一種隨機并聯的區塊鏈安全共識算法

◆杜江天

一種隨機并聯的區塊鏈安全共識算法

◆杜江天

(武漢市第二中學 湖北 430010)

為防止區塊鏈系統因ASIC芯片的引入而削弱其中心化特性，提升區塊鏈共識算法的抗ASIC能力顯得至關重要。本文提出的RPCA16共識算法引入了動態隨機特性，且采用多散列算法并聯，極大提升了算法的抗ASIC能力。與X16R算法相比，具備抗ASIC的效率高、安全性強等優勢。

區塊鏈；共識算法；抗ASIC；安全性

0 引言

在基于工作量證明機制（POW機制）的區塊鏈系統中，其共識算法對于保障區塊鏈的安全性和去中心化的特性具有重要作用。原始的區塊鏈系統例如比特幣系統使用計算機的CPU或GPU來實現共識算法的計算，從而使系統中算力得到平均分布，保障了去中心化的特性。但隨著區塊鏈系統的發展和流行，部分硬件廠商開發出專用的ASIC設備來進行挖礦計算，由于ASIC在計算能力和耗電量上具有巨大優勢，從而占據了區塊鏈系統的大部分算力，導致系統出現中心化的危險，從而帶來“51%攻擊”的隱患，嚴重影響系統安全和正常運行。因此，共識算法的抗ASIC能力成為當前研究的重要方向。

1 POW共識算法概述

在傳統的比特幣區塊鏈計算模型中，其工作量證明機制使用的共識算法為SHA256散列算法，該共識算法保證了區塊鏈的安全性和不可篡改性[1]。但是，這種保障依賴于一個前提條件，即單一節點無法控制全系統中超過51%的算力。但隨著專用的進行SHA256散列計算的ASIC芯片的研發和應用，單臺機器的算力相較于通用計算機得到了數十萬倍的提升，導致算力越來越集中，幾個大型礦池的機器聯合起來就可能超過全網51%的算力，從而危及區塊鏈系統的安全。為解決這一問題，后續的區塊鏈開發者設計了各類共識算法，試圖抵抗ASIC專用芯片帶來的算力集中問題。例如以太坊區塊鏈設計了ETHASH算法，該算法依賴于計算機的內存性能，且能有效提高區塊鏈的事務處理能力[2]。達世區塊鏈提出了X11算法，該算法使用11種散列算法進行串聯，從而提高了制造專用ASIC芯片的成本。其后還發展出X13、X15等算法。門羅區塊鏈提出了Cryptonight算法，該算法依賴于CPU中的特定指令集和高速緩存，從而使通用計算機的CPU具備了獨特的計算優勢。

上述算法雖然從指令集、內存依賴、多算法串聯等不同角度增加了開發相應ASIC芯片的難度，但是都未能成功地阻止相應ASIC機器的出現。其原因在于這些算法雖然設置了一定障礙，但如果開發相應ASIC芯片的收益高于成本，設計者依然可以通過在芯片上堆積更多的邏輯電路和專用存儲器來開發出相應的算法功能。因此，為增加算法的ASIC抗性，不能簡單地只增加算法復雜度和資源消耗量，而是需要增加算法的隨機性，從而使其難以固化為專用的ASIC電路。布萊克等人提出的X16R算法引入了隨機性[3]，但該算法仍然是一種串聯算法，串聯方式雖然增加了算法復雜度，但也降低了安全性。因為其中任一串聯的散列算法被破解都會影響該算法的總體安全性，所以應采用并聯方式來聯接多個算法。

2 隨機并聯算法RPCA16

為提升區塊鏈共識算法的抗ASIC能力，保障算法的安全性，本文提出一種隨機并聯共識算法RPCA16（Random Parallel Consensus Algorithm 16）。RPCA16算法的主要思路是構建散列算法池，然后隨機從算法池中挑選算法進行并聯計算，從而最終求得符合難度條件的本區塊隨機數（none值）。

為構建RPCA16隨機算法，首先應構建散列算法池。散列算法池是一個包含16種散列算法的有序集合，其包含元素見表1，其中序號以16進制數字表示，所選擇的散列算法包含了X15算法中的15種標準散列算法，另外加上SHA512算法。

表1 RPCA16算法池

基于以上算法池，構建RPCA16算法如下：

（1）從算法池的16個算法里面隨機挑選4個算法：截取上一區塊的區塊頭散列值的最后4位（16進制位），以該四位為序號依次從算法池中挑選4個算法，形成一個新的包含4種算法的有序集合。

例如，假設上一區塊頭散列值為：

0000000000000000008c9a29e053bc2970145ac3870210f18da00189b8e83e2c

以其最后四位3e2c為序號依次挑選算法池中對應的算法，得到jh、whirlpool、groestl、fugue，形成有序集合A，見表2。

表2 有序集合A

（2）數據預處理：對當前正在進行試算的區塊頭數據D進行處理，刪掉none字段，得到數據D1。對數據D1使用SHA256和HEFTY1算法依次計算，得到散列值H1。即：

H1=HEFTY1（SHA256（D1））

（3）映射排序：截取H1的最后4位（16進制位），對該4位上的數字進行大小比較，得出其從小到大排序的序號（排序序號以0開始），把每一位上的數字替換為其排序序號，則映射得到一個新的數字序列L。隨后根據L中數字的順序依次從有序集合A中挑選算法，形成新的有序集合A1。

例如，假設H1的后4位是9d2a，則這4個數字從小到大進行排序，9排序序號為1，d排序序號為3，2排序序號為0，a排序序號為2，則9d2a中的每一位替換為排序序號后，得到1302。以1302中的每一位為序號，依次從有序集合A中挑選算法，得到新的有序集合A1，見表3。

表3 有序集合A1

（4）計算散列值：對當前區塊的區塊頭數據D依次用有序集合A1中的4種散列算法進行計算，得到散列值h1、h2、h3、h4。即

h1=whirlpool(A1)

h2=fugue(h1)

h3=jh(h2)

h4=groestl(h3)

（5）混淆排列：分別取h1、h2、h3、h4各散列值前64位（2進制位），得到p1、p2、p3、p4。將每個數按32位（2進制位）長度平分為前后兩段，得到p1a、p1b、p2a、p2b、p3a、p3b、p4a、p4b。將這八段數字按以下順序混淆排列：p1a、p2a、p3a、p4a、p1b、p2b、p3b、p4b，得到最后的區塊頭散列值L。具體排列方法見圖1。

圖1 通過混淆排列方式得到區塊頭散列值L

（6）迭代：將L與當前區塊鏈系統中的難度值N相比較，如果L

3 RPCA16算法抗ASIC性及安全性分析

RPCA16算法與傳統的共識算法相比，通過增加隨機性，使得ASIC芯片流水線無法滿負荷運行，從而提升了其抵抗ASIC的性能。與同樣具有隨機性的算法X16R相比，具備以下優勢：

（1）RPCA16從16個標準散列算法中選4個進行并聯計算，而X16R使用固定的16個算法。因此當ASIC芯片進行RPCA16算法計算時，將有75%的電路空置，從而大大降低了ASIC相對于CPU或GPU的優勢。

（2）RPCA16對挑選出來的4個標準算法進行隨機排序，從而進一步降低ASIC電路的流水線效率。同時由于是在區塊頭數據構造的過程中引入的動態隨機，因此RPCA16對FPGA芯片也須有一定的抵抗能力。

（3）RPCA16在數據預處理過程中引入了HEFTY1散列算法，該算法難以通過ASIC來實現，進一步增強了抗ASIC的特性。

（4）X16R使用多算法串聯，其中任一算法被破解都會影響系統安全。而RPCA16是并聯類型的算法，只有所有的算法都被破解，才會影響最終算法的安全性，因此RPCA16算法抗哈希碰撞的能力強，其安全性較串聯算法大大增強。

4 結語

區塊鏈技術具有高可用性和去中心化、去中介化等特性，目前在信息系統中的應用方興未艾。但由于區塊鏈的數據是分布式的，網絡是開放式的，因此其安全性顯得尤為重要。通過增強區塊鏈共識算法的抗ASIC和抗哈希碰撞特性，可以大大增強區塊鏈系統抵抗51%攻擊和窮舉攻擊的能力，從而可以開發出高安全性的區塊鏈公鏈體系。

[1]袁勇，王飛躍.區塊鏈技術發展現狀與展望[J].自動化學報，2016.

[2]邵奇峰，金澈清等.區塊鏈技術：架構及進展[J].計算機學報，2018.

[3] Tron Black,Joel Weight.X16R ASIC Resistant by Design. https://ravencoin.org/wp-content/uploads/2018/03/X16R-Whitepaper.pdf.