实现财务信息数据安全共享。实验结果表明,提出的方法应用后,数据共享误码率较低,说明该方法共享的财务信息数据更加准确,数据的可信度、安全性与完整性较高。

基于SM2数字签名的区块链匿名密钥交换协议

区块链技术因其去中心化、匿名性、不可篡改、不可伪造等优点,已经成为我国的一项前沿技术,在各领域得到广泛的应用。虽然用户可利用区块链发布匿名交易,有效隐藏交易双方的身份信息,但双方交易完成后传输交易相关数据可能破坏匿名性。这是因为在数据传输过程中,为了保证双方通信安全,往往使用认证密钥交换协议认证双方身份,计算会话密钥建立安全信道。由于传统的认证密钥交换协议涉及双方的长期公私钥对信息,所以将泄露交易双方的身份信息。虽然区块链匿名密钥交换可基于交易双方的历史链上交易完成密钥交换,有效保障交易双方的匿名性,但现有区块链匿名密钥交换协议主要基于国外密码算法设计,难以适用于国产区块链平台,不符合我国密码核心技术自主可控的要求。为丰富国产商用密码算法在区块链匿名密钥交换方面的研究,满足区块链交易后双方匿名安全通信的需求,本文以SM2数字签名算法和区块链为基础,构造非交互式和交互式两种区块链匿名密钥交换协议。并在CK安全模型中证明非交互式的协议满足会话密钥安全,交互式的协议满足有前向安全性的会话密钥安全。最后通过理论分析和编程实现结果表明,本文协议在没有比现有协议消耗更多的计算开销与通信代价的前提下,可适用于国产化区块链平台。

基于一次哈希签名和联盟链的密钥分发协议

在物联网环境中,为了确保通信数据的机密性和完整性,数据加密密钥的安全性尤为重要。密钥一般采用中心化的存储机制,当中心实体不可信时会造成密钥泄露的风险,因此在分发过程中需要保证密钥的完整性,但普通的签名方案往往较为复杂。针对密钥分发中心化及密钥分发算法复杂等问题,提出了一种基于一次哈希签名和联盟链的密钥分发协议。首先,利用轻量级的一次哈希签名进行用户注册和认证,同时,为了有效检测和防御使用一次哈希签名过程中可能出现的中间人攻击,协议中使用了Hyperledger Fabric联盟链存储签名凭证,用户可以从联盟链上获取签名凭证以供认证;然后,基于Hyperledger Fabric链和ElGamal密码体制设计了一个对称密钥分发方案;最后,从理论分析和Scyther形式化协议分析工具两个方面分析了密钥分发协议的安全性,结果表明该协议在保证密钥分发安全性的情况下,提高了密钥分发的效率。

区块链增强的低空智联网可信协作架构及集群构建策略

低空生态的繁荣不断推动智能网络服务由平面向低空三维立体方向转变,低空业务呈现出规模化、协同化和智能化等演进态势,对低空智联网跨域设备协作能力、任务处理效率、数据安全性及操作可信性等提出了较严苛要求。集群式多设备联合计算协作可提升低空智联网中复杂化大规模任务的处理效率,然而现有模式仍存在跨域设备协作困难、安全可信性缺乏保障以及资源调度灵活性不足等问题。区块链具有数据及操作不可篡改、公开透明和集体维护等特性,尤为适合在多方参与的低空智联环境中建立高效协作信任。本文提出区块链增强的低空智联网可信协作架构,为低空多源异构智联设备提供链上跨域协作计算与状态同步渠道,并设计深度融合集群任务处理流程的多级共识协议,保障低空智联网协作集群式计算服务的安全性与可信性。针对低空智联网中协作集群链上同步状态的时效性开展分析,并据此提出一种基于排队模型的低空智联协作节点链上状态修正算法与高效集群构建策略,保障链上协作任务处理效率。仿真结果表明所提架构及方案可有效提升低空智联网中协作任务处理效率和资源利用率等性能。

异步共识协议研究综述

共识协议作为区块链的底层核心技术,近年来受到研究者们的广泛关注并取得了大量研究成果.异步共识协议是一种不依赖于任何时间假设的经典分布式共识协议,本文从设计原理、性能表现和安全特性等角度对现有的异步共识协议进行研究.首先,根据功能分类总结了异步共识协议的主要构造原语,深入分析了各类共识原语中典型协议的设计原理.其次,针对各类共识原语,辩证分析了典型协议的性能表现,探讨其安全特性及存在问题.最后,总结了异步共识协议在安全、性能、功能等层面的研究热点和发展方向.

Hipro-HoneyBadgerBFT:一种基于并行运行机制的高性能异步共识算法

在大数据时代,信息流通数量极速增长。区块链技术非常适用于数据共享系统。目前数据共享系统搭建在区块链网络中会出现一些性能方面的瓶颈。为此,在HoneyBadgerBFT共识算法的基础上,提出一种更加高效的异步拜占庭共识算法——Hipro-HoneyBadgerBFT。该算法在不牺牲安全性的前提下,可以降低系统的计算资源,提升算法的共识效率。实验结果表明:Hipro-HoneyBadgerBFT共识算法的时延约为HoneyBadgerBFT共识算法时延的1%,吞吐量提升了7倍,CPU利用率则减少了54.09%。

结合信誉跳跃一致性哈希的区块链分片协议

区块链面临扩展性问题,目前主要的解决方法是采用分片技术提升交易的处理能力,但分片过后单个分片内节点数量降低,容易造成分片内中心化与拜占庭节点聚集,对网络的安全性产生危害。针对此问题,提出了一个结合信誉跳跃一致性哈希的区块链分片协议。设计了一种节点信誉等级模型,通过节点在网络中的行为赋予节点不同的信誉等级,降低拜占庭节点在网络中的话语权;提出了基于信誉的跳跃一致性哈希分片部分重构算法(reputation-based jump consistent hash sharding partial reconstruction,RJSPR),将信誉值作为节点进行分片重配置的重要考量,减少分片迁移的开销,并且有效提升分片后的网络安全性;提出了一种基于信誉的改进Raft共识算法(reputation-enhanced Raft,RERaft)用于片内共识,使其拥有一定程度的拜占庭容错能力。实验结果表明,RERaft算法在具备一定拜占庭容错能力的同时可以有效提升系统的共识效率,相比于常见的拜占庭容错算法,具有更好的可扩展性。

基于路径存储表的Hashgraph共识算法优化与实现

Hashgraph是一种数据采用有向无环图(DAG)结构的区块链共识算法,Hashgraph引入了虚拟投票的概念,允许节点在无额外通信开销的情况下并发出块,实现异步场景下的拜占庭容错。然而,Hashgraph提出的虚拟投票算法存在算法时间复杂度较高、共识运行逻辑过于复杂等问题。为此,提出一种基于路径存储表的Hashgraph优化方案。首先,提出一种基于顶点可达表的见证人判定方法,通过存储路径的方式实时记录生成事件与历史事件的可达关系,在轮次划分阶段,通过查询顶点事件的可达信息取代回溯算法,降低见证人判断算法的时间复杂度;其次,针对顶点可达表无法跨轮次判断事件关系的问题,提出一种基于历史可达表的知名见证人判定方法,历史可达表将存储见证人与历史事件之间的可达关系,通过查询历史可达表解决知名见证人判定阶段需要反复回溯视图的问题;最后,根据顶点可达表和历史可达表改进Hashgraph中复杂的共识计算,提升算法效率,加快事件确认速度。实验结果表明,所提优化方案与Hashgraph原共识算法相比,算法运行效率提升65.76%,在吞吐量方面平均提升41.27%。