一種基于區(qū)塊鏈的身份識(shí)別技術(shù)

鄒秀清/ZOU Xiuqing

丁勇/DING Yong

（桂林電子科技大學(xué)，廣西桂林541004）

隨著互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越多新型的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)融入到了人們的生活，人們?nèi)粘Ｉ疃家玫教詫?、京東等交易平臺(tái)，使用支付寶、小米錢包、微信等來(lái)支付。這些平臺(tái)都有一套獨(dú)立的注冊(cè)、登錄、認(rèn)證和權(quán)限管理的系統(tǒng)，每一個(gè)用戶在系統(tǒng)中都充當(dāng)不同的角色，并擁有不同的權(quán)限，這種中心化系統(tǒng)給人們帶來(lái)的弊端有以下幾點(diǎn)：

（1）如果有多個(gè)系統(tǒng)需要進(jìn)行登錄、認(rèn)證，管理員的維護(hù)和管理的成本將會(huì)大幅增加，并隨著規(guī)模的增加，維護(hù)難度會(huì)增加。

（2）用戶必須記住自己的多個(gè)賬號(hào)、密碼，如果賬號(hào)很多，使用起來(lái)將非常不便捷。

（3）容易被黑客攻擊，帶來(lái)?yè)p失。

（4）中心化系統(tǒng)不可信，管理員可以隨時(shí)篡改數(shù)據(jù)。

區(qū)塊鏈技術(shù)是一種利用去中心化共識(shí)的機(jī)制維護(hù)一個(gè)完整的、分布式的、不可篡改的賬本數(shù)據(jù)庫(kù)的技術(shù)，它能夠讓區(qū)塊鏈中的參與者在無(wú)需建立信任關(guān)系的前提下實(shí)現(xiàn)一個(gè)統(tǒng)一的賬本系統(tǒng)。近年來(lái)，區(qū)塊鏈以集成分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（P2P）傳輸、新型加密算法和共識(shí)機(jī)制等技術(shù)的特點(diǎn)，已越來(lái)越成為許多國(guó)家政府和國(guó)際組織研究討論的熱點(diǎn)，依靠互聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)也紛紛加大了對(duì)其投入的力度[1]，但是目前全球還沒(méi)有政府大力推廣將該技術(shù)應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的身份識(shí)別系統(tǒng)。

如今新型的區(qū)塊鏈技術(shù)給人們帶來(lái)了解決方案：區(qū)塊鏈建立了動(dòng)態(tài)的P2P網(wǎng)絡(luò)，沒(méi)有了中心化服務(wù)，帳本均分布在每個(gè)節(jié)點(diǎn)中，所有的節(jié)點(diǎn)一同維護(hù)；帳本上記錄了該區(qū)塊鏈自創(chuàng)建以來(lái)的記下的所有交易記錄，通過(guò)密碼學(xué)的安全機(jī)制，使得所有記錄不可修改、真實(shí)可信；每個(gè)人都是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)彼此之間的信任來(lái)建立區(qū)塊鏈的信任。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有傳統(tǒng)的中心管理員，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)作由線上的電腦共同進(jìn)行維護(hù)，使得運(yùn)營(yíng)成本大幅降低。

本設(shè)計(jì)組成的框架主要包括四大模塊：數(shù)據(jù)層模塊、網(wǎng)絡(luò)層模塊、共識(shí)層模塊和接口層模塊。通過(guò)接入到同一個(gè)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，使用統(tǒng)一的接口層進(jìn)行交互，同時(shí)接口層還能和網(wǎng)絡(luò)層和共識(shí)層通過(guò)底層協(xié)議進(jìn)行交互，網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的P2P節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)的傳輸，共識(shí)層負(fù)責(zé)身份認(rèn)證，數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 區(qū)塊鏈技術(shù)

1.1.1 區(qū)塊鏈技術(shù)基本原理

假設(shè)Bob要在互聯(lián)網(wǎng)上向Alice轉(zhuǎn)賬，每次轉(zhuǎn)賬都會(huì)產(chǎn)生交易記錄，將所有的交易記錄進(jìn)行連接，生成總帳單，總賬單包含每個(gè)人的余額。記賬時(shí)，應(yīng)需保持公平、誠(chéng)信的態(tài)度，使得雙方能夠相互信任；但記賬人可能會(huì)作假，使得雙方的信任程度降低，這是很典型的欺詐行為。區(qū)塊鏈技術(shù)則可以很好地解決這一問(wèn)題，沒(méi)有人可以作假。

現(xiàn)把賬單模型進(jìn)行縮小，規(guī)定：每次更新、修改數(shù)據(jù)必須在原有的賬單中進(jìn)行，并且新賬單包含時(shí)間戳、前一個(gè)賬單的哈希值等數(shù)據(jù)。將這些帳本累加起來(lái)稱為總帳本，總帳本將所有的塊鏈接起來(lái)，組成區(qū)塊鏈，圖1表示一條區(qū)塊鏈中的3個(gè)區(qū)塊。

1.1.2 區(qū)塊鏈的去中心化

在2008年的金融危機(jī)中，比特幣的創(chuàng)始人中本聰發(fā)明了比特幣，它成為了第一個(gè)去中心化的數(shù)字貨幣。區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)存放所有交易的副本，并自動(dòng)同步。節(jié)點(diǎn)可以是用戶的電腦、手機(jī)，或是其他設(shè)備。如圖2所示，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是扁平化的，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的地位相等、公平，并以扁平拓?fù)涞姆绞较蛳噜徆?jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互[2]。

假設(shè)Bob想給他人轉(zhuǎn)賬，Bob就得向全網(wǎng)廣播他要轉(zhuǎn)賬的消息，并需全網(wǎng)達(dá)成共識(shí)，才能認(rèn)為他的消息是合法的，且每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)保存他轉(zhuǎn)賬信息。全網(wǎng)沒(méi)有中心服務(wù)器，沒(méi)有人能擁有管理的權(quán)力，只要規(guī)則定好了，就必須照著規(guī)則做，沒(méi)有人可以改變，這其實(shí)就是區(qū)塊鏈去中心化的魅力所在。

所有節(jié)點(diǎn)都相當(dāng)于“校驗(yàn)員”，它們無(wú)時(shí)無(wú)刻不在檢查區(qū)塊中的交易信息是否正確，并且在檢查交易的時(shí)候，不斷嘗試產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，計(jì)算哈希值，使數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)的安全性，黑客無(wú)法入侵，無(wú)法修改賬戶余額。隨著用戶的增加，越來(lái)越多的后續(xù)節(jié)點(diǎn)（用戶）加入到了比特幣網(wǎng)絡(luò)中，共同完成共識(shí)的過(guò)程[3]；而整個(gè)過(guò)程中網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的地位是相同的。比特幣不是憑空產(chǎn)生，而是通過(guò)消耗了電力、物力并應(yīng)運(yùn)算而產(chǎn)生的，因此具有價(jià)值，可以兌換成現(xiàn)有的貨幣。

圖2 去中心化的節(jié)點(diǎn)圖

1.2 加密哈希函數(shù)和哈希指針

哈希函數(shù)也叫做哈希算法，不論輸入字符串的長(zhǎng)短，生成簽名的長(zhǎng)度都是固定的，因此可以作為一段數(shù)據(jù)的數(shù)字指紋，便于區(qū)分每個(gè)消息。生成的摘要可作為簽名，以確保數(shù)據(jù)的真實(shí)性。賬戶的創(chuàng)建需要一個(gè)非對(duì)稱加密密鑰對(duì)，以太坊選擇的是橢圓曲線加密算法（ECC）中的Secp256k1，依據(jù)速度、安全性等參數(shù)確定賬戶的地址，具體的方法如下：

（1）創(chuàng)建一個(gè)隨機(jī)私鑰，由64個(gè)十六進(jìn)制的字符構(gòu)成；

（2）從私鑰中導(dǎo)出公鑰；

（3）從公鑰中導(dǎo)出地址。

使用Secp256k1生成256位公鑰/密鑰，然后編譯成64位長(zhǎng)度的十六進(jìn)制字符串；采用公鑰的Keccak-256哈希算法，得到一個(gè)32字節(jié)的字十六進(jìn)制字符串，接下來(lái)對(duì)該字符串進(jìn)行取截，取字符串的最后20個(gè)字節(jié)（即刪除前12個(gè)字節(jié)），得到了40個(gè)字節(jié)的字符串，在簽名加上0x前綴，就可以得到一個(gè)42個(gè)字節(jié)長(zhǎng)的地址，該地址就是以太坊用戶全網(wǎng)唯一的賬號(hào)。

1.3 Merkle樹

Merkle樹在區(qū)塊鏈中尤其重要，相當(dāng)于用大量的數(shù)據(jù)塊來(lái)進(jìn)行哈希運(yùn)算。Merkle樹將2個(gè)相鄰的認(rèn)證請(qǐng)求進(jìn)行哈希計(jì)算，逐步堆積到Markle樹根。這種哈希算法的好處就是讓歷史數(shù)據(jù)不可篡改、真實(shí)可信[4]。節(jié)點(diǎn)的值是它相連2個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)的哈希，這就導(dǎo)致整個(gè)Merkle樹中的數(shù)據(jù)都是互相關(guān)聯(lián)的，改動(dòng)其中一個(gè)數(shù)據(jù)，將會(huì)徹底改變整個(gè)區(qū)塊的結(jié)構(gòu)，因此給身份的證明提供了一個(gè)非常簡(jiǎn)潔的機(jī)制。

Merkle樹的最初應(yīng)用是在比特幣中，即使用了Merkle樹來(lái)存儲(chǔ)每個(gè)區(qū)塊的交易。每個(gè)Merkle樹從塊到根都是由哈希的分支組成，如圖3所示。由于Merkle樹采用了非常強(qiáng)的哈希算法，且哈希后的摘要求逆幾乎不可能實(shí)現(xiàn)，因此Merkle樹提供了真實(shí)可信的數(shù)據(jù)驗(yàn)證方法。

每個(gè)區(qū)塊頭包含如圖4所示的內(nèi)容。將相連的數(shù)據(jù)區(qū)塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行相連，通過(guò)上一區(qū)塊的哈希值和當(dāng)前區(qū)塊的哈希值將所有的區(qū)塊請(qǐng)求進(jìn)行關(guān)聯(lián)。如果修改了其中一個(gè)數(shù)據(jù)，將影響所有在當(dāng)前區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上的區(qū)塊，因此數(shù)據(jù)不可能被篡改，所有的認(rèn)證請(qǐng)求不可偽造，極大提高了區(qū)塊鏈的安全性。

1.4 ECDSA

ECDSA是數(shù)字簽名算法（DSA）的其中一個(gè)例子。和非對(duì)稱加密算法（RSA）進(jìn)行對(duì)比，在相同的安全強(qiáng)度下，ECDSA可以使用的密鑰更短，從而節(jié)省網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)空間，具有較高的研究?jī)r(jià)值[5]。

圖3 Merkle樹的結(jié)構(gòu)

圖4 數(shù)據(jù)區(qū)塊頭的結(jié)構(gòu)

在本設(shè)計(jì)方案中，首先要避免數(shù)據(jù)明文傳輸?shù)臉O大不安全因素，同時(shí)要保證交互雙方的身份真實(shí)性，因此需要利用公鑰加密算法中非對(duì)稱加密的優(yōu)勢(shì)。使用本設(shè)計(jì)方案進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，將服務(wù)器的公鑰輸出在客戶端，客戶端使用公鑰加密，在信息交互時(shí)數(shù)據(jù)以密文方式傳給服務(wù)器端，再由相應(yīng)私鑰得到明文數(shù)據(jù)[6]。

Alice將要給Bob發(fā)送一條消息，要求消息包含數(shù)字簽名來(lái)進(jìn)行身份識(shí)別，那么可以定義一組參數(shù)(CURVE,G,n)，其中CURVE表示橢圓曲線的點(diǎn)域以及它所使用的幾何方程，G表示橢圓曲線基點(diǎn)，大素?cái)?shù)n是橢圓曲線的階數(shù)[7]。接下來(lái)我們介紹數(shù)字簽名的具體過(guò)程和驗(yàn)證數(shù)字簽名的具體過(guò)程。

（1）數(shù)字簽名的過(guò)程

如果Alice要發(fā)出認(rèn)證請(qǐng)求，她希望能對(duì)消息m進(jìn)行簽名，因此將橢圓曲線的參數(shù)設(shè)計(jì)為D=(p,a,b,G,n,h)，其中對(duì)應(yīng)的密鑰對(duì)為(k,Q)，Q為公鑰，k為私鑰。Alice將按照如下步驟進(jìn)行簽名：

1） 產(chǎn) 生 一 個(gè) 隨 機(jī) 數(shù)d,1≤d≤n-1；

2）計(jì)算dG=(x1,y1)，將x1轉(zhuǎn)化為整數(shù)-x1；

3）計(jì)算r=-x1modn，若r=0，則轉(zhuǎn)向第1步；

4）計(jì)算d-1modn；

5）計(jì)算哈希值H(m)，并將得到的比特串轉(zhuǎn)化為整數(shù)e；

6）計(jì) 算s=d-1(e+kr)modn，若s=0，則轉(zhuǎn)向第1步；

7）(r,s)即為Alice對(duì)消息m進(jìn)行的簽名。

（2）驗(yàn)證數(shù)字簽名的過(guò)程

如果Bob收到消息m之后，他需要驗(yàn)證消息m的簽名(r,s)，在得到橢圓曲線參數(shù)和Q之后，將按以下步驟操作來(lái)驗(yàn)證數(shù)字簽名[8]：

1）首先驗(yàn)證r和s是區(qū)間[1,n-1]上的整數(shù)；

2）計(jì)算H(m)并將其進(jìn)行轉(zhuǎn)化變?yōu)檎麛?shù)e；

3）計(jì)算w=s-1modn；

4） 計(jì) 算u1=ewmodn以 及u2=rwmodn；

5）計(jì)算X=u1G+u2Q；

6）若X=0，則拒絕該簽名的有效性，否則將X的x坐標(biāo)x1轉(zhuǎn)化為整數(shù)并計(jì)算

7）當(dāng)且僅當(dāng)v=r時(shí)，簽名驗(yàn)證可以通過(guò)。

利用ECDSA算法，將認(rèn)證信息進(jìn)行數(shù)字簽名，確保了每條認(rèn)證消息都是由正確的用戶發(fā)表的，防止他人假冒，還可以保證數(shù)據(jù)的完整性。在整個(gè)認(rèn)證請(qǐng)求中，將不會(huì)有人對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行惡意篡改。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)用戶再發(fā)起認(rèn)證請(qǐng)求時(shí)，都會(huì)利用自己的私鑰簽名，其他節(jié)點(diǎn)收到認(rèn)證請(qǐng)求，也會(huì)一同參與簽名認(rèn)證的操作。如果認(rèn)證成功，將會(huì)將賬單記錄下來(lái)，完成認(rèn)證；否則將拒絕認(rèn)證請(qǐng)求。

1.5 共識(shí)方法

1.5.1 Gas——以太坊系統(tǒng)計(jì)算工作量的單位

Gas是以太坊系統(tǒng)中執(zhí)行交易所需要的計(jì)算工作量單位。所有的交易不論是轉(zhuǎn)賬交易，還是執(zhí)行智能合約，都要消耗Gas。Gas的價(jià)格由交易的發(fā)起人和礦工的工作量決定，交易打包進(jìn)區(qū)塊中需要礦工們進(jìn)行哈希運(yùn)算，礦工們付出了勞動(dòng)，因此需要收取一定的費(fèi)用。如果交易發(fā)起人設(shè)置的Gas價(jià)格過(guò)低，礦工們基本不會(huì)將交易打包進(jìn)區(qū)塊里；如果交易設(shè)定較高的Gas，該交易將會(huì)得到較高的優(yōu)先級(jí)。

1.5.2 以太坊的工作量證明和挖礦原理

工作量證明（PoW）的目的是阻止網(wǎng)絡(luò)攻擊，如當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下常出現(xiàn)的分布式拒絕服務(wù)攻擊（DDoS），就是用來(lái)發(fā)送許多假的請(qǐng)求以耗盡計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)資源，導(dǎo)致服務(wù)器宕機(jī)，真正的用戶則無(wú)法登錄到中心服務(wù)器上[9]。

PoW被定義為花費(fèi)計(jì)算機(jī)算力來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)校對(duì)的要求，俗稱“挖礦”。挖礦的目的有以下幾點(diǎn)：

（1）驗(yàn)證交易的合法性，避免出現(xiàn)多重交易的情況；

（2）用來(lái)獎(jiǎng)勵(lì)礦工所做出的計(jì)算工作；

（3）維護(hù)以太坊系統(tǒng)的正常安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

通過(guò)挖礦的方式解決PoW的數(shù)學(xué)難題具有不可逆的特征。從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，挖礦的過(guò)程就是一個(gè)不斷進(jìn)行的哈希運(yùn)算過(guò)程，它通過(guò)嘗試產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，找到滿足條件的隨機(jī)數(shù)后立即將區(qū)塊進(jìn)行打包并全網(wǎng)廣播，找到該隨機(jī)數(shù)的節(jié)點(diǎn)也是贏得本輪記賬權(quán)利的節(jié)點(diǎn)。該區(qū)塊將在整個(gè)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)廣播，進(jìn)行共識(shí)的達(dá)成。如果達(dá)成共識(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)將會(huì)將該區(qū)塊添加到自己的區(qū)塊鏈中，同時(shí)該礦工將會(huì)得到以太幣獎(jiǎng)勵(lì)。

隨機(jī)數(shù)的條件取決于系統(tǒng)設(shè)定的難度，例如：要求整個(gè)區(qū)塊加上隨機(jī)數(shù)計(jì)算出的哈希值要小于給定的值才算成功；而哈希值的產(chǎn)生沒(méi)有規(guī)律可循，只有算力越高的計(jì)算機(jī)才能更快得到符合條件的隨機(jī)數(shù)。

2 核心框架

2.1 數(shù)據(jù)層

2.1.1 數(shù)據(jù)區(qū)塊和鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)

首先，區(qū)塊是以太坊網(wǎng)絡(luò)的核心，所有的交易、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)都是在區(qū)塊頭中進(jìn)行的。不同的區(qū)塊頭之間通過(guò)頭指針（ParentHash）函數(shù)指向前一個(gè)區(qū)塊的頭指針，將它們串聯(lián)起來(lái)，形成單項(xiàng)鏈表。

區(qū)塊結(jié)構(gòu)分為區(qū)塊頭和區(qū)塊的數(shù)據(jù)部分這2個(gè)部分，源碼在以太坊的/core/types/block.go中，數(shù)據(jù)層的函數(shù)關(guān)系圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)層函數(shù)關(guān)系圖

其中，區(qū)塊的結(jié)構(gòu)體定義為：

type Block struct

2.1.2 Merkle樹的使用

在以太坊中使用的是Merkle樹的改進(jìn)樹（MPT），也是二叉樹的一種。節(jié)點(diǎn)的值是它相連2個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)值的哈希。Merkle樹用于所有交易正確性的驗(yàn)證，而MPT則大大提高了查找效率。樹的構(gòu)造代碼在以太坊源碼的trie/trie.go中，關(guān)鍵代碼如下。

首先是從根節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遍歷：

if(t.db==nil){...}//如果數(shù)據(jù)已經(jīng)存在數(shù)據(jù)，返回

return t.CommitTo(t.db)//父節(jié)點(diǎn)沒(méi)有數(shù)據(jù)，就調(diào)用下面的函數(shù)寫數(shù)據(jù)

查找、插入、刪除都是在trie/trie.go里進(jìn)行使用的。

2.1.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的實(shí)現(xiàn)

以太坊的數(shù)據(jù)存放在StateDB中。StateDB是以太坊的數(shù)據(jù)庫(kù)，負(fù)責(zé)本地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)，還負(fù)責(zé)連接到底層的數(shù)據(jù)庫(kù)，它使用二級(jí)緩存機(jī)制來(lái)存儲(chǔ)賬戶的相關(guān)數(shù)據(jù)。

StateDB的相關(guān)代碼在core/state/statedb.go中，其定義的結(jié)構(gòu)體以及作用為：DataBase類型的DB用于存放數(shù)據(jù)，Tire類型的tire用于存放MPT樹，stateObject表示以太坊賬戶，其中在stateObject中也有二級(jí)緩存機(jī)制，主要用來(lái)緩存和更新以太坊帳戶。

整個(gè)以太坊網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)作結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 以太坊網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)作結(jié)構(gòu)

2.2 網(wǎng)絡(luò)層

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)層傳輸協(xié)議

當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)有新的數(shù)據(jù)區(qū)塊產(chǎn)生，該節(jié)點(diǎn)將會(huì)進(jìn)行全網(wǎng)廣播，其他收到請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)將會(huì)進(jìn)行驗(yàn)證。一個(gè)節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建一個(gè)新的區(qū)塊，該新區(qū)塊很快會(huì)被發(fā)到網(wǎng)絡(luò)上所有的節(jié)點(diǎn)，然后每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要驗(yàn)證這個(gè)新的區(qū)塊，驗(yàn)證其真實(shí)性。經(jīng)驗(yàn)證后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)才會(huì)添加這個(gè)新的區(qū)塊到區(qū)塊鏈，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)達(dá)成共識(shí)，一起決定哪個(gè)區(qū)塊有效而哪個(gè)無(wú)效，擅自篡改的區(qū)塊會(huì)被網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)拒絕[10]。

在節(jié)點(diǎn)之間傳播數(shù)據(jù)時(shí)，采用加密網(wǎng)絡(luò)和傳輸協(xié)議（RLPx）加密握手協(xié)議。該協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)層的上層，在以太坊網(wǎng)絡(luò)中新的節(jié)點(diǎn)建立后，首先進(jìn)行端口監(jiān)測(cè)偵聽、節(jié)點(diǎn)間連接及通信交互，當(dāng)節(jié)點(diǎn)間都建立了連接，將會(huì)通過(guò)Msg的格式進(jìn)行通信。每次在通信的過(guò)程中，都會(huì)做出如圖7所示的判斷，以確保握手協(xié)議運(yùn)作正常，如果運(yùn)作不正常，將會(huì)失去對(duì)該節(jié)點(diǎn)的連接。

RLPx加密握手協(xié)議的具體流程如圖8所示。

2.2.2 數(shù)據(jù)驗(yàn)證機(jī)制

P2P網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，只要在線，都在隨時(shí)監(jiān)測(cè)偵聽其他節(jié)點(diǎn)的認(rèn)證請(qǐng)求，驗(yàn)證區(qū)塊數(shù)據(jù)的具體一些步驟如下：

（1）負(fù)責(zé)識(shí)別網(wǎng)絡(luò)中廣播的數(shù)據(jù)和區(qū)塊；

（2）如果接收到相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的認(rèn)證，將會(huì)對(duì)認(rèn)證請(qǐng)求進(jìn)行分析，將檢查數(shù)據(jù)的完整性、語(yǔ)法的規(guī)范性、數(shù)字簽名是否正確等方面來(lái)校驗(yàn)交易數(shù)據(jù)是否有效；

圖7 RLPx加密握手協(xié)議的建立

圖8 RLPx加密握手協(xié)議的流程

（3）如果數(shù)據(jù)有效，將會(huì)把數(shù)據(jù)放入存儲(chǔ)池中，即將認(rèn)證請(qǐng)求記錄到本地，同時(shí)向相鄰節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)；

（4）如果數(shù)據(jù)無(wú)效，將會(huì)立即放棄該數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)不會(huì)在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中傳播。

2.2.3 P2P網(wǎng)絡(luò)的具體實(shí)現(xiàn)

以太坊的P2P網(wǎng)絡(luò)主要使用以下幾個(gè)工具實(shí)現(xiàn)。

（1）Discover：使用了 Kademlia協(xié)議，用于使用UDP的P2P節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)的協(xié)議；

（2）discv5：用于發(fā)現(xiàn)新節(jié)點(diǎn)；

（3）nat：網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換工具；

（4）netutil：有關(guān)網(wǎng)絡(luò)連接的工具；

（5）simulations：P2P網(wǎng)絡(luò)測(cè)試工具。

P2P網(wǎng)絡(luò)非常復(fù)雜，如果要使用它，就必須要包含節(jié)點(diǎn)查找、節(jié)點(diǎn)維護(hù)、節(jié)點(diǎn)建立連接的功能。在database.go文件中，newNodeDB函數(shù)用來(lái)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采用了Keccak-256的簽名哈希算法。以下是一些關(guān)鍵函數(shù)。

（1）查找節(jié)點(diǎn)的函數(shù)：func(db*nodeDB)node(id NodeID)*Node；

（2）插入數(shù)據(jù)的函數(shù)：func(db*nodeDB)updateNode(node*Node)；

（3）刪除數(shù)據(jù)的函數(shù)：func(db*nodeDB)deleteNode(id NodeID)。

連接超時(shí)的處理辦法，即如果發(fā)現(xiàn)有個(gè)節(jié)點(diǎn)接收消息的時(shí)間超出了設(shè)定的值，那么就刪除節(jié)點(diǎn)不再連接，關(guān)鍵代碼如下：

2.3 共識(shí)層

2.3.1 PoW的機(jī)制

PoW通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算得到記賬權(quán)，但是每次要達(dá)成全網(wǎng)共識(shí)，都需要全網(wǎng)一起參與運(yùn)算。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)作了以下規(guī)定，使認(rèn)證步驟準(zhǔn)確進(jìn)行：

（1）所有連接到以太坊網(wǎng)絡(luò)的地址都應(yīng)該分為已被認(rèn)證的和未被認(rèn)證的；

（2）已認(rèn)證的節(jié)點(diǎn)可以變成沒(méi)有經(jīng)過(guò)認(rèn)證的，沒(méi)有經(jīng)過(guò)認(rèn)證的節(jié)點(diǎn)也可以變成已認(rèn)證的；

（3）一條認(rèn)證請(qǐng)求包括認(rèn)證的地址、認(rèn)證的狀態(tài)等；

（4）認(rèn)證成功之后不能再進(jìn)行第2次認(rèn)證。

2.3.2 共識(shí)記賬的設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)方案的認(rèn)證流程如下：

（1）請(qǐng)求的生成。以太坊的客戶端持續(xù)監(jiān)測(cè)偵聽，如果網(wǎng)站調(diào)用了認(rèn)證請(qǐng)求，那么客戶端將會(huì)向全網(wǎng)進(jìn)行廣播。Alice使用她的私鑰對(duì)認(rèn)證請(qǐng)求進(jìn)行簽名，并在認(rèn)證請(qǐng)求的末尾處添加簽名，以便能夠讓其他節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行校驗(yàn)。

（2）請(qǐng)求的廣播。Alice將認(rèn)證的請(qǐng)求向全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)廣播，其他的節(jié)點(diǎn)將會(huì)收到并將共同參與數(shù)字簽名的校驗(yàn)。若正確，則將其納入到礦工自己的區(qū)塊中；若不正確，則丟棄。

（3）區(qū)塊的生成。每當(dāng)間隔一段時(shí)間，所有的節(jié)點(diǎn)通過(guò)挖礦進(jìn)行PoW，通過(guò)解決數(shù)學(xué)難題來(lái)贏得記賬的權(quán)利，此過(guò)程也是所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行區(qū)塊同步校對(duì)的過(guò)程。

（4）區(qū)塊的廣播。如果有節(jié)點(diǎn)通過(guò)算力找到了符合條件的隨機(jī)數(shù)，將會(huì)向全網(wǎng)廣播，該節(jié)點(diǎn)將是下個(gè)區(qū)塊的創(chuàng)建者，并會(huì)獲得獎(jiǎng)勵(lì)；

（5）區(qū)塊寫入賬本。將對(duì)所有節(jié)點(diǎn)成功解出數(shù)學(xué)難題的廣播答案進(jìn)行驗(yàn)證，如果正確，它會(huì)將該區(qū)塊納入自己的賬本中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)同步進(jìn)行；否則，將丟棄該區(qū)塊。

2.3.3 共識(shí)記賬的實(shí)現(xiàn)

共識(shí)層的代碼在consensus/路徑中，本節(jié)具體介紹共識(shí)記賬的實(shí)現(xiàn)。

prepare函數(shù)主要用來(lái)處理區(qū)塊頭部信息，其定義如下：

diff=(parent_diff+(parent_diff/2048 * max(1- (block_timestampparent_timestamp)/10,-99)))+ 2^(periodCount-2)

其中parent_diff表示上一區(qū)塊的難度；block_timestamp表示當(dāng)前區(qū)塊的時(shí)間戳；parent_timestamp表示上一區(qū)塊的時(shí)間戳；periodCount表示區(qū)塊數(shù)量。

結(jié)合官方的文檔，在測(cè)試階段，調(diào)節(jié)區(qū)塊難度的值為一個(gè)較低的值，讓登錄認(rèn)證的交易盡快被礦工打包，避免用戶長(zhǎng)時(shí)間等待，同時(shí)方便調(diào)試和使用。難度設(shè)定需基于創(chuàng)世區(qū)塊（創(chuàng)世區(qū)塊是指區(qū)塊鏈的第1個(gè)區(qū)塊，它是構(gòu)建整個(gè)區(qū)塊鏈系統(tǒng)的基礎(chǔ)）。

seal函數(shù)用于處理挖礦的工作，需要一直遞歸調(diào)用，直到解決問(wèn)題，解決問(wèn)題之后退出。seal函數(shù)具有以下幾點(diǎn)作用：

（1）根據(jù)區(qū)塊頭部的信息中的挖礦難度系數(shù)來(lái)處理計(jì)算目標(biāo)值。

（2）選取隨機(jī)數(shù)和區(qū)塊頭的哈希值，進(jìn)行哈希運(yùn)算。如果結(jié)果小于目標(biāo)值，那么表示挖礦成功，自動(dòng)退出；否則，則繼續(xù)循環(huán)進(jìn)行哈希運(yùn)算。

（3）如果從外部收到了這個(gè)塊，表示其他人已經(jīng)挖礦成功并且已經(jīng)得到了塊，那么就會(huì)馬上放棄打包當(dāng)前塊。

（4）Finalize函數(shù)表示挖礦成功之后獎(jiǎng)勵(lì)的事，它可以計(jì)算礦工的獎(jiǎng)勵(lì)，使礦工得到獎(jiǎng)勵(lì)。

verifyHeader函數(shù)主要用來(lái)校驗(yàn)區(qū)塊的時(shí)間戳、校驗(yàn)難度值、校驗(yàn)區(qū)塊的gas。

VerifySeal函數(shù)主要用來(lái)驗(yàn)證區(qū)塊頭部的簽名信息。

2.4 接口層

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)使用的是以太坊的go-ethereum客戶端來(lái)連接到自己搭建的以太坊私有網(wǎng)絡(luò)，它提供的應(yīng)用程序編程接口（API）可以給本設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)用，并用來(lái)創(chuàng)建新地址，驗(yàn)證數(shù)字簽名、支付和轉(zhuǎn)賬、查看余額等。接口層包含了以太坊智能合約腳本、分布式計(jì)算、驗(yàn)證加密簽名和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的技術(shù)。所有的請(qǐng)求數(shù)據(jù)通過(guò)post傳遞，使用json參數(shù)傳遞。

解析一個(gè)請(qǐng)求的具體的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1）首先要對(duì)json數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)例化，使用NewJSONCodec編碼器；

（2）通過(guò)NewJSONCodec編碼器將請(qǐng)求轉(zhuǎn)換為jsonRequest，并且獲取參數(shù)有關(guān)服務(wù)名（service_name）、服務(wù)方法（service_method）和 數(shù) 據(jù) 片 段（params）；

（3）通過(guò)服務(wù)名（service_name）和服務(wù)方法（service_method），查找已經(jīng)注冊(cè)的rpc服務(wù)；

（4）向rpc服務(wù)進(jìn)行請(qǐng)求，之后的操作都在rpc服務(wù)中進(jìn)行；

（5）rpc返回結(jié)果，接著對(duì)json序列化，返回結(jié)果值。

例如：本設(shè)計(jì)系統(tǒng)使用Ethereum客戶端賬，在向rpc服務(wù)發(fā)送請(qǐng)求時(shí)，設(shè)定service_name為指定以太坊的服務(wù)名，并設(shè)定service_method為sendRawTransaction，通過(guò)調(diào)用 rpc服務(wù)，返回的結(jié)果是TxnHash字符串的json數(shù)據(jù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)方案最大的創(chuàng)新之處在于身份識(shí)別系統(tǒng)基于以太坊智能合約技術(shù)，立足于傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的現(xiàn)狀，解決了中心化管理的麻煩，以及用戶信息容易被篡改、被黑客盜用，中心服務(wù)器被攻擊等事關(guān)國(guó)家信息安全痛點(diǎn)的問(wèn)題。

在本設(shè)計(jì)中，認(rèn)證請(qǐng)求者向系統(tǒng)提出認(rèn)證請(qǐng)求，服務(wù)器節(jié)點(diǎn)在收到請(qǐng)求后，采用認(rèn)證方案對(duì)識(shí)別認(rèn)證者的請(qǐng)求，同時(shí)將認(rèn)證信息加入到認(rèn)證區(qū)塊鏈中。這個(gè)過(guò)程解決了分布式賬本的一致性和安全性問(wèn)題，不需要第三方中介的引入。

該系統(tǒng)具有以下創(chuàng)新特點(diǎn)：

（1）去中心化，防止偽造。根據(jù)當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的需求，本系統(tǒng)使用P2P技術(shù)，改善了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。所有的數(shù)據(jù)通過(guò)分布式存儲(chǔ)保存在各個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)用戶都是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)的共識(shí)，完成身份識(shí)別，不依賴第三方。

（2）數(shù)據(jù)校驗(yàn)，真實(shí)可信。結(jié)合以太坊改進(jìn)之后的MPT樹，以及通過(guò)RLPx加密握手協(xié)議，并充分利用ECDSA的非對(duì)稱加密的優(yōu)勢(shì)，避免了黑客通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸作弊的行為。整個(gè)認(rèn)證過(guò)程由節(jié)點(diǎn)們共同完成，使數(shù)據(jù)真實(shí)可信。

（3）安全性高，黑客止步。基于區(qū)塊鏈的去中心化特點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的地位都是對(duì)等的，即使某個(gè)或者部分節(jié)點(diǎn)被摧毀都不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的安全，也不會(huì)造成數(shù)據(jù)的丟失。黑客如果想篡改數(shù)據(jù)，需要攻擊、修改一半以上的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，這幾乎是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

（4）調(diào)用方便，拓展性高。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的接口層，通過(guò)json傳遞參數(shù)到以太坊客戶端，基于接口層方便調(diào)用的特點(diǎn)，可快速搭建更多不同開發(fā)語(yǔ)言的網(wǎng)站和程序，同時(shí)客戶端支持多個(gè)網(wǎng)站和程序，并調(diào)用獲取賬號(hào)的信息，實(shí)現(xiàn)了賬號(hào)的統(tǒng)一身份認(rèn)證。

（5）部署簡(jiǎn)單，用途廣泛。本設(shè)計(jì)方案可以部署在企業(yè)、政府機(jī)構(gòu)、教育結(jié)構(gòu)等，例如：在企業(yè)中，多個(gè)部門可以使用同一套以太坊網(wǎng)絡(luò)，無(wú)需在每個(gè)部門都進(jìn)行部署，支持跨多個(gè)部門，適合部署在大型企業(yè)中。

本設(shè)計(jì)仍然有很多的可拓展之處，除了身份認(rèn)證，還可以通過(guò)以太坊智能合約開發(fā)更多功能，例如：房屋出租、契約、貸款平臺(tái)等，能給使用者帶來(lái)顯著的安全效益、經(jīng)濟(jì)效益、管理效益、科研效益。