可信區(qū)塊鏈隱私計(jì)算平臺(tái)研究與實(shí)現(xiàn)

隨著大數(shù)據(jù)、人工智能和云計(jì)算等技術(shù)的快速發(fā)展，產(chǎn)生了很多新的服務(wù)，需要采集用戶的相關(guān)信息，但對(duì)這些敏感信息的分析和利用可能導(dǎo)致用戶隱私的泄露，給用戶帶來(lái)巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)，因此，針對(duì)敏感數(shù)據(jù)的隱私計(jì)算需求已成為社會(huì)共同關(guān)注的焦點(diǎn)。如今，隱私計(jì)算技術(shù)深度融合多方安全計(jì)算、可信執(zhí)行環(huán)境、聯(lián)邦學(xué)習(xí)等技術(shù)，為可信計(jì)算、金融、醫(yī)療、大數(shù)據(jù)、電子拍賣等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)流通域中數(shù)據(jù)的“可用不可見(jiàn)”提供了有效的解決方案

。但目前隱私計(jì)算技術(shù)只能提供數(shù)據(jù)的“可用不可見(jiàn)”特性，因此如何保障隱私計(jì)算體系中數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)隱私計(jì)算結(jié)果的真實(shí)性，成為隱私計(jì)算發(fā)展的重要方向。目前隱私計(jì)算在金融、互聯(lián)網(wǎng)、公共服務(wù)、數(shù)字版權(quán)及保險(xiǎn)領(lǐng)域都有了廣泛應(yīng)用。區(qū)塊鏈技術(shù)為隱私計(jì)算的數(shù)據(jù)源流通過(guò)程中的不可篡改提供了技術(shù)保障。區(qū)塊鏈技術(shù)是一種按照時(shí)間順序?qū)?shù)據(jù)區(qū)塊以鏈條的方式組合成特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并以密碼學(xué)方式保證的不可篡改和不可偽造的去中心化總賬（Decentralized

ShardLedger），能夠安全存儲(chǔ)簡(jiǎn)單的、有先后關(guān)系的、能在系統(tǒng)內(nèi)驗(yàn)證的數(shù)據(jù)。目前的電子拍賣市場(chǎng)還處于初級(jí)發(fā)展階段，存在參與方多、數(shù)據(jù)難以協(xié)同和各方信任缺失的特點(diǎn)。因此在招標(biāo)式電子拍賣時(shí)，拍賣者對(duì)于自身出價(jià)金額需要進(jìn)行個(gè)人隱私保護(hù)，拍賣人只需要公布結(jié)果，而不需要公布拍賣者的具體金額，可以采用隱私計(jì)算的方式計(jì)算出出價(jià)最高者，保護(hù)被拍者并對(duì)保留價(jià)進(jìn)行出價(jià)，同時(shí)對(duì)招標(biāo)結(jié)果的隱私計(jì)算過(guò)程進(jìn)行上鏈操作，實(shí)現(xiàn)電子拍賣全流程的可追溯性。1相關(guān)工作互聯(lián)網(wǎng)信息時(shí)代賦予了商品新的交易形式，如電子交易和電子拍賣等，也增加了交易的安全風(fēng)險(xiǎn)和隱患，在人們進(jìn)行電子交易和電子拍賣的過(guò)程中，竊取個(gè)人隱私數(shù)據(jù)的行為與日俱增。隨著區(qū)塊鏈的去中心化特性被廣泛采用，工商銀行在區(qū)塊鏈隱私計(jì)算融合技術(shù)方面開展了相關(guān)探索和實(shí)踐，建設(shè)了以區(qū)塊鏈技術(shù)和隱私計(jì)算技術(shù)為支撐的區(qū)塊鏈聯(lián)盟計(jì)算平臺(tái)。使用區(qū)塊鏈技術(shù)對(duì)敏感數(shù)據(jù)隱私計(jì)算后的結(jié)果進(jìn)行上鏈存證，保證了數(shù)據(jù)源的不可篡改性和可溯源性。Xue將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于企業(yè)財(cái)務(wù)信息融合共享系統(tǒng)，形成了公司間的企業(yè)財(cái)務(wù)信息融合共享體系，改善了當(dāng)前財(cái)務(wù)共享平臺(tái)的局限性和弊端。提出了一種使用區(qū)塊鏈的無(wú)欺騙門限秘密共享方案，該方案基于Shamir技術(shù)，消除了由于工作量證明/權(quán)益證明（ProofofWork/ProofofStake，PoW/PoS）共識(shí)導(dǎo)致的漏洞，并成功解決了股票欺騙問(wèn)題。為了保護(hù)電子拍賣中競(jìng)拍者的身份隱私，王小麗等人

提出了一個(gè)基于匿名通信的匿名電子拍賣協(xié)議，該協(xié)議在密封式拍賣方式的基礎(chǔ)上，采用匿名通信模型進(jìn)行通信。為了解決在電子拍賣場(chǎng)景下拍賣策略、拍賣金額的隱私安全問(wèn)題，本文提出了基于可信區(qū)塊鏈隱私計(jì)算平臺(tái)的電子拍賣解決方案。2系統(tǒng)方案2.1算法模型以下為基于可信區(qū)塊鏈隱私計(jì)算平臺(tái)方案需要使用的算法模型。2.1.1Paillier加法同態(tài)加密Paillier提出了3種加密方案，其中的方案一具有良好的加法同態(tài)性：對(duì)多個(gè)密文執(zhí)行乘法運(yùn)算，可以秘密實(shí)現(xiàn)明文加運(yùn)算，即?。同態(tài)加過(guò)程如下文所述。對(duì)于密文乘積計(jì)算公式為，其中n為兩個(gè)素?cái)?shù)的乘積。公鑰，私鑰

生成步驟如下：Step1首先隨機(jī)挑選大素?cái)?shù)p和q，滿足，并且滿足p和q的長(zhǎng)度相同。Step2計(jì)算以及，其中l(wèi)cm為最小公倍數(shù)，為n的比特長(zhǎng)度。Step3隨機(jī)選擇整數(shù)。Step4定義中間函數(shù)，計(jì)算。2.1.2CKKS全同態(tài)加密在2017年提出了基于CKKS的全同態(tài)加密方案，如圖1所示，可以對(duì)浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行近似計(jì)算，在多個(gè)全同態(tài)加密算法中效率較高。其主要步驟為：Step1密文生成算法：其中N為多項(xiàng)式次數(shù)，λ為安全參數(shù)，L為層次參數(shù)，輸出公鑰pk、私鑰sk和計(jì)算密鑰ck。Step2加密算法

其中m為需要加密的消息，輸出密文ct。Step3同態(tài)加法

：其中分別為明文m和m′對(duì)應(yīng)的密文，輸出對(duì)應(yīng)的密文。Step4同態(tài)乘法

其中分別為明文對(duì)應(yīng)的密文，輸出

對(duì)應(yīng)的密文。圖1CKKS全同態(tài)加密算法流程2.1.3區(qū)塊鏈區(qū)塊鏈?zhǔn)潜忍貛诺幕A(chǔ)支撐技術(shù)，首次出現(xiàn)在中本聰（SatoshiNakamoto）發(fā)表的《比特幣：一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式的電子現(xiàn)金系統(tǒng)》中。區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)共享的不可篡改的賬本，采用分布式自治技術(shù)，具有不可篡改性、去中心化、可溯源性等特征。根據(jù)開放程度，區(qū)塊鏈可劃分為公有鏈和聯(lián)盟鏈，任何人都可以自由加入公有鏈，而只有擁有特定權(quán)限的個(gè)人或組織才可以加入聯(lián)盟鏈。2.1.4智能合約智能合約具有規(guī)范性、不可逆性、不可違約性、匿名性等特點(diǎn)。其中，規(guī)范性是指智能合約是以計(jì)算機(jī)代碼為基礎(chǔ)，通過(guò)嚴(yán)密邏輯結(jié)構(gòu)來(lái)呈現(xiàn)內(nèi)容，并且對(duì)合約上的所有計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)是透明的。不可逆性是指一旦完成約定的條件，合約就可以自動(dòng)執(zhí)行對(duì)應(yīng)的預(yù)期計(jì)劃。不可違約性是指在鏈上的信息公開透明，任何節(jié)點(diǎn)都可以追溯流程。匿名性是指區(qū)塊鏈上流程是透明的，但交易雙方是匿名的。2.1.5Keccak256算法Keccak256算法是一種加密散列算法，是第三代安全散列算法。在Keccak256算法被確定選為SHA-3標(biāo)準(zhǔn)的獲勝算法后，就表現(xiàn)出很強(qiáng)的抗實(shí)際攻擊的特性，與SHA-1和SHA-2協(xié)議相比，SHA-3沒(méi)有輸入長(zhǎng)度上的限制。2.2方案模型基于同態(tài)加密和區(qū)塊鏈技術(shù)的可信區(qū)塊鏈隱私計(jì)算平臺(tái)的電子拍賣模型如圖2所示。該方案是針對(duì)當(dāng)前電子拍賣隱私保護(hù)場(chǎng)景提出的一種隱私保護(hù)解決方案，有效保護(hù)了競(jìng)拍者、拍賣人的競(jìng)拍策略，競(jìng)拍金額等隱私問(wèn)題，該方案包括以下實(shí)體：競(jìng)拍者、區(qū)塊鏈、智能合約、消息認(rèn)證、計(jì)算節(jié)點(diǎn)、拍賣機(jī)構(gòu)、拍賣人。（1）競(jìng)拍者。競(jìng)拍者需要保護(hù)自己的拍賣金額、拍賣策略，同時(shí)對(duì)于拍賣流程要求透明化，對(duì)于最后拍賣成功的交易流程要求可溯化。（2）區(qū)塊鏈。采用聯(lián)盟鏈的方式，競(jìng)拍者、拍賣人、拍賣機(jī)構(gòu)均作為多方參與者進(jìn)入聯(lián)盟鏈共享信息，與傳統(tǒng)公有鏈相比，聯(lián)盟鏈的方式更加靈活、交易的成本更低、區(qū)塊打包時(shí)間更少。（3）智能合約。接受用戶的拍賣金額同態(tài)加密密文以及競(jìng)拍金額的Hash值來(lái)上鏈，并打包成相應(yīng)區(qū)塊，同時(shí)提供區(qū)塊鏈上的隨機(jī)數(shù)生成函數(shù)。圖2基于可信區(qū)塊鏈隱私計(jì)算平臺(tái)的電子拍賣模型（4）消息認(rèn)證。通過(guò)對(duì)用戶的個(gè)人信息、競(jìng)拍金額進(jìn)行區(qū)塊鏈Hash加鹽簽名，采用Keccak256算法來(lái)預(yù)防用戶篡改金額以及在最終拍賣驗(yàn)證階段完成交易。（5）計(jì)算節(jié)點(diǎn)。通過(guò)在對(duì)應(yīng)服務(wù)器上部署相應(yīng)同態(tài)加密服務(wù)，對(duì)用戶傳輸?shù)拿芪倪M(jìn)行操作。（6）拍賣機(jī)構(gòu)。拍賣機(jī)構(gòu)同時(shí)對(duì)拍賣物品進(jìn)行出價(jià)，應(yīng)對(duì)電子拍賣過(guò)程中的流拍問(wèn)題以及惡意出價(jià)問(wèn)題。（7）拍賣人。拍賣人對(duì)拍賣物品進(jìn)行出價(jià)，作為拍賣物品的底價(jià)，并可以對(duì)低價(jià)進(jìn)行保密處理，達(dá)到盲拍的效果。2.3方案模型該設(shè)計(jì)方案大體可以分為委托者出價(jià)、拍賣機(jī)構(gòu)出價(jià)、競(jìng)拍者競(jìng)價(jià)、交易完成4個(gè)階段，如圖3所示。圖3基于同態(tài)加密單次比較算法流程2.3.1委托者出價(jià)首先由委托者出價(jià)，委托者通過(guò)調(diào)用本文設(shè)計(jì)的算法3基于同態(tài)加密的隱私比較算法將自身的出價(jià)金額密文托管到平臺(tái)，并調(diào)用智能合約將金額信息簽名，并將簽名值記錄上鏈。2.3.2拍賣機(jī)構(gòu)出價(jià)拍賣機(jī)構(gòu)為了防止線上平臺(tái)委托者隨意出價(jià)導(dǎo)致流拍率過(guò)高，需要對(duì)拍賣品價(jià)格進(jìn)行預(yù)估，若起拍價(jià)高于預(yù)估價(jià)格3倍以上，則判定為惡意拍賣，若發(fā)生多次則禁止該藏品參與拍賣。2.3.3競(jìng)拍者競(jìng)價(jià)在委托者出價(jià)以及拍賣機(jī)構(gòu)驗(yàn)證之后，競(jìng)拍者就可以對(duì)藏品進(jìn)行競(jìng)價(jià)，但基于個(gè)人隱私保護(hù)以及競(jìng)價(jià)策略保護(hù)的需要，競(jìng)拍者并不知道藏品當(dāng)前競(jìng)拍價(jià)格以及其他競(jìng)爭(zhēng)者出價(jià)，只能調(diào)用平臺(tái)的隱私比較算法進(jìn)行比對(duì)，得到的結(jié)果只是大小關(guān)系而不是真實(shí)的明文，若出價(jià)成功即當(dāng)前的價(jià)格超過(guò)之前的其他競(jìng)拍者的價(jià)格或者為第一次出價(jià)超過(guò)委托者價(jià)格，則會(huì)更新為新價(jià)格密文，其中每次交易更新都會(huì)調(diào)用智能合約對(duì)相關(guān)信息作出簽名并記錄上鏈。同時(shí)為了防止競(jìng)拍者對(duì)價(jià)格進(jìn)行爆破攻擊，每個(gè)競(jìng)拍者對(duì)當(dāng)前出價(jià)有且僅有3次機(jī)會(huì)。2.3.4交易完成一旦新的價(jià)格密文在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)不變，就可以完成交易，若價(jià)格密文和起拍密文相同，則判定為流拍。交易完成后，需要將相應(yīng)的交易過(guò)程上鏈，包括每次的價(jià)格密文以及競(jìng)拍者的相應(yīng)Hash值，達(dá)到交易過(guò)程公開化，可追溯化。2.4算法設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的智能合約基于HyperledgerFabric架構(gòu)，所涉及的變量和方法名如表1所示。表1智能合約的變量和方法名合約主要分為3個(gè)主體函數(shù)，即隨機(jī)數(shù)生成函數(shù)、存儲(chǔ)函數(shù)、查詢函數(shù)。隨機(jī)數(shù)生成函數(shù)以區(qū)塊打包的時(shí)間和難度作為種子調(diào)用Keccak256來(lái)生成隨機(jī)數(shù)。存儲(chǔ)函數(shù)采用Storage在鏈上永久存儲(chǔ)，對(duì)傳入的結(jié)構(gòu)體存入至鏈上以供查詢。查詢函數(shù)則提供了查詢接口，通過(guò)對(duì)應(yīng)Hash值可以查詢結(jié)構(gòu)體。使用的算法分別是基于同態(tài)加密的隱私比較算法、基于區(qū)塊鏈的消息認(rèn)證算法、基于區(qū)塊鏈的隨機(jī)數(shù)生成算法。3種算法的基本參數(shù)如表2所示。表2算法相關(guān)參數(shù)續(xù)表2.4.1區(qū)塊鏈隨機(jī)數(shù)生成算法區(qū)塊鏈隨機(jī)數(shù)生成算法使用聯(lián)盟鏈上的當(dāng)前區(qū)塊難度和打包時(shí)間作為種子生成隨機(jī)數(shù)，并多次重復(fù)Hash函數(shù)，即將上一次生成的隨機(jī)數(shù)作為數(shù)據(jù)源重復(fù)進(jìn)行Hash運(yùn)算，提高攻擊成本。算法1：區(qū)塊鏈隨機(jī)數(shù)生成算法2.4.2區(qū)塊鏈消息認(rèn)證算法使用者首先需要調(diào)用寫入智能合約的區(qū)塊鏈隨機(jī)數(shù)生成算法生成隨機(jī)數(shù)作為鹽值參與運(yùn)算，之后將鹽值插入到傳遞信息的末尾作為預(yù)處理，調(diào)用Keccak256算法生成Hash值，通過(guò)鹽值可以有效防止彩虹表攻擊。算法2：區(qū)塊鏈消息認(rèn)證算法2.4.3基于同態(tài)加密的隱私比較算法首先起拍價(jià)的委托人調(diào)用算法1生成兩個(gè)隨機(jī)正整數(shù)，并對(duì)這兩個(gè)正整數(shù)調(diào)用區(qū)塊鏈消息認(rèn)證算法獲得Hash值上鏈，之后競(jìng)拍者調(diào)用Paillier算法生成一對(duì)公私鑰，使用公鑰加密價(jià)格并將公鑰和加密密文發(fā)送給委托人，委托人調(diào)用智能合約將公鑰和加密密文上鏈作為記錄，并同時(shí)使用公鑰計(jì)算出明文加密的結(jié)果之后調(diào)用Paillier同態(tài)加密算法計(jì)算出其中a，b為隨機(jī)正整數(shù)，將這兩個(gè)結(jié)果調(diào)用智能合約上鏈記錄。競(jìng)拍者得到計(jì)算結(jié)果后使用私鑰解密出金額金額只需要比較A，B的大小就可以知道金額的大小。但此時(shí)委托人不知道金額的相對(duì)大小，因此需要交換一次順序，重復(fù)一次上述流程來(lái)得到金額的相對(duì)大小，單次流程圖如圖3所示。兩次流程結(jié)束后雙方就可以確認(rèn)對(duì)應(yīng)的大小關(guān)系。算法3：基于Paillier同態(tài)加密的隱私比較算法3安全性與可行性分析通過(guò)第三節(jié)提出的方案，每個(gè)用戶競(jìng)拍時(shí)都不會(huì)泄露自身具體金額，并且在整個(gè)競(jìng)拍環(huán)境下競(jìng)拍者不會(huì)泄露自身的競(jìng)價(jià)策略，而只是知道和藏品當(dāng)前價(jià)格大小關(guān)系，為了防止用戶使用窮舉攻擊，對(duì)每個(gè)價(jià)格出價(jià)時(shí)間和出價(jià)次數(shù)有著嚴(yán)格的限制。對(duì)于交易過(guò)程中的競(jìng)拍者和委托者的不誠(chéng)實(shí)問(wèn)題，在每一次競(jìng)拍過(guò)程中都會(huì)做一次Hash記錄上鏈，在拍賣結(jié)束之后，如果有競(jìng)拍者對(duì)過(guò)程有疑問(wèn)，則可以重新簽名認(rèn)證金額。算法1區(qū)塊鏈隨機(jī)數(shù)生成算法采用了從區(qū)塊鏈上調(diào)用智能合約Keccak256散列算法并結(jié)合打包區(qū)塊的難度和時(shí)間作為隨機(jī)種子，多次Hash得到最終的隨機(jī)數(shù)可以有效抵御碰撞攻擊。算法2區(qū)塊鏈消息認(rèn)證算法基于Keccak256算法，通過(guò)使用算法1生成的隨機(jī)數(shù)作為鹽值，可以防止彩虹表對(duì)簽名值進(jìn)行攻擊，并支持對(duì)用戶需要認(rèn)證的信息進(jìn)行簽名存儲(chǔ)。算法3基于Paillier同態(tài)加密的隱私比較算法，為了防止比較者之間的不誠(chéng)實(shí)行為，采用了簽名值上鏈作為防范，借助Keccak256算法的抗弱碰撞性作為最后完成對(duì)金額及信息驗(yàn)證的保證。本文通過(guò)選擇聯(lián)盟鏈方案，對(duì)加入聯(lián)盟鏈的用戶進(jìn)行嚴(yán)格的身份認(rèn)證，可以獲得更好的隱私控制，減少被惡意攻擊的可能性。在最終驗(yàn)證的時(shí)候，拍賣成功者需要拿拍賣成功那次簽名信息去完成最終交易，進(jìn)行簽名認(rèn)證，這樣可以有效避免篡改攻擊。在拍賣和交易的過(guò)程中采用簽名數(shù)據(jù)上鏈的方式可以有效避免數(shù)據(jù)篡改，達(dá)到交易全過(guò)程可溯源、可驗(yàn)證的效果。4實(shí)驗(yàn)分析4.1實(shí)驗(yàn)環(huán)境本文方案的實(shí)驗(yàn)環(huán)境為云服務(wù)器，采用的系統(tǒng)為CentOS7操作系統(tǒng)，配置為4核心CPU，16GB內(nèi)存，2Mbit/s外網(wǎng)帶寬，采用的性能測(cè)試框架為benchmark。4.2實(shí)驗(yàn)步驟基本平臺(tái)如圖4所示，支持多種同態(tài)加密算法進(jìn)行相關(guān)性能測(cè)試。圖4可信區(qū)塊鏈隱私計(jì)算平臺(tái)如圖5所示，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)兩個(gè)隨機(jī)操作數(shù)進(jìn)行Paillier加密，得到對(duì)應(yīng)密文，通過(guò)生成的密文就可以進(jìn)行對(duì)應(yīng)同態(tài)計(jì)算。圖5基于區(qū)塊鏈隱私計(jì)算平臺(tái)的同態(tài)加密4.3Paillier同態(tài)加密算法測(cè)試采用benchmark性能測(cè)試框架對(duì)Paillier半同態(tài)加密算法和CKKS全同態(tài)加密算法進(jìn)行電子拍賣場(chǎng)景下的性能測(cè)試，對(duì)于隨機(jī)數(shù)的同態(tài)加法、標(biāo)量乘法、解密和加密過(guò)程作出1000次運(yùn)算并取對(duì)應(yīng)平均值，結(jié)果如圖6所示，該結(jié)果表明Paillier同態(tài)加密算法性能在2048位密鑰的情況下優(yōu)于CKKS同態(tài)加密算法，可以滿足多人在線競(jìng)拍的需要。圖6CKKS和Paillier性能測(cè)試5結(jié)