基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)驗(yàn)證和網(wǎng)絡(luò)安全研究

羅淏文　王小瓊

摘 要

區(qū)塊鏈技術(shù)通過(guò)構(gòu)建完整的驗(yàn)證過(guò)程進(jìn)行責(zé)任認(rèn)定，故區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的完整性、正確性檢測(cè)技術(shù)極為重要。除眾所周知的比特幣以外，區(qū)塊鏈技術(shù)還應(yīng)用在其他各個(gè)行業(yè)、各個(gè)領(lǐng)域，如金融、物流、保險(xiǎn)、數(shù)字版權(quán)等。涉及的領(lǐng)域越多，區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)安全研究就越重要。本文從算法、協(xié)議方面對(duì)區(qū)塊鏈安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，對(duì)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)正確性提供科學(xué)的驗(yàn)證方法，并從技術(shù)層面提出了區(qū)塊鏈安全應(yīng)對(duì)策略。

關(guān)鍵詞

區(qū)塊鏈;數(shù)據(jù)攻擊;網(wǎng)絡(luò)安全

中圖分類(lèi)號(hào)： R-05;TP311.13;TP309 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.010

1 區(qū)塊鏈技術(shù)概念與框架

1.1 區(qū)塊鏈的誕生

區(qū)塊鏈起源于一位自稱(chēng)中本聰（Satoshi Nakamoto）的學(xué)者發(fā)表了的論文《比特幣：一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的電子現(xiàn)金系統(tǒng)》。

比特幣作為第一個(gè)成功的虛擬貨幣，是數(shù)字貨幣生態(tài)系統(tǒng)概念和技術(shù)的組合，其原理包括P2P分布式網(wǎng)絡(luò)、哈希與Merkle樹(shù)、非對(duì)稱(chēng)加密算法、共識(shí)機(jī)制、時(shí)間戳等。區(qū)塊鏈技術(shù)作為比特幣底層的關(guān)鍵技術(shù)，有著去中心化、公開(kāi)透明的特點(diǎn)，讓每個(gè)人都參與到數(shù)據(jù)庫(kù)的建立。通過(guò)比特幣系統(tǒng)轉(zhuǎn)賬，信息公開(kāi)透明，每一筆轉(zhuǎn)賬信息都會(huì)被全網(wǎng)記錄，因此比特幣的問(wèn)世，代表著區(qū)塊鏈的1.0時(shí)代的到來(lái)。

1.2 區(qū)塊鏈框架

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N按照時(shí)間順序?qū)?shù)據(jù)區(qū)塊以鏈條的方式組合形成的特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。運(yùn)用密碼學(xué)，保證其數(shù)據(jù)的不可篡改的去中心化。區(qū)塊鏈技術(shù)利用加密的鏈?zhǔn)絽^(qū)塊來(lái)驗(yàn)證和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，利用P2P分布式網(wǎng)絡(luò)、共識(shí)機(jī)制將各個(gè)節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，并實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證、通信以及信任關(guān)系的建立，利用腳本代碼將技術(shù)與業(yè)務(wù)結(jié)合在一起，保證其具有復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯功能;同時(shí)可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化的操作，形成新的共同參與建立新的數(shù)據(jù)記錄、存儲(chǔ)形式。區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)框架如表1所示。

1.3 共識(shí)算法

1.3.1 PoW工作量證明

PoW（Proof of work）是最早的共識(shí)機(jī)制。也是比特幣系統(tǒng)運(yùn)行的重要算法之一。該算法通過(guò)工作量來(lái)獲得相應(yīng)的獎(jiǎng)勵(lì)，簡(jiǎn)而言之就是“多勞多得”。通過(guò)運(yùn)算計(jì)算出滿(mǎn)足規(guī)則的隨機(jī)數(shù)，即可獲得本次記賬權(quán)，發(fā)出本輪需要記錄的數(shù)據(jù)，全網(wǎng)其他節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證后一起存儲(chǔ)。

1.3.2 PoS權(quán)益證明

POS（Proof of stake）通過(guò)你所占代幣的比例和時(shí)間來(lái)給你相應(yīng)的利息。通過(guò)降低挖坑的難度，提高找隨機(jī)數(shù)的速度。參與權(quán)益證明過(guò)程中要求所有參與者抵押一部分token驗(yàn)證交易，該token會(huì)被鎖定，若驗(yàn)證著存在欺詐行為，則抵押token會(huì)減少。

1.3.3 DPos股份授權(quán)證明

DPos（Delegated proof of stake）通過(guò)不同策略在不同時(shí)間通過(guò)投票產(chǎn)生一小群節(jié)點(diǎn)，由這些節(jié)點(diǎn)來(lái)負(fù)責(zé)新區(qū)塊的創(chuàng)建、驗(yàn)證和監(jiān)督。

2 區(qū)塊鏈安全風(fēng)險(xiǎn)

2.1 算法安全風(fēng)險(xiǎn)

2.1.1 隨機(jī)數(shù)算法漏洞

對(duì)于區(qū)塊鏈而言，隨機(jī)算法十分重要，通常使用真隨機(jī)數(shù)或偽隨機(jī)數(shù)作為用戶(hù)資產(chǎn)的私鑰。比特幣私鑰使用的是SHA-256生成的256位隨機(jī)數(shù)。以現(xiàn)有的計(jì)算能力，幾乎不可能暴力破解。但如果隨機(jī)數(shù)生成器被操控，生成的隨機(jī)數(shù)就可以被預(yù)測(cè)，則私鑰可能被解密。

不同用戶(hù)在不同區(qū)域交易不同幣種時(shí)實(shí)現(xiàn)各自隨機(jī)算法的過(guò)程不同。有的使用瀏覽器服務(wù)端隨機(jī)數(shù)函數(shù)Random，有的使用高級(jí)語(yǔ)言庫(kù)函數(shù)Random生成隨機(jī)數(shù)，從而導(dǎo)致隨機(jī)數(shù)算法漏洞，發(fā)生被攻擊事件。同時(shí)，所有以用戶(hù)輸入作為隨機(jī)源的隨機(jī)數(shù)，都是有漏洞的。利用手動(dòng)輸入可以被修改，輸入的數(shù)量和組合可以被節(jié)點(diǎn)控制，節(jié)點(diǎn)完全有動(dòng)機(jī)和能力將隨機(jī)數(shù)改為適合自己的組合。

2.2 協(xié)議安全風(fēng)險(xiǎn)

2.2.1 共識(shí)機(jī)制協(xié)議漏洞

針對(duì)PoW共識(shí)機(jī)制，能源消耗大，可監(jiān)管性弱，如果有人能控制51%的算力，就會(huì)有被攻擊的風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)PoS共識(shí)機(jī)制，放棄了完整的去中心化，權(quán)益人可以獲得大量成本極低的加密貨幣，信用基礎(chǔ)不夠牢固。PoS對(duì)分叉沒(méi)有成本上的壁壘，也沒(méi)有經(jīng)濟(jì)上的懲罰，幾乎可以說(shuō)毫無(wú)抵抗硬分叉原鏈存活的能力。

2.2.2 共識(shí)機(jī)制安全性

共識(shí)機(jī)制的種類(lèi)很多，也有部分根據(jù)需要自發(fā)研發(fā)的共識(shí)機(jī)制。因此，共識(shí)機(jī)制能否被絕對(duì)信任還需要更長(zhǎng)時(shí)間的考驗(yàn)和證明。

3 如何驗(yàn)證區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)完整性和真實(shí)性

3.1 哈希算法

哈希算法是一種可以將任意長(zhǎng)度的二進(jìn)制數(shù)映射為較短的固定長(zhǎng)度的二進(jìn)制值，此二進(jìn)制值稱(chēng)為哈希值。哈希值具有單向性及唯一性的特點(diǎn)，進(jìn)而保證了其極強(qiáng)的抗篡改能力，對(duì)于任一數(shù)據(jù)塊，改動(dòng)一個(gè)比特位，其哈希值截然不同。作為一個(gè)單向非對(duì)稱(chēng)的加密函數(shù)，只有加密過(guò)程，沒(méi)有解密過(guò)程，區(qū)塊鏈技術(shù)將其特點(diǎn)應(yīng)用到節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換中，保證了數(shù)據(jù)的完整性和真實(shí)性。

3.2 區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)驗(yàn)證

以比特幣網(wǎng)絡(luò)中的一筆交易為例。在這筆交易中分為記錄交易節(jié)點(diǎn)1和驗(yàn)證交易節(jié)點(diǎn)2。

假設(shè)交易A在節(jié)點(diǎn)1處發(fā)出交易申請(qǐng)，節(jié)點(diǎn)1則負(fù)責(zé)記錄交易A中的具體數(shù)據(jù)。前提是此交易為合理合法的（在虛擬貨幣交易中，主要體現(xiàn)在買(mǎi)家是否有足夠余額支付）。節(jié)點(diǎn)1對(duì)交易A的數(shù)據(jù)進(jìn)行哈希運(yùn)算，生成交易哈希值1，再用自己的私鑰對(duì)哈希值進(jìn)行簽名加密，生成簽名信息。之后對(duì)外廣播，廣播內(nèi)容=交易信息A+簽名信息。

假設(shè)節(jié)點(diǎn)2收到節(jié)點(diǎn)1的廣播內(nèi)容，節(jié)點(diǎn)2通過(guò)節(jié)點(diǎn)1的公鑰對(duì)簽名信息進(jìn)行逆運(yùn)算，即解密過(guò)程，即可證明此簽名信息是否屬于節(jié)點(diǎn)1。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)2會(huì)對(duì)交易信息A進(jìn)行哈希運(yùn)算得到哈希值2，通過(guò)對(duì)比判斷哈希值1與哈希值2是否一致。如果一致則說(shuō)明數(shù)據(jù)傳輸無(wú)誤，如果不一致，則說(shuō)明數(shù)據(jù)發(fā)送了更改，無(wú)法驗(yàn)證成功，交易失敗。

4 區(qū)塊鏈安全應(yīng)對(duì)策略

區(qū)塊鏈技術(shù)在各個(gè)行業(yè)應(yīng)用廣泛，也從各個(gè)角度暴露了較多的安全威脅，針對(duì)這些安全威脅，可以通過(guò)一些科學(xué)的方法進(jìn)行預(yù)防和解決。

4.1 算法安全策略

盡可能用較高級(jí)的密碼學(xué)隨機(jī)數(shù)生成器來(lái)生成隨機(jī)數(shù)。對(duì)于隨機(jī)數(shù)的生成，從安全級(jí)別的方面講：內(nèi)核態(tài)（dev/urandom）優(yōu)于應(yīng)用態(tài)（各種高級(jí)語(yǔ)言庫(kù)中自動(dòng)生成的Random隨機(jī)數(shù)），更優(yōu)于各種瀏覽器自行封裝的Random解決方案;選用RFC6979規(guī)范生成隨機(jī)數(shù);加強(qiáng)對(duì)哈希函數(shù)本身的復(fù)雜度和抗攻擊性研究;盡可能研究能夠抵御量子攻擊的密碼學(xué)算法。

4.2 使用安全策略

區(qū)塊鏈用戶(hù)要保管好自己的私鑰。通常用戶(hù)會(huì)將私鑰存放在電子設(shè)備或者網(wǎng)盤(pán)中，因此成為黑客的攻擊目標(biāo)，利用漏洞盜取私鑰，轉(zhuǎn)移客戶(hù)的數(shù)字資產(chǎn)。為了確保用戶(hù)的私鑰時(shí)刻保持安全狀態(tài)，最好的辦法就是記在腦中或記錄在非聯(lián)網(wǎng)介質(zhì)上。

4.3 網(wǎng)絡(luò)安全策略

對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程要進(jìn)行加密。開(kāi)啟Jsonrpc節(jié)點(diǎn)強(qiáng)制使用https傳輸，而不是HTTP協(xié)議進(jìn)行傳輸;定期對(duì)使用的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境安全性進(jìn)行評(píng)測(cè);對(duì)于重要的步驟要有更強(qiáng)的驗(yàn)證手段。

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