基于區(qū)塊鏈和動態(tài)累加器的跨域認(rèn)證方案

張 柯,黃曉芳

(西南科技大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 綿陽 621010)

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字經(jīng)濟的飛速發(fā)展，服務(wù)數(shù)字化的程度也在不斷提高。例如，人們經(jīng)常使用電子商務(wù)、在線支付、在線政務(wù)等，這些都需要可靠的安全機制進行保障，公鑰基礎(chǔ)設(shè)施(PKI,public key infrastructure)[1-2]利用公鑰技術(shù)和數(shù)字證書提供服務(wù)，能夠為用戶在開放環(huán)境中進行安全的通訊提供保障?，F(xiàn)有的證書頒發(fā)機構(gòu)(CA,certificate authority)其公鑰基礎(chǔ)設(shè)施可能使用不同的密鑰體系，不同的安全和認(rèn)證策略，導(dǎo)致需要各自維護自己的信任域[3]，當(dāng)單個信任域提供的服務(wù)無法滿足用戶的需求，用戶需要進行跨域訪問，由此出現(xiàn)跨域認(rèn)證問題。如何消除信任孤島，打通信任體系，實現(xiàn)各CA之間證書的互認(rèn)互通是亟需解決的問題。

國內(nèi)外已經(jīng)有大量的學(xué)者針對跨域認(rèn)證進行了相關(guān)研究，并取得了一些成果，提出了一系列跨域認(rèn)證模型。文獻[4]提出了PKI域間認(rèn)證模型，包括層次模型，網(wǎng)狀模型和橋CA模型等，但建立橋CA存在實際困難。顏海龍等人[5]提出了CA互信互認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)體系框架，制定了多CA兼容的數(shù)字證書格式，將現(xiàn)有的數(shù)字證書格式規(guī)范化。彭博等人[6]利用橋CA實現(xiàn)不同CA的交叉認(rèn)證，利用層次模型實現(xiàn)橋CA的互信，從理論上構(gòu)建了跨域認(rèn)證模型。以上研究成果表明，CA跨域認(rèn)證仍然存在諸多問題有待解決。

區(qū)塊鏈作為驅(qū)動比特幣的底層技術(shù)，其具有去中心化，防篡改，透明化的特性。其本質(zhì)是一個分布式不可篡改的賬本，底層依靠共識機制，點對點傳輸，加密算法等組合而成。區(qū)塊鏈?zhǔn)前凑諘r間順序?qū)?shù)據(jù)以一定的方式進行組合并形成的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，將用戶的身份信息存入?yún)^(qū)塊鏈中，能夠確保數(shù)據(jù)的安全和非法篡改。W.Wang等人[7]首次提出了基于區(qū)塊鏈的跨域認(rèn)證模型，隨著區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)量不斷增大，存在著用戶跨域認(rèn)證效率不高的問題，周致成等人[8]等針對傳統(tǒng)PKI跨域認(rèn)證方案的效率問題，通過與區(qū)塊鏈技術(shù)相結(jié)合，提出了基于區(qū)塊鏈的跨域認(rèn)證方案，減少了簽名與驗證的次數(shù)，提升了跨域認(rèn)證的效率，但用戶仍然需要申請對應(yīng)信任域證書，產(chǎn)生額外的證書開銷，同時撤銷需要多次操作區(qū)塊鏈，效率不高。為了提升異構(gòu)域的認(rèn)證效率，馬曉婷等人[9]提出了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的跨異構(gòu)域認(rèn)證方案，實現(xiàn)了PKI域和IBC域之間高效安全的通訊，簡化了重認(rèn)證過程，降低了用戶端計算量。黃穗等人[10]針對區(qū)塊鏈跨域認(rèn)證效率低的問題，提出了利用布谷鳥過濾器提升證書的查詢效率，但其存在著誤刪的情況，難以適應(yīng)重要場合的跨域認(rèn)證場景。

針對以上問題，本文提出了基于區(qū)塊鏈和動態(tài)累加器的跨域認(rèn)證方案，通過將不同的CA加入到區(qū)塊鏈中作為分布式信任中心，消除了傳統(tǒng)CA中心化信任的弊端。通過利用智能合約構(gòu)造動態(tài)累加器，避免了傳統(tǒng)區(qū)塊鏈跨域認(rèn)證中證書的操作難題，提升了跨域認(rèn)證效率，減少證書存儲開銷，實現(xiàn)證書的高效查詢、注冊和撤銷操作。

1 相關(guān)技術(shù)

1.1 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N去中心化的分布式不可篡改賬本[11]，將數(shù)據(jù)按照時間先后順序組合而成的塊鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，依托密碼學(xué)方式保證區(qū)塊鏈的防篡改和不可偽造，通過共識機制將數(shù)據(jù)寫入到區(qū)塊鏈中，保證數(shù)據(jù)的一致性，利用智能合約進行數(shù)據(jù)的處理，能夠在不安全的環(huán)境中進行可靠的信息交換，實現(xiàn)不同實體之間的信任傳遞[12]。

智能合約[13]是具有自動執(zhí)行協(xié)議能力的計算機協(xié)議，合約包含可執(zhí)行的代碼和數(shù)據(jù)兩部分，允許用戶通過智能合約對區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)進行相關(guān)的操作并對用戶的輸入和輸出結(jié)果做出響應(yīng)。比特幣(BTC,Bitcoin)中的智能合約使用依靠的是UTXO(unspent transaction outputs)模型，但合約功能有限，只能實現(xiàn)交易功能。以太坊依靠以太坊虛擬機(EVM,Ethereum virtual machine)運行智能合約，通過合約地址進行智能合約的調(diào)用與執(zhí)行，消耗GAS作為智能合約執(zhí)行成本。超級賬本(Hyperledger)中鏈碼(Chaincode)支持多種語言，其被編譯成一個獨立的應(yīng)用程序，運行于隔離的Docker容器中。

通過將區(qū)塊鏈跨域認(rèn)證協(xié)議和密碼累加器機制結(jié)合，利用智能合約構(gòu)造出動態(tài)累加器，將區(qū)塊鏈證書指紋存入動態(tài)累加器中，各節(jié)點通過共識機制將數(shù)據(jù)寫入到區(qū)塊鏈賬本中，能夠降低證書存儲成本。

1.2 動態(tài)累加器

密碼學(xué)累加器[14]最早是由 Josh Benaloh 和 Michael de Mare 提出的，它能夠?qū)σ唤M元素進行綁定操作，并能夠?qū)现械娜魏卧靥峁┖喍痰某蓡T關(guān)系或者非成員關(guān)系證明。相較于其他累加器，動態(tài)累加器[15-16]能夠?qū)崿F(xiàn)添加或移除成員時間復(fù)雜度不會隨著累加器中成員的數(shù)量增加而增加，其時間復(fù)雜度為O(1)[16]，具有高效的成員添加和刪除效率。Wang P等人[17]給出了動態(tài)累加器的定義，下面給出動態(tài)累加器的形式化描述。

KeyGen(k,M)：為了實例化參數(shù)而執(zhí)行的概率算法，將安全參數(shù)k和上限M作為入?yún)?，將累加器參?shù)P=(Pu,Pr)作為返回結(jié)果，其中Pu表示累加器的公鑰，Pr表示累加器的私鑰。

AccVal(L,P)：用于計算累加值的概率算法，通過入?yún)和一組元素L={c1,c2,....,cm}(1

WitGen(ac,Al,P)：見證生成算法，為每一個元素創(chuàng)建成員見證的概率算法。輸入ac、Al和參數(shù)P，輸出對于每一個ci(i=1,2,....,m)的見證值。

Verify(c,W,v,Pu)：驗證算法，用來驗證給定的值是否為成員身份的確定性算法。輸入元素c、證據(jù)W、累加值v和公鑰Pu，通過證據(jù)W來驗證c是否被累計入v，返回YES或者NO。

DelEle(L+,ac,v,P):從累加值中刪除某些元素的概率算法，將表示為待刪除的元素L-={c1-,c2-,....,ci-}(L-?L,1≤i≤M-m)，輔助信息ac，累加值v和參數(shù)P作為入?yún)?，返回新的累加值v′保持和集合LL-一致，更新輔助信息ac和au。

2 基于區(qū)塊鏈和動態(tài)累加器跨域認(rèn)證方案

本文采用區(qū)塊鏈3種類型之一的聯(lián)盟鏈，其具有拓展性強和共識速度快等特點，適合跨域認(rèn)證場景下大規(guī)模認(rèn)證操作，鏈上各CA節(jié)點需要經(jīng)過授權(quán)才能夠加入，CA節(jié)點作為各個信任域的根信任節(jié)點，主要作用是負(fù)責(zé)驗證用戶身份的真實性和頒發(fā)區(qū)塊鏈證書，同時接受跨域認(rèn)證用戶的請求，生成區(qū)塊鏈跨域認(rèn)證證書。區(qū)塊鏈賬本數(shù)據(jù)無需中心化的可信中心，通過多個CA節(jié)點共同維護，寫入賬本的數(shù)據(jù)需要大多數(shù)節(jié)點的同意，區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)是公開透明的，避免了傳統(tǒng)基于PKI的數(shù)字證書存在的中心化信任和透明度缺失的問題。針對不同CA下用戶跨域認(rèn)證問題，通過與區(qū)塊鏈技術(shù)結(jié)合，形成統(tǒng)一的區(qū)塊鏈證書，解決了傳統(tǒng)跨域認(rèn)證中存在的證書路徑復(fù)雜，交叉互信難，單點故障問題。利用區(qū)塊鏈將各CA形成統(tǒng)一的信任聯(lián)盟，使得用戶持有的區(qū)塊鏈證書在不同信任域中得到認(rèn)可，消除信任孤島，提升跨域認(rèn)證的效率，降低證書的管理成本。通過引入動態(tài)累加器提高身份認(rèn)證的效率，降低節(jié)點的存儲開銷。本章主要設(shè)計了區(qū)塊鏈證書模型和跨域認(rèn)證協(xié)議。

2.1 區(qū)塊鏈證書

區(qū)塊鏈證書相較于傳統(tǒng)的數(shù)字證書[2]，減少了簽名模塊部分，減輕了CA節(jié)點計算驗證的壓力。同時為了滿足動態(tài)累加器的需求，在文獻[7]提出的區(qū)塊鏈證書基礎(chǔ)上引入了當(dāng)前累加值到區(qū)塊鏈證書中。本文設(shè)計的區(qū)塊鏈證書如圖1所示。

2.2 協(xié)議設(shè)計

傳統(tǒng)的基于區(qū)塊鏈的跨域認(rèn)證模型[7]需要對區(qū)塊鏈進行查詢操作，隨著區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的增加，查詢耗時會線性增長，針對跨域認(rèn)證中高并發(fā)的場景下，現(xiàn)有的方案無法進行高效的查詢和插入操作的問題，結(jié)合密碼學(xué)累加器，設(shè)計基于區(qū)塊鏈和累加器的跨域認(rèn)證流程，認(rèn)證流程如圖2所示。

1)UA→BCAB：用戶UA向CAB發(fā)送區(qū)塊鏈跨域認(rèn)證請求。

2)BCAB→UA:{R1}：CAB節(jié)點收到請求響應(yīng)后，將生成的隨機數(shù)R1發(fā)送給UA。

3)UA→BCAB：{BCertA,SignpriUA(R1),R1}：UA將自己的區(qū)塊鏈證書和CAB傳遞過來的R1進行簽名值以及R1返回給CAB。

4)BCAB→BCAA:{GetCertCAA,R2}：CAB通過證書驗證簽名值是否有效，檢查BCertA是否過期，根據(jù)證書中的頒發(fā)者向CAA節(jié)點請求獲得CAA根節(jié)點區(qū)塊鏈證書和隨機數(shù)R2。

5)BCAA→BCAB:{BCertCAA,R2}：CAA節(jié)點收到來自CAB節(jié)點的請求后，返回給CAB自己的證書和隨機數(shù)R2。

6)BC→BCAB:{BcertA,CAB}：將生成的跨域證書BCertA,CAB發(fā)送給CAB并將生成的哈希值通過節(jié)點之間的共識算法寫入到區(qū)塊鏈中。

7)BCAB→UA:{BcertA,CAB}：CAB將跨域證書BCertA,CAB發(fā)送UA，完成UA和CAB之間的跨域認(rèn)證。

3 關(guān)鍵智能合約設(shè)計

傳統(tǒng)區(qū)塊鏈查詢數(shù)據(jù)的方式需要遍歷整個區(qū)塊鏈，隨著區(qū)塊鏈的體積不斷增大，查詢效率會變得低下。本文通過利用智能合約構(gòu)造動態(tài)累加器，將遍歷區(qū)塊鏈中數(shù)據(jù)的方式替換為證明成員在累加器中，使得查詢的時間復(fù)雜度從O(n)能夠降低至O(1)，降低了查詢耗時，提升了跨域認(rèn)證的效率。

本章主要描述了基于Hyperledger Fabric進行基于智能合約實現(xiàn)動態(tài)累加器的區(qū)塊鏈證書成員添加，區(qū)塊鏈證書成員證明，區(qū)塊鏈證書成員刪除的鏈碼實現(xiàn)。

3.1 區(qū)塊鏈跨域證書添加

當(dāng)節(jié)點成功驗證用戶身份后，從區(qū)塊鏈賬本中讀取當(dāng)前累加器對象，通過用戶提交的證書信息生成區(qū)塊鏈證書，并通過sha256(cert)生成證書的指紋和隨機數(shù)n，使得mem=H(sha256(cert),n)滿足裴蜀定理，動態(tài)累加器首先通過成員搜索函數(shù)verifyMembership驗證當(dāng)前待添加的證書是否已經(jīng)存在，若未存在則動態(tài)累加器acc通過proveMembership計算并生成新的累加值accValue和用戶身份信息對應(yīng)見證witness。算法描述如算法1所示：

算法1：區(qū)塊鏈跨域證書添加

1)Input: ctx,certValue

2)Output: accVaule,witness

3)ChaincodeStub stub = ctx.getStub();

4)byte[] ojectBytes = stub.getState(Accumulator.class.getSimpleName());

5)Accumulator acc = deserialize(ojectBytes);

6)Integer mem = H(sha256(cert),n)

7)witness1=acc .proveMembership(sha256(cert,n));

8)return accVaule,witness;

3.2 區(qū)塊鏈跨域證書驗證

用戶將區(qū)塊鏈證書cert、見證值witness、當(dāng)前證書累加值value傳遞給節(jié)點，節(jié)點讀取賬本的數(shù)據(jù)，反序列化動態(tài)累加器對象，通過傳入的cert，n，生成區(qū)塊鏈成員對象mem用來驗證區(qū)塊鏈證書是否在累加器中，若驗證通過返回true，驗證不通過返回false。其中value表示當(dāng)前累加器值，mem表示證書成員指紋，n表示隨機數(shù)由區(qū)塊鏈證書添加時生成，witness表示通過累加器生成的見證值。算法描述如算法2所示：

算法2：區(qū)塊鏈跨域證書成員驗證

1)Input: ctx,value,mem,witness

2)Output: 驗證響應(yīng) success/false

3)ChaincodeStub stub = ctx.getStub();

4)byte[] ojectBytes = stub.getState(Accumulator.class.getSimpleName());

5)Accumulator acc = deserialize(ojectBytes);

6)boolean verifyPass = acc.verifyMembership(value, mem,n, witness, acc.getN());

7)if(witness.modPow(mem,acc.getN()).comparteTo(A)==0){

8)return true;

9)}

10)return false;

3.3 區(qū)塊鏈證書刪除

首先從區(qū)塊鏈賬本中獲取當(dāng)前動態(tài)累加器對象，通過算法2驗證區(qū)塊鏈證書是否在累加器中，若驗證通過，從累加器中去掉該成員后重新計算累加器的值，返回刪除區(qū)塊鏈證書成員操成功響應(yīng)當(dāng)前并通過區(qū)塊鏈節(jié)點共識將累加器寫入到賬本中，若驗證失敗則返回刪除成員失敗，終止操作。

算法3：區(qū)塊鏈證書刪除

1)Input:ctx,mem

2)Output: 刪除響應(yīng) success/false

3)ChaincodeStub stub = ctx.getStub();

4)byte[] ojectBytes = stub.getState(Accumulator.class.getSimpleName())

5)Accumuldator acc = deserialize(ojectBytes);

6)BigInteger product = BigInteger.ONE;

7)for(BigInteger cert:certs){

8)product =product.multiply(H(sha256(cert),cert.getNonce())

9)}

10)acc.value = acc.value.modPow(product,acc.getN())

11)return acc.value;

4 安全性分析及實驗

4.1 安全性分析

4.1.1 證書存儲安全性

將區(qū)塊鏈證書經(jīng)過Hash(bcer)=m后存儲在區(qū)塊鏈上，Hash函數(shù)的單向性保證了攻擊者無法通過m反推cert，通過Hash的抗碰撞性能夠保證選擇任意的區(qū)塊鏈證書bcert1和bert2，使得Hash(bcert1)=bcert2是計算上不可行的。

4.1.2 累加器安全性

本文的動態(tài)累加器基于強RSA假設(shè)，在該假設(shè)下尋找滿足條件的f(w,m)=wmmodn的問題是多項式時間內(nèi)難解的。如果存在攻擊者C能夠找到一組v=f(x,y),使得v=f(x,y)=wmmodn，其中n是由兩個大素數(shù)產(chǎn)生，那么強RSA假設(shè)不成立。因此在強RSA假設(shè)下，給定v,m，找到一個w使得v=f(x,y)是困難的，所以動態(tài)累加器f(w,m)=wmmodn是一個安全的累加器。

4.1.3 非法跨域認(rèn)證安全性分析

跨域認(rèn)證中存在著非授權(quán)的跨域認(rèn)證等安全性問題。因此，為了防止非授權(quán)用戶進行跨域認(rèn)證，在跨域認(rèn)證中，用戶與目標(biāo)節(jié)點會通過挑戰(zhàn)-應(yīng)答方式驗證用戶身份的合法性，目標(biāo)節(jié)點會校驗用戶提供的證書和源跨域CA節(jié)點進行比對，確保需要驗證的隨機數(shù)和目標(biāo)節(jié)點保存的隨機數(shù)一致，確保用戶的證書由源節(jié)點簽發(fā)的同時起到了防止重放攻擊的效果，同時在區(qū)塊鏈證書的拓展項中加入節(jié)點白名單，只有當(dāng)跨域認(rèn)證用戶的區(qū)塊鏈證書里包含了目標(biāo)節(jié)點的唯一ID，用戶才能夠與目標(biāo)節(jié)點進行跨域認(rèn)證操作，從而杜絕了用戶非法進行跨域認(rèn)證操作的可能。

4.2 實驗

4.2.1 實驗環(huán)境

實驗開發(fā)環(huán)境為AMD Ryzen 5 2600X 3.60 GHz CPU 和24 GB內(nèi)存的PC機。利用VMware Workstation Pro 10.0.177 63創(chuàng)建虛擬機，并在虛擬機中通過Docker創(chuàng)建節(jié)點，為每個peer節(jié)點分配1 G內(nèi)存和10 G存儲空間。Hyperledger Fabric版本為2.2.0，鏈碼使用Java 1.8開發(fā)，Docker版本為19.03.13。

4.2.2 實驗比較

實驗開始前，先批量創(chuàng)建區(qū)塊鏈跨域證書3000條作為測試數(shù)據(jù)集，其中 RSA動態(tài)累加器模數(shù)是一個長度為1 024的正整數(shù)，是由兩個通過Miller-Rabin素性檢測算法生成和的乘積。為了避免偶發(fā)性誤差，將實驗重復(fù)進行5次計算平均值。圖3表示查詢50，100，150，200張證書的平均耗時。表1表示不同文獻中的優(yōu)缺點比較。圖4表示不同方法在區(qū)塊鏈上的存儲成本比較。

表1 文獻優(yōu)缺點比較

通過證書查詢平均耗時看出，文獻[7]的查詢耗時隨著證書的個數(shù)增長而線性增長，本文的耗時隨著證書數(shù)量的增加波動不大，并且查詢10 000張證書耗時仍然為1秒左右，能夠滿足批量跨域認(rèn)證應(yīng)用場景，雖然查詢速度落后于文獻[10]，但文獻[10]存在著3%的誤判概率，這在一些重要的身份認(rèn)證場景是難以忽略的。同時，本文的證書存儲相較于其他方法，存儲的消耗約為其他方法的一半，隨著區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的增加，能夠進一步降低區(qū)塊鏈證書數(shù)據(jù)存儲的成本。綜上所述，本文將區(qū)塊鏈和動態(tài)累加器相結(jié)合，在避免誤判的前提下，提升了跨域認(rèn)證的效率，降低了證書的存儲成本。實現(xiàn)結(jié)果表明，該方法具備一定的有效性和可行性。

5 結(jié)束語

本文首先闡述了區(qū)塊鏈技術(shù)、動態(tài)累加器的相關(guān)知識。針對傳統(tǒng)的區(qū)塊鏈跨域身份認(rèn)證存在的證書查詢效率低下，重認(rèn)證耗時長的問題。提出了基于區(qū)塊鏈和動態(tài)累加器的跨域認(rèn)證方案，通過在智能合約中生成動態(tài)累加器，利用動態(tài)累加器的高效可驗證特性和成員元素支持動態(tài)添加和刪除的特點，構(gòu)造包含累加值的區(qū)塊鏈跨域證書，將證書的指紋作為成員值寫入到累加器中，通過區(qū)塊鏈共識機制共同維護累加器狀態(tài)，提升了鏈上數(shù)據(jù)龐大時的查詢效率，降低了證書存儲開銷。通過實驗數(shù)據(jù)進行分析比較，結(jié)果表明，該方法能夠有效提升跨域認(rèn)證效率，降低證書鏈上存儲成本。