面向比特币的区块链扩容:关键技术, 制约因素与衍生问题

比特币是一种利用区块链技术的点对点记账系统.随着比特币的发展,现有的比特币系统架构已经不能满足日益增长的交易需求,亟需扩容以寻求长期发展.比特币是以人为核心的复杂社会经济系统,比特币扩容是涉及多方利益的复杂问题,引起了业界与学术界的广泛关注.本文提出了一个比特币系统扩容问题的研究框架,包括关键技术,制约因素与衍生问题三部分,以深入探讨和研究比特币扩容问题.在该研究框架下,首先介绍链上和链下两类扩容关键技术及发展现状;其次从网络负载和节点瓶颈两方面,总结制约比特币扩容方案的宏观与微观因素;最后,探讨两类衍生问题:从系统安全性的角度,探讨比特币扩容可能引发的安全问题及解决策略;从币值、交易费与矿工收益等方面,阐述比特币扩容涉及的经济问题.     

区块链隐私保护与监管技术研究进展

区块链是一种分布式的数据库,是比特币等数字货币的核心技术,受到学术界和产业界广泛关注和研究.区块链具有去中心化、去信任、高度透明等特点,在金融、医疗、政府、军事等领域有重要的应用价值.区块链账本公开透明的特点方便了节点对交易的验证,但同时带来了用户的隐私保护问题.用户的身份、交易金额等内容很容易被泄漏,对其的保护是近几...     

基于聚合签名的共识算法优化方案

随着比特币以及以太坊、超级账本等系统的兴起,区块链技术受到越来越多的关注。区块链是众多技术结合的产物,共识算法在区块链中起着至关重要的作用,共识算法的优劣直接影响着区块链系统的优劣。针对不同特点的区块链系统,采取的共识算法也不相同,不同的共识算法各有优劣。目前,效率问题是区块链中共识算法面临的主要问题之一。为了提高区块链系统中共识算法的运行效率,首先介绍了区块链中共识算法的各种潜在的优化方案,然后以联盟链中常用的PBFT共识算法的改进算法dBFT为研究对象,结合聚合签名技术以及双线性映射技术对dBFT的共识过程进行优化,并与原方案进行比较。优化后的聚合dBFT共识算法可以有效降低区块链系统中签名的空间复杂度。     

基于格的数字签名及其聚合类变体的综述

数字签名作为一项重要的认证技术,使得人们能够在数字信息时代进行便捷的数字办公,在信息安全、身份认证、数据完整性、不可否认性等方面应用广泛.多重签名和聚合签名将数字签名压缩技术和批处理技术进行整合,极大节省了存储空间和传输带宽的消耗,适用于区块链比特币交易、电子投票、证书链认证等实际业务.随着量子计算机的快速发展,许多传统密码体制的安全性受到严重威胁,而格中的困难问题被认为是能够抵抗量子计算攻击的数学问题,所以格密码成为目前备受关注的一类能够抵抗量子计算攻击的公钥密码体制.因此,研究基于格的数字签名方案是使数字签名能够抵抗量子计算攻击的有效举措.本文主要围绕基于格的数字签名,包括普通数字签名、多重签名和聚合签名,对近些年的主要研究成果进行介绍和分析,对基于格的数字签名及其未来的研究方向进行了总结.     

比特币区块链的数据压缩

区块链技术为数据存储提供了一种透明、不可更改、去中心化的方法.但随着数据量不断增加,比特币区块链系统需要大量的存储空间.分析了比特币区块的结构,针对比特币交易中的部分字段,提出相应的编码方案来减小比特币区块体积.实验表明,所提方案可使区块链体积减小18.13％.     

基于BLS聚合签名技术的平行链共识算法优化方案

目前,平行链的每个共识节点均需发送各自的共识交易到主链上以参与共识,这导致大量的共识交易严重占用主链的区块容量,并且浪费手续费。针对上述问题,利用平行链上的共识交易具有共识数据相同签名不同的特点,结合双线性映射技术,提出一种基于BLS聚合签名技术的平行链共识算法优化方案。首先,用共识节点对交易数据进行签名;然后,用平行链各节点通过点对点（P2P）网络在内部广播共识交易并同步消息;最后,由Leader节点统计共识交易,且当共识交易的数量大于2/3时,将对应的BLS签名数据聚合并发送交易聚合签名到主链上进行验证。实验结果表明,所提方案与原始平行链共识算法相比能够有效解决平行链上共识节点重复发送共识交易到主链的问题,在减少对主链存储空间的占用的同时节省交易手续费,只占用主链存储空间4 KB并且只产生一笔0.01比特元（BTY）的交易手续费。     

区块链系统的存储可扩展性综述

区块链是在比特币的基础上发展起来的一种分布式数据库，凭借其去中心化、可溯源、不可篡改等特点引起了学术界和工业界的广泛关注。然而当区块链技术应用于实际的应用场景时，随着节点数量和数据量的急剧增长，出现了低吞吐率、难以扩展等问题。在实际的应用场景中，难以扩展问题抑制了区块链技术的真正落地。重点对区块链技术的存储可扩展性进行总结与展望。首先，介绍了区块链技术的基础知识和数据结构，分析了现阶段区块链技术所面临的存储可扩展性问题；其次，从第0层扩容方案、链上扩容方案和链下扩容方案3个技术层面阐述了不同扩容方案的原理、实现方法、研究现状以及优缺点；最后，分析了目前区块链扩容方案所存在的挑战，并为下一步区块链的研究工作提供了方向。     

高效抗单点失效的区块链钱包保护方案

利用区块链钱包保存的私钥对交易进行签名是区块链上交易的唯一途径,钱包中存储的私钥一旦丢失或泄露将造成无法挽回的损失.目前主流的钱包管理方案都将钱包集中存储在单个位置或者依赖可信第三方的参与,无法抵抗单点失效.针对区块链的钱包安全问题,提出一个基于无可信中心门限椭圆曲线数字签名的区块链钱包保护方案.该方案在无可信中心参与的情况下由参与者合作生成公私钥和各自的私钥碎片,超过门限阈值的参与者合作才能对交易进行有效签名,可有效抵抗单点攻击,保障钱包安全.经过安全性分析,该方案满足抗伪造性、匿名性、鲁棒性、不可追溯性和不可撤销性.通过效率分析,该方案完成签名仅需常数轮,可在增加较少签名时间的情况下保障区块链钱包安全.     

区块链技术研究综述

随着比特币等虚拟数字货币的日益普及与发展,区块链技术受到了研究人员的广泛关注。区块链技术是一种按照时间顺序将区块以链式结构组合而成的分布式数据账本,具有去中心化、可编程、可溯源、不可篡改等特性,在金融领域中的研究尤为广泛。文章面向区块链技术的发展,介绍区块链技术的起源和概述,详细地讨论环签名、零知识证明、数字签名和同态加密等区块链关键技术,综述区块链技术的特点和种类。对区块链技术的应用领域进行概括,重点关注其应用原则和应用领域相关的案例,分析区块链应用当前的发展现状,并对未来区块链技术的发展方向进行分析与预测。     

支持批量证明的SM2适配器签名及其分布式扩展

适配器签名, 又称无脚本脚本, 是解决区块链应用(如密码货币)中扩展性差、吞吐量低等问题的重要密码技术. 适配器签名可看作数字签名关于困难关系的扩展, 同时具有签名授权和证据提取两种功能, 在区块链应用中具有以下优点: (1) 降低链上成本; (2) 提高交易的可替代性; (3) 突破区块链脚本语言限制. SM2签名是我国自主设计的国家标准签名算法, 在各种重要信息系统中有着广泛应用. 基于SM2签名构造出高效的适配器签名方案, 并在随机谕言机模型下给出安全性证明. 所提方案结合SM2签名结构, 可避免在预签名阶段生成额外的零知识证明, 与现有ECDSA/SM2适配器签名相比更加高效, 其中, 预签名生成效率提升4倍, 预签名验证效率提升3倍. 随后, 基于SM2协同签名, 构造分布式SM2适配器签名, 可避免单点故障问题, 提升签名私钥安全. 最后, 在实际应用方面, 基于SM2适配器签名构造适用于一对多场景下安全高效的批量原子交换协议.