[发明专利]一种基于量子密钥分发的拜占庭容错共识方法

说明书

本发明针对经典区块链共识机制面临量子计算机攻击问题，提出了一种基于量子密钥分发的拜占庭容错共识方法。首先，对于公钥数字签名存在的安全问题，提出一种基于量子密钥分发和多线性哈希函数族的MH‑USS无条件安全签名方案，该签名具有不可伪造性、不可抵赖性以及可传递性，并能在现有设备上实现，有较高实用价值。其次，针对经典拜占庭容错共识机制PBFT共识效率相对较低的问题，提出一种QS‑BFT(Quantum Secured‑Byzantine Fault Tolerance)共识方法。通过增设“快速‑标准”双共识模式以及允许节点对空区块投票的方式，减少系统通信次数并避免视图转换过程，使方案不仅具备安全性与活性，还能够有效减少消息复杂度，提高共识效率。

技术领域

本发明涉及区块链技术领域，具体涉及一种基于量子密钥分发的拜占庭容错共识方法。

背景技术

区块链发展至今，已成为当今科技领域热门话题，被认为是人类历史上的第四次工业革命。区块链融合密码学、共识机制、分布式数据存储、点对点通信等新型技术体系，构建具备去中心化和不可篡改等特性的分布式系统，改变传统依托中心化模式的分布式体系。

区块链是一种基于密码学原理的分布式账本技术，数字签名保护区块链数据的完整性和不可伪造性等，哈希指针使区块按顺序首尾相连。当前主流区块链系统，例如比特币、以太坊等，均使用经典密码学算法和共识机制维护系统的稳定性、安全性和可用性。这些系统采用依赖于数学困难问题的经典密码算法，并且假设敌手节点能力有限，不能破解数字签名和哈希函数。但是上述假设会在量子计算攻击环境下失效，使区块链系统面临严重安全威胁。例如，在使用传统公钥签名算法的区块链系统中，存在被攻击方利用Shor算法破解其公钥系统的风险；在比特币系统中，存在被攻击方利用Grover算法实现51％攻击的风险。

抗量子区块链是未来区块链的研究热点和发展方向。为应对量子计算对区块链平台的安全威胁，主要针对数字签名与共识机制两方面进行研究。量子通信研究领域已在区块链技术中引入量子密码技术方案，通常有两种研究方向，一是后量子区块链，将后量子签名算法代替经典签名算法。但此方案是基于目前某些不能被量子计算机有效解决的计算复杂性困难问题，并不能提供无条件安全证明。二是量子区块链，即以量子的物理特性为基础，构造新型高效量子单向函数、量子签名算法以及基于量子分布式计算的新型区块链等，具备无条件安全性，不仅可以对抗目前已知的量子计算攻击威胁，而且还可以对抗未来可能使后量子加密方案受到威胁的情况。

对于基于后量子算法的区块链，Gao提出了一种基于后量子区块链(PQB)的安全加密货币方案，可以抵抗量子计算攻击。通过设计了一个基于格的签名方案，将其与区块链相结合，构造了PQB并提出了加密货币方案。经分析与证明可知，该签名方案与其他方案相比，签名和密钥的长度都更短，能够有效降低计算复杂度，使其加密货币的方案更加安全和高效。Stewart提出了一个“提交-延迟-公开”三段式协议，以确保从比特币可以将当前采用的ECDSA签名方案安全过渡到抗量子签名方案。Li利用Bonsai trees技术和格基随机化算法，从根密钥生成公钥和私钥，从而提出一种新的基于格的签名方案，用于保护区块链网络安全。