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基于抗量子计算密码和混合共识机制的区块链的研究

2020-12-02阅读(347)

基于抗量子计算密码和混合共识机制的区块链的研究

论文摘要

区块链作为众多去中心化应用的底层支撑技术,由于其可追溯,不可篡改等特性受到了广泛的关注。它创造性地将密码学、分布式一致性算法和点对点网络融合在一起,对软件架构体系产生了深远影响。区块链在提供足够的安全性的同时能够解决各种中心化存在的问题。但是区块链并不是牢不可破的,自从它诞生之日起,就被各种安全威胁所笼罩。近年来随着量子信息研究的发展,量子计算机也在加快实用化步伐,一旦量子计算机突破实用化的瓶颈,其所拥有的强大的计算能力会对区块链安全带来毁灭性打击。我们通过分析量子计算机对区块链的安全问题,发现主要安全威胁集中在非对称公钥密码和依赖哈希函数的共识机制上。因此,本文对区块链中的非对称密码和共识机制进行研究,为区块链抵御量子计算威胁提供一种解决思路。本文提出了一种基于抗量子计算密码和混合共识机制区块链的方案,兼容当前区块链系统的同时提供抗量子特性。主要工作及创新点如下:（1）针对Rainbow签名方案密钥过大的问题,提出一种利用PRNG（PseudoRandom Number Generator）来缩短公钥的方案。该方案经过编程实现,并通过实验证明可以降低60%的公钥长度,公钥生成时间提高约20%。（2）综合分析了区块链共识机制存在的问题,提出一种基于DAG（Directed Acyclic Graph）存储结构的混合共识机制DPo S-RAFT,提高吞吐量的同时减少了量子计算对依赖Hash函数的共识机制的影响。（3）在以上研究成果的基础上实现了基于抗量子计算密码和混合共识机制的区块链系统证明了本文方案的可行性和有效性。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  •   1.1 研究背景与意义
  •   1.2 国内外研究现状
  •   1.3 论文研究内容
  •   1.4 论文组织结构
  • 第2章 抗量子密码体系和区块链理论基础
  •   2.1 抗量子计算密码体系
  •     2.1.1 基于多变量的密码体制
  •     2.1.2 基于格的密码体制
  •     2.1.3 基于编码的密码体制
  •     2.1.4 基于Hash的密码体制
  •   2.2 区块链技术基础
  •     2.2.1 区块链基本概念
  •     2.2.2 区块链技术架构
  •     2.2.3 区块链数据组织形式和密码学应用
  •   2.3 区块链共识机制
  •     2.3.1 PoW
  •     2.3.2 PoS
  •     2.3.3 DPoS
  •     2.3.4 PBFT
  •     2.3.5 Raft
  •     2.3.6 共识算法的对比
  •   2.4 本章小结
  • 第3章 区块链中抗量子计算密码的研究
  •   3.1 抗量子计算密码标准化进程
  •   3.2 现有抗量子计算密码方案的测试和选择
  •     3.2.1 选择要测试的抗量子密码方案
  •     3.2.2 后量子密码方案测试的考察因素
  •     3.2.3 主要抗量子密码方案特性比较
  •     3.2.4 测试思路与过程
  •     3.2.5 结果与分析
  •   3.3 多变量公钥签名方案Rainbow的改进方案
  •     3.3.1 基础Rainbow签名机制
  •     3.3.2 Light-Rainbow方案的预备知识
  •     3.3.3 Light-Rainbow方案的提出
  •     3.3.4 Light-Rainbow的安全性分析
  •     3.3.5 Light-Rainbow的实现与测试
  •   3.4 本章小结
  • 第4章 区块链混合共识机制的研究
  •   4.1 基于DAG的混合共识机制方案DPoS-RAFT
  •     4.1.1 DAG存储结构细节
  •     4.1.2 “权益+信用奖惩”机制
  •     4.1.3 网络模型
  •     4.1.4 算法过程概述
  •   4.2 DPoS-RAFT的分析和测试
  •     4.2.1 协议安全性分析
  •     4.2.2 协议测试
  •   4.3 本章小结
  • 第5章 基于抗量子计算密码和混合共识机制的区块链的设计与实现
  •   5.1 系统架构设计
  •     5.1.1 主要接口和数据结构设计
  •   5.2 系统实现方案
  •   5.3 系统实现方案的测试和对比
  •     5.3.1 吞吐量
  •     5.3.2 时延
  •     5.3.3 与主流区块链方案的对比
  •   5.4 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 攻读硕士研究生期间所发表的学术论文
  • 致谢

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 张树新

    导师: 杨宇光

    关键词: 区块链,多变量密码,抗量子计算,共识机制

    来源: 北京工业大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,信息科技

    专业: 物理学,电信技术,计算机软件及计算机应用

    单位: 北京工业大学

    分类号: TP311.13;TN918;O413

    DOI: 10.26935/d.cnki.gbjgu.2019.000259

    总页数: 71

    文件大小: 1788K

    下载量: 139

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